3.1 测量回路
测量回路用到的测量仪表有电流表、电压表、有功功率表、无功功率表、功率因数表、频率表等，常用测量仪表的一般规定如下。
①常用测量仪表的配置应能正确反映电力装置的电气运行参数和绝缘状况。
②常用测量仪表指装设在屏、台、柜上的电测量表计，包括指针式仪表、数字式仪表、记录型仪表及仪表的附件和配件等。
③常用测量仪表可采用直接仪表测量、一次仪表测量和二次仪表测量方式。
④常用测量仪表的准确度最低要求见表3-1。
表3-1 常用测量仪表的准确度最低要求
⑤仪表用电流、电压互感器及附件和配件的准确度最低要求见表3-2。
表3-2 仪表用电流、电压互感器及附件和配件的准确度最低要求
⑥指针式测量仪表的测量范围，宜使电力设备额定值指示在仪表标度尺的2/3左右。对于有可能过负荷运行的电力设备和回路，测量仪表宜选用过负荷仪表。
⑦对双向电流的直流回路和双向功率的交流回路，应采用具有双向标度尺的电流表和电压表。对有极性的直流电流、电压回路，应采用具有极性的仪表。
⑧对重载启动的电动机以及有可能出现短时冲击电流的电力设备和回路，宜采用具有过负荷标度尺的电流表。
⑨当发电厂和变电所装设有远动测量、计算机监测（控）系统时，二次测量仪表、计算机、远动遥测三者宜共用一套变送器。
3.1.1 电流测量回路
电流回路的测量元件是电流表计，是单个电气量的表计，因此接线比较简单。应测量电流的回路如下。
（1） 应测量交流电流的回路
①同步发电机和发电/电动机的定子回路。
②主变压器：双绕组变压器的一侧；三绕组主变压器（或自耦变压器）的三侧，以及自耦变压器的公共绕组回路。
③厂（所）用变压器：双绕组变压器的一侧及各厂用分支回路；三绕组变压器的三侧。
④柴油发电机接至低压保安段进线及交流不停电电源的进线回路。
⑤母线联络断路器、母线分段断路器、旁路断路器和桥断路器回路。
⑥10kV及以上的输配电线路和用电线路，以及6kV及以下供电、配电和用电网络的总干线路。
⑦220～500kV一个半断路器接线，各串的三个断路器回路。
⑧330～500kV并联电抗器组以及10～66kV并联电抗器和并联电容器回路。
⑨50kV·A及以上的照明变压器和消弧线圈回路。
⑩55kW及以上的电动机、55kW以下易过负荷电动机及生产工艺要求需要监视的电动机。
（2）应测量直流电流的回路
①同步发电机、发电/电动机和同步电动机的励磁回路，自动及手动调整励磁的输出回路。
②直流发电机和直流电动机。
③蓄电池组和充电及浮充电整流装置的直流输出回路。
④重要电力整流装置的直流输出回路。
⑤根据生产工艺的要求，需要监视直流电流的其他回路。
（3） 交流电流测量回路图
图3-1所示为单相电流测量回路图。图中，TA为电流互感器，PA为电流表；电流表的电流线圈与电流互感器的二次绕组串联。
图3-1 单相电流测量回路图
3.1.2 电压测量回路
电压回路的测量元件是电压表计，是单个电气量的表计，因此接线比较简单。应测量电压的回路如下。
（1）应测量交流电压的回路
①同步发电机和发电/电动机的定子回路。
②各段电压等级的交流主母线。
③330～500kV系统联络线路（线路侧）。
④根据生产工艺的要求，需要监视交流电压的其他回路。
对电力系统电压监视点的高压或高中压母线，和容量为50MW及以上的汽轮发电机电压母线，还应记录母线电压。
中性点有效接地系统的发电厂和变电所的主母线，应测量母线的三个线电压，也可用一只电压表和切换开关选测母线的三个线电压。对于一个半断路器接线的主母线和6kV以下的配电母线，可只测量一个线电压。
中性点非有效接地系统的发电厂和变电所的主母线，宜测量母线的一个线电压和监测绝缘的三个相电压，或者使用一只电压表和切换开关选测母线的一个线电压和三个相电压。
发电机定子回路的绝缘监测装置，可用一只电压表和按钮测量发电机电压互感器辅助二次绕组的零序电压，或者用一只电压表和切换开关选测发电机的三个相电压来监视发电机的绝缘状况。
