目前二次回路阻抗的測量主要采用繼電保護(hù)測試儀。繼電保護(hù)測試儀需要外接電源，測量時(shí)需要人為調(diào)節(jié)電壓、測量電流和計(jì)算阻抗，使用不方便且不確定性大，因此開發(fā)一種便攜的二次回路阻抗測試儀十分必要。

1 二次回路阻抗測試儀開發(fā)目的

GB 1208—2006 電流互感器規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的二次電流為 1 A 和 5 A。變電所用的電流互感器的二次額定電流是采用 5 A 還是 1 A，需要經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面的比較后確定。在相同一次額定電流、相同額定輸出容量的情況下，電流互感器二次電流采用5 A，可以使繼電保護(hù)設(shè)備體積小、價(jià)格便宜。為了滿足測量和計(jì)量的精度，以及短路故障所致大電流狀態(tài)下繼電保護(hù)裝置的**電流及電流互感器10%誤差曲線要求，兩個(gè)回路通常采用不同變比，也可用中間抽頭來選擇不同變比。

在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，電流互感器實(shí)際的二次負(fù)載阻抗需要多大才能滿足準(zhǔn)確度要求，需要電力維護(hù)人員對(duì)電流傳感器二次回路阻抗進(jìn)行測試和校驗(yàn)來確定。當(dāng)前測試電流傳感器二次回路阻抗的方法是用一種信號(hào)源結(jié)合相關(guān)儀器儀表，輔助人工進(jìn)行測量和計(jì)算。測試時(shí)，根據(jù)實(shí)際線路的規(guī)格和長度，對(duì)現(xiàn)場阻抗逐一進(jìn)行測量，然后求出總阻抗，看是否滿足電流傳感器二次額定電流的要求。這種方法操作繁瑣，并且對(duì)操作人員的技能有一定要求。而已有的精密儀器往往需要交流電源供電，并且體積比較大、攜帶笨重，不方便電力維護(hù)人員現(xiàn)場使用。

2 二次回路阻抗測試儀關(guān)鍵要素

交流阻抗法是電化學(xué)測試技術(shù)中一類十分重要的方法，是研究電極過程動(dòng)力學(xué)和表面現(xiàn)象的重要手段。近年來，交流阻抗的測試精度越來越高，再加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)阻抗波形圖譜解析的自動(dòng)化程度越來越高，使得能夠更好地理解導(dǎo)體表面雙電層結(jié)構(gòu)；超低頻信號(hào)阻抗波形圖譜也具有電量流動(dòng)過程的良好重現(xiàn)性，特別是導(dǎo)體活化鈍化轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，所以說，二次回路的阻抗測試就是交變的這種電流信號(hào)在所測量的回路中所受到的阻力。

2.1 交流阻抗測試

交變電量在導(dǎo)電回路中電流受到的阻力即交流阻抗。在電子學(xué)中，是指電子部件對(duì)交流激勵(lì)信號(hào)呈現(xiàn)出的電阻和電抗的復(fù)合特性；在電化學(xué)中，是指導(dǎo)體系統(tǒng)對(duì)所施加的交流激勵(lì)信號(hào)呈現(xiàn)出的電阻和電抗的復(fù)合特性。阻抗模的單位為歐姆，阻抗輻角 （相角）的單位為弧度或度。在測量阻抗的過程中，如果不斷地改變交流激勵(lì)信號(hào)的頻率，則可測得隨頻率而變化的一系列阻抗數(shù)據(jù)。這種隨頻率而變化的阻抗數(shù)據(jù)的集合被稱為阻抗頻率譜或阻抗波形圖譜。阻抗波形圖譜是頻率的復(fù)函數(shù)，可用幅頻特性和相頻特性的組合來表示，也可在復(fù)平面上以頻率為參變量將阻抗的實(shí)部和虛部展示出來。測量頻率范圍越寬，所能獲得的阻抗波形圖譜信息越完整。本文研發(fā)的裝置頻率在 0.000 01 Hz～1 MHz，可以很好地完成阻抗波形圖譜的測量。

2.2 交流阻抗測試與直流阻抗測試的區(qū)別

從測量原理而言，在導(dǎo)電回路中測量導(dǎo)電阻抗波形圖譜與在電子學(xué)中測量電子部件的阻抗波形圖譜并沒有本質(zhì)區(qū)別。為了避免交流導(dǎo)電回路受到旁路感應(yīng)、直流量、電磁場的影響以及希望其具有較好的線性響應(yīng)，正弦交流信號(hào)的幅度通?？梢栽O(shè)在2～20 V 之間。用二次回路阻抗波形圖譜方法可以很**地測定電信號(hào)體系處于某一狀態(tài)時(shí)的交流電阻抗波形圖譜；而用直流電源電量測量導(dǎo)電回路，由于電容隔直流通交流的特性，無法考慮交變電容量所產(chǎn)生的電流和電位階躍中的暫態(tài)，則精度要低一些。另外，像擴(kuò)散傳質(zhì)過程等需要用較長時(shí)間才能測定的特性，用暫態(tài)法是無法實(shí)現(xiàn)的，而這正是交變信息阻抗波形圖譜的長項(xiàng)，也正是交流信號(hào)測量的意義所在。

