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，對阻抗波形圖譜解析的自動化程度越來越高，使得能夠更好地理解導(dǎo)體表面雙電層結(jié)構(gòu)；超低頻信號阻抗波形圖譜也具有電量流動過程的良好重現(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，是指電子部件對交流激勵(lì)信號呈現(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)對所施加的交流激勵(lì)信號呈現(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)，也正是交流信號測量的意義所在。

3 開發(fā)過程信號源的參數(shù)研究

交流阻抗測試裝置首先要產(chǎn)生一個(gè)交流信號源，基于便攜式需要，交流的信號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，通過測量這個(gè)交變的電流信號，直接讀取出二次回路的交流信號。如何選擇這種交變電流信號的頻段、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 測量所用交變信號頻段的選擇

在交變的回路阻抗波形圖譜中，常以對數(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。在相對對數(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 測量所用交變信號振幅的選擇

正弦交流激勵(lì)信號的幅度、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。常用的信號源振幅以 2 mV～20 V 比較合適。為了便于信號分析，常把交直流混合信號看成是由一個(gè)交流信號和一個(gè)直流信號疊加組成的，產(chǎn)生一個(gè) 1 A 和 5 A 的交流恒流信號源。2 mV～20 V 的幅度通常不會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 測量信號的提取與量程的研究

當(dāng)交變的測量信號注入到被測的二次回路后，需要快速采樣到測試信號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的全范圍采樣與處理。

4.1 電流信號量程的選擇

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)量級差。整個(gè)測量過程中，設(shè)備需要有 5 個(gè)自動量程供自動判定選擇。

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，其輸入級必須為高阻抗電壓信號，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)裝置正確動作，就需要一個(gè)對應(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。如果 Z2＞Z2e，則電流互感器實(shí)際的準(zhǔn)確級就會低于其標(biāo)稱值，這將會影響電測儀表指示和電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)可能會造成繼電保護(hù)裝置誤動或拒動，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。