（2）应测量直流电压的回路
①同步发电机和发电/电动机的励磁回路和自动及手动调整励磁的输出回路。
②同步电动机回路。
③直流发电机回路。
④直流系统的主母线以及蓄电池组、充电及浮充电整流装置的直流输出回路。
⑤重要电力整流装置的输出回路。
⑥根据生产工艺的要求，需要监视直流电压的其他回路。
（3）交流电压回路图
图3-2所示为三相交流电压测量回路图。L1-630、L2-630、L3-630为工作小母线，PV为电压表。图中三只电压表分别接于UV、VW、WU两相电压之间，测量线电压。
图3-2 三相交流电压测量回路图
3.1.3 功率测量回路
功率测量回路分为有功功率测量回路和无功功率测量回路，其测量元件分别为有功功率和无功功率表计，是两个电气量的表计，接线相对复杂。下面分别介绍有功功率测量回路和无功功率测量回路。
3.1.3.1 有功功率测量回路
应测量有功功率的回路有：同步发电机和发电/电动机的定子回路；主变压器：双绕组变压器的一侧和三绕组变压器（或自耦变压器）的三侧；厂用高压变压器的高压侧；35kV及以上的输配电线路和用电线路；旁路断路器、母联（或分段）兼旁路断路器回路和35kV及以上的外桥断路器回路；根据生产工艺的要求，需要监视有功功率的其他回路。
主控制室控制的汽轮发电机的机旁控制屏和水轮发电机的机旁控制屏，应装设发电机有功功率表。对有可能送、受电运行的输配电线路、水轮发电机、发电/电动机和主变压器等设备，应测量双方向有功功率。在电力系统中担任调频调峰的发电机、100MW及以上的汽轮发电机以及330～500kV系统联络线路，应记录有功功率。
（1）单相电路有功功率的测量 常用的功率表，一般采用电动式、铁磁电动系或整流系仪表原理构成。由于开关板式功率表大多采用铁磁电动系，所以这里主要介绍铁磁电动系功率表。
图3-3所示为单相有功功率表的接线原理图，图中圆圈内的水平粗实线“1”表示电流线圈，圆圈内的垂直细实线“2”为电压线圈。电压线圈的阻抗很小，因此需增加一个附加电阻Rf。电压线圈与附加电阻Rf相串联后接入被测电路的电压U上。电压线圈本身的阻抗与附加电阻Rf之和称为电压线圈的内阻抗。
图3-3 单相有功功率表的接线原理图
功率表指针的偏转方向是由两组线圈里电流的相位关系所决定，如果改变任一个线圈电流的流入方向，则功率表将向相反的方向偏转。为了使接线不会发生错误，通常在仪表的引出端钮上将电流线圈与电压线圈指定接电源同一极的一端标有“· ”或“* ”标志，并把此端称为发电机端。正确的接线方法：如图3-3所示，将电流线圈标有“· ”标志的一端接至电源侧，另一端接负载侧；电压线圈带有“· ”标志的一端与电流线圈带有标志的一端接于电源的同一极上，另一端则跨接到负载的另一端。
功率表接入电路的方法有直接接入电路和经互感器接入电路两种。在低压电网可以采用直接接入电路和经互感器接入电路这两种方法，在高压电网中一般采用经互感器接入电路的方法。当经互感器接入功率表时，应正确标出互感器的极性及测量表计的极性。图3-4所示为单相功率表的测量电路，图3-4（a）为单相功率表直接接入电路，图3-4（b）为经电流互感器和电压互感器接入电路。如果互感器及测量仪表的端子标志正确无误的话，则按图3-4（b）的方法连接，二次回路中功率的正方向将与一次回路中功率的正方向一致，如同将仪表按图3-4（a）直接接入电路中一样，仪表的指针将向正方向偏转，相量图如图3-4（c）所示。
图3-4 一只单相有功功率表的测量电路
（2）三相电路有功功率的测量
①三相四线制电路中有功功率的测量 三相电路的有功功率为各相有功功率之和，用瞬时值表示时为
p=uuiu+uviv+uwiw （3-1）
用有效值表示时为
P=UUIUcosφU+UVIVcosφV+UWIWcosφW （3-2）
当三相电路完全对称时有
UU=UV=UW=U?