3 開發(fā)過程信號(hào)源的參數(shù)研究

交流阻抗測試裝置首先要產(chǎn)生一個(gè)交流信號(hào)源，基于便攜式需要，交流的信號(hào)源電路需要利用裝置內(nèi)置的蓄電池，將直流電轉(zhuǎn)成可交變的電源信號(hào)，通過測量這個(gè)交變的電流信號(hào)，直接讀取出二次回路的交流信號(hào)。如何選擇這種交變電流信號(hào)的頻段、電流幅度及特征以適應(yīng)現(xiàn)場測量，是開發(fā)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 測量所用交變信號(hào)頻段的選擇

在交變的回路阻抗波形圖譜中，常以對(duì)數(shù)方式描述回路阻頻率變化，這樣可使阻抗波形圖譜顯得緊湊而又不失各種特征。在相對(duì)對(duì)數(shù)坐標(biāo)體系上，習(xí)慣以 10 為基數(shù)，在幅頻特性和相頻特性中頻率是自變量；在阻抗復(fù)平面和導(dǎo)納復(fù)平面中頻率是參變量，以 10 的基數(shù)作為倍數(shù)關(guān)系，將頻率變化 10倍的頻率范圍稱為一個(gè)頻段，每一個(gè)頻段中都設(shè)有頻點(diǎn)，頻點(diǎn)可以較**地表述二次回路電流流體過程的體系阻抗能力特征；由于需要在較寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行測量，所以一般需要幾十種頻率。測量每一個(gè)頻點(diǎn)將獲得一組測量值，將正弦波持續(xù)一個(gè)完整周期所形成的波形稱為一個(gè)周波。在交流信號(hào)的穩(wěn)態(tài)測量中，測量時(shí)間越長，信噪比越高。因此，將某個(gè)頻點(diǎn)的周波數(shù)設(shè)得多一些，該頻點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)就會(huì)更**一些，當(dāng)然，相應(yīng)的測量時(shí)間也將變得長一些。將起始頻率設(shè)成高頻，終止頻率設(shè)成低頻，則在測量過程中可較早地看到阻抗波形圖譜的全貌。

3.2 測量所用交變信號(hào)振幅的選擇

正弦交流激勵(lì)信號(hào)的幅度、運(yùn)行時(shí)間、起始頻率、終止頻率、采樣的頻點(diǎn)數(shù)量、每個(gè)頻點(diǎn)、周波數(shù)等參數(shù)與裝置息息相關(guān)。從二次回路阻抗體系狀態(tài)以非線性失真、運(yùn)行時(shí)間、偏置電位的角度考慮，交流振幅越小越好；從電子測量所需的信噪比角度考慮，交流振幅越大越好。常用的信號(hào)源振幅以 2 mV～20 V 比較合適。為了便于信號(hào)分析，常把交直流混合信號(hào)看成是由一個(gè)交流信號(hào)和一個(gè)直流信號(hào)疊加組成的，產(chǎn)生一個(gè) 1 A 和 5 A 的交流恒流信號(hào)源。2 mV～20 V 的幅度通常不會(huì)破壞二次回路阻抗體系的原有狀態(tài)，而且，正弦鎖相放大器及正弦相關(guān)檢測器中可以將常見的電化學(xué)噪聲和環(huán)境噪聲抑制掉。大多數(shù)二次回路阻抗的測量是在開路電位條件下進(jìn)行的，由于二次回路阻抗體系的開路電位很難用理論公式**計(jì)算，需要實(shí)測得到，因此，在進(jìn)行二次回路阻抗波形圖譜測量之前，要先測得導(dǎo)體系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的開路電位，再通過計(jì)算機(jī)直接測量得到所測試的二次回路阻抗。

4 測量信號(hào)的提取與量程的研究

當(dāng)交變的測量信號(hào)注入到被測的二次回路后，需要快速采樣到測試信號(hào)在回路阻抗作用下的電壓、電流特征。整個(gè)波形過程需依靠參數(shù)的選擇來保證測量精度，特別是需要在短路狀態(tài)下與電阻阻抗較大時(shí)的高精度測量，所以在傳感器參數(shù)的選擇上需特別考慮電流信號(hào)的全范圍采樣與處理。

4.1 電流信號(hào)量程的選擇

在二次回路阻抗波形圖譜測量過程中，可能有短路狀態(tài)和高阻抗?fàn)顟B(tài)，隨時(shí)需要調(diào)節(jié)測量頻率和幅度，并隨阻抗變化需要大范圍調(diào)節(jié)測量量程，二次回路阻抗數(shù)值變化很大，通?？蛇_(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)差。整個(gè)測量過程中，設(shè)備需要有 5 個(gè)自動(dòng)量程供自動(dòng)判定選擇。