IU=IV=IW=I?
cosφU=cosφV=cosφW=cosφ
因此，式（3-2）可写成
（3-3）
式中 uu、uv、uw——U、V、W三相电压的瞬时值，V；
iu、iv、iw——U、V、W三相电流的瞬时值，A；
UU、UV、UW——U、V、W三相电压的有效值，V；
IU、IV、IW——U、V、W三相电流的有效值，A；
U?、U——分别为相电压、线电压的有效值，V；
I?、I——分别为相电流、线电流的有效值，A；
cosφ——功率因数。
由式（3-2）可知，对有中性线的三相四线制电路，可以用三只单相有功功率表分别测量每相的功率，三只功率表读数之和就是三相的总有功功率。图3-5所示为用三只功率表测量三相四线制电路有功功率的接线，每一单相功率表测量一相的功率，三只功率表读数之和就是三相总有功功率。这种接线方法不管三相负载是否平衡，测量结果都是正确的。
如果三相四线制电路中的三相电压对称、负载完全平衡的，可用图3-5中的任一只单相功率表进行测量，然后将表计读数乘以3，即可得三相的总有功功率。
图3-5 三只功率表测量三相四线制电路有功功率的接线
②三相三线制电路中有功功率的测量
a.采用两只单相功率表测量有功功率。在三相三线制电路中，可以用两只单相功率表测量有功功率。图3-6所示为利用两只单相功率表测量三相有功功率的接线。第一只功率表的电流线圈按图示极性串联于U相电路，电压线圈的带“· ”标志端也接于U相，另一端接于V相；第二只功率表的电流线圈也是按图示极性串联于W相中，电压线圈的带“· ”标志端接于W相，另一端也接于V相。未接电流线圈的V相称为“公共相”或“自由相”。
图3-6 两只单相功率表测量三相三线制电路有功功率接线
第一只功率表所测功率的瞬时值为
p1=uuviu=
iu （3-4）
第二只功率表所测功率的瞬时值为
p2=uwviw=
iw （3-5）
两只功率表所测功率之和为
p=p1+p2=uuiu+uwiw-uv
（3-6）
三相三线制电路各相电流瞬时值之和为零，即
iu+iv+iw=0 （3-7）
于是
iu+iw=-iv
代入式（3-6），可得
p=p1+p2=uuiu+uviv+uwiw （3-8）
以上的分析可以说明：不管电压是否对称，负载是否平衡，用两只功率表按图3-6的方法接线，所测得的功率为三相功率的总和。
实际上，功率表刻度盘上的读数不是瞬时功率而是平均功率，相量图如图3-7（c）所示。
第一只功率表所测功率为
P1=UUVIUcos
（3-9）
第二只功率表所测功率为
P2=UWVIWcos
（3-10）
当三相电路完全对称时，负载平衡时，两元件所测平均功率之和为
（3-11）
由
UUV=UVW=UWU=U
IU=IV=IW=I
cosφU=cosφV=cosφW=cosφ
可得
于是
（3-12）
用两只单相功率表测量三相功率时，每一只功率表的读数不代表任一相的功率，但两只功率表读数之代数和却代表了三相电路的总功率。
b.采用三相两元件式功率表测量有功功率。在三相三线制电路中也可采用三相两元件式功率表测量有功功率。三相有功功率表直接接入电路的接线与图3-6相似。当需要经过互感器接入电路时，接线方式如图3-7所示。
图3-7 三相两元件式功率表测量的三相三线制电路有功功率接线
测量三相有功功率的接线方式还有如图3-8所示的两种方式。三种接线方式满足同一规律：即电流线圈不论接在哪一相上（电流从“· ”流入），同一元件的电压线圈带“· ”的一端也应接在该相上，而将其另一端接在没有接入功率表电流线圈的那一相上。
图3-8 测量三相三线制有功功率的另外两种接线方式
3.1.3.2 无功功率的测量