4.2 電壓采樣傳感器的選擇

阻抗回路電路的電壓測量不能影響回路阻抗，其輸入級(jí)必須為高阻抗電壓信號(hào)，通常只有采用有源電壓傳感器和后端加上跟隨器輸出才能滿足要求，普通電壓表的阻抗通常為 1～6 Ω。在應(yīng)用上，對(duì)于阻抗極高的被測電路，只有采用高阻電壓傳感器才能準(zhǔn)確測定其開路電位。高阻電壓傳感器的輸入阻抗高達(dá) 100 Ω 以上，并且可滿足交流阻抗法的高頻需求以及全范圍阻抗的掃描。

4.3 零阻抗電流傳感器的選擇

測量過程常會(huì)有零阻抗回路，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮零阻抗時(shí)的大電流傳感器的選擇。這種大電流傳感器必定是有源傳感器，對(duì)被測電路而言，零阻電流傳感器相當(dāng)于短路，它通過運(yùn)放的負(fù)反饋?zhàn)饔檬闺娏髁鬟^傳感器形成的電壓降趨于零。對(duì)于低電壓低阻抗的被測電路，只有采用零阻電流傳感器才能**測定。低頻零阻電流傳感器易于實(shí)現(xiàn)，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，器件的高頻特性將明顯制約零阻電流傳感器的性能。通過特別設(shè)計(jì)，零阻電流傳感器能夠在 10 MSPS 確保交流阻抗法中的幅度及相位的**測定。為了便于全范圍測量交流阻抗，更好地了解交流阻抗測量方法，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，見圖 1。

5 裝置電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

電力系統(tǒng)采用的電流互感器是個(gè)特殊形式的變換器，它的二次電流正比于一次電流，因其二次回路的負(fù)載阻抗很小，一般僅幾個(gè)歐姆，故二次工作電壓也很低。當(dāng)二次回路阻抗大時(shí)，二次電壓也變大；當(dāng)二次回路開路時(shí)，一次側(cè)電壓很高，二次電壓將上升到危險(xiǎn)的幅值，這不但會(huì)影響電流傳變的準(zhǔn)確度，而且可能損壞二次回路的設(shè)備，燒毀元件，所以開發(fā)時(shí)還需要考慮應(yīng)用于電流互感器測量的專用防高壓電路，盡量保持采樣電壓范圍。

1）裝置電路。整個(gè)測試儀包括了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、校準(zhǔn)電路、電壓采樣、電流采樣等，電路圖見圖 2。

2）恒流源電流電路。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的恒流源電流電路見圖 3。理想狀態(tài)下，由正常的測量電流 Ii 和輸出電阻 Ro 組成，恒流電流源的輸出電流 Ii=Iro+IL，如果當(dāng) Ro 阻值為無窮大，此時(shí)流過 Ro 的電流 Iro 等于零，即負(fù)載電阻 RL 所產(chǎn)生的電流 IL 在任何值時(shí)，IL= Ii，也就是信號(hào)源產(chǎn)生的恒流

電流。事實(shí)上 Ro 不可能等于無窮大，但 Ro 越大，IL越接近 Ii，電源的穩(wěn)流性能越好。

從歐姆定律可知 R 越小，恒流源電壓的變化對(duì)IL 的影響越小，電源的穩(wěn)流性能越好。由電阻阻抗可知，當(dāng) Ro→∞，IL→0，電源的穩(wěn)定性越好。從圖4 可知，只要在 U＋端和 U-端之間接一只偏置電阻Rset，就能不用獨(dú)立電源形成一個(gè)兩端理想電流的恒流源。改變 Rset 就能改變恒流電源值 Iset，電流源兩端工作電壓可從 1～20 V，其電流調(diào)整率可達(dá)0.02%。使用該儀器所測得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，通過該儀器能夠快速獲得二次回路*佳的工作狀態(tài)，快速判定繼電保護(hù)回路阻抗，顯著提高了測量工作效率，能夠滿足現(xiàn)場要求。

綜上所述，利用電壓互感器和電流互感器把一次側(cè)高壓信號(hào)變換后通入電測儀表和繼電保護(hù)裝置中，可監(jiān)視電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)排除電網(wǎng)故障。為保證運(yùn)行參數(shù)的準(zhǔn)確測量和繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作，就需要一個(gè)對(duì)應(yīng)的額定二次容量S2e （VA）或額定二次負(fù)載阻抗 Z2e （Ω）。例如，實(shí)際工作過程中，電流互感器只有當(dāng)二次實(shí)際阻抗 Z2滿足 0.2Z2e≤Z2≤Z2e 時(shí)，電流互感器才能達(dá)到其標(biāo)稱的準(zhǔn)確級(jí)。如果 Z2＞Z2e，則電流互感器實(shí)際的準(zhǔn)確級(jí)就會(huì)低于其標(biāo)稱值，這將會(huì)影響電測儀表指示和電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，甚至造成系統(tǒng)事故，因此，有必要校核電流互感器的二次實(shí)際負(fù)載阻抗值是否在允許范圍內(nèi)。本產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)對(duì)開展繼電保護(hù)二次回路阻抗的測試起到積極的作用，主要優(yōu)點(diǎn)為體積小，方便攜帶，工作時(shí)不需外接市電，測試快速。