应测量无功功率的回路有： 同步发电机和发电/电动机的定子回路；主变压器，双绕组变压器的一侧和三绕组变压器（或自耦变压器）的三侧；66kV及以上的输配电线路和用电线路；旁路断路器、母联（或分段）兼旁路断路器回路和66kV及以上的外桥断路器回路；330～500kV并联电抗器；根据生产工艺的要求，需要监视无功功率的其他回路。
（1）采用跨相90°的接线方式测量无功功率
三相电路中的无功功率用有效值表示时为
Q=UUIUsinφU+UVIVsinφV+UWIWsinφW （3-13）
当三相电路完全对称时，可写成
（3-14）
式中 U?、U——相电压和线电压的有效值，V；
I?、I——相电流和线电流的有效值，A。
如果将式（3-13）改写成余弦形式，则得
Q=UUIUcos（90°-φU）+UVIVcos（90°-φV）+UWIWcos（90°-φW） （3-15）
从上式看出可以像测量三相四线电路有功功率那样，利用三只有功功率表测量无功功率。方法是将有功功率表的电流线圈分别接入IU、IV、IW三相电流回路，而电压线圈的两端不是接于UU、UV、UW三个相电压上，而是接在滞后原来相电压90°的电压上。由图3-9（b）所示的相量图中可以看出，如果三相电压对称，是可以实现的。
图3-9 用跨相90°的接线法测量无功功率
从相量图中可以看到
正好滞后于
与
间的相角差为90°-φU，同样
滞后
滞后
，如果用代替
；用代替
；用
代替
，并注意极性，则其接线图如图3-9（a）所示。三只有功功率表读数之和为
（3-16）
上式（3-16）也可以改为
P1+P2+P3=UVWIUsinφU+UWUIVsinφV+UUVIWsinφW
当电源电压对称时
（3-17）
从式（3-17）可以看出，三只功率表读数之和为
倍的三相无功功率。前面的系数是因为利用线电压代替了相电压接入表计的缘故。因此，测量结果必须除以，才是三相的总无功功率。
这种接线方法，可以在完全对称的三相电路中应用，也可以在三相电压对称，但负载不平衡的三相三线制电路或三相四线制电路中应用。
（2） 利用人工中性点的接线方式测量无功功率
采用跨相90°的接线测量三相电路无功功率的方法是如果能找到一个相应的电压，它滞后于原来电压90°，用这个滞后90°的电压代替原来测量有功功率时接入仪表的电压，则所得的结果正比于三相电路的总无功功率。
如果在图3-6所示的利用两只有功功率表测量三相三线制电路有功功率的接线中，也能找到符合上述要求的电压去代替原来的电压和
，即测得电路的无功功率。从图3-9（b）可以看出，电压超前
，而电压
滞后；同理滞后
，如果用代替，代替，则能满足要求的相位关系。由于三相三线制电路没有中性线，因而得不到相电压，如果想得到相电压
和就应制造一个人工中性点。
人工中性点的制造方法是取一个附加电阻Rf，使其电阻值正好等于每只功率表电压线圈的内阻，如果功率表的内阻不是纯电阻，那么Rf应换成与其等值的阻抗。将Rf与两只功率表的电压线圈组成星形接线，如图3-10所示，图中O点即为人工中性点。第一只功率表所流入的电流为U相电流，电压为；第二只功率表通入的是W相电流，电压为
其相量关系如图3-10（b）所示。
图3-10 利用人工中性点接线测量三相电路无功功率
两只功率表所测得的功率分别为
P1=-UWIUcos（60°-φU） （3-18）
P2=UUIWcos（120°-φW） （3-19）
假设三相电路完全对称，即UU=UV=UW=U?；IU=IV=IW=I?；φU=φV=φW=φ，则可写为
（3-20）
可见，只要将表计的读数乘以
，即可得三相电路的总无功功率。这种方法同样只能用在三相完全对称，或只有负载电流不对称的情况下，否则将产生附加误差。
用两只有功功率表测量三相电路的无功功率与测量有功功率一样，也有三种不同的接线方式，但其原理是相同的。