间接测尺频率法「频率的模拟测量方法有几种」

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摘要

新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网浙江省电力公司电力科学研究院的研究人员陈宁、齐磊等，在2018年第19期《电工技术学报》上撰文指出，高压电气设备一般尺寸较大，测量其宽频特性时需利用较长的测量引线，这将严重影响宽频特性测量结果。

该文以阻抗分析仪为测量设备，针对现场测量时遇到的问题，提出一种适于现场测量的大尺度电气设备宽频阻抗测量方法。该方法利用同轴电缆适当的屏蔽层接线，保证了测量时不同空间布线下测量结果的一致性，同时利用“开路、短路、负载校验”补偿了长测量电缆对测量结果的影响。解释了所提方法的原理，并在实验室和现场开展测量验证了该方法的正确性。

现场测量表明该方法可在兆赫兹内准确测量电力系统内主要设备的宽频阻抗特性。

在进行电力系统过电压分析等电磁暂态计算时，需建立电力设备的宽频模型[1,2]。电力设备的宽频特性是进行宽频建模的基础。设备宽频建模分为机理模型和黑箱模型。建立设备的机理模型时，需将所建立模型的宽频特性与实际测量获得的宽频特性进行对比，以验证模型的正确性。建立黑箱模型的过程中，宽频特性更是建模的依据。因此准确测量电力设备的宽频特性对宽频建模具有重要的意义[3-6]。

目前设备宽频特性主要测量方法有基于阻抗分析仪的测量法、基于网络分析仪的散射参数测量法和时域脉冲测量法。前两种方法可使用成熟的商业测量设备，具有较高的测量精度且操作方便，在宽频特性测量领域应用广泛[7-10]。

阻抗分析仪直接测量被测设备的宽频阻抗特性，其测量频率一般在DC-几百兆赫兹内，更符合电力系统电磁暂态分析关注的频率，因此本文工作主要采用阻抗分析仪测量方法展开。阻抗分析仪的测量方法主要有平衡电桥和电流-电压（I-U）。

这两种方法均需利用合适的夹具或引线连接阻抗分析仪与被测对象。电力系统中的设备一般体积较大，在进行宽频阻抗测量时须使用较长的测量电缆。电缆自身的电阻、电容、电感等因素会显著影响测量结果，且随频率的升高及电缆长度的增长对结果的影响增大。

国内外已开展了对上述问题的研究，主要思想是基于传输线理论，利用计算或测量方法补偿测量电缆的影响。文献[11-13]将测量电缆视为二端口网络，基于传输线理论推导出网络的传输特性方程，再利用测量或计算得到的电缆单位长度参数计算被测设备的实际阻抗特性。但是文献中使用的传输线模型在高频时并不能真实地反映实际的电缆特性，导致校验结果不理想。

文献[14]利用“开路、短路、负载校验”方法补偿长测量引线对测量结果的影响。“开路、短路、负载校验”是一种常用的校验方法，该校验方法在进行小型元器件测量时是有效且容易实现的，但是应用于大尺度电气设备的测量时仍存在一些问题。

该校验方法依据双端口网络理论，要求测量时双端口网络即测量电缆的参数不能发生变化。但是电力系统中的设备尺寸较大，由于现场接线的限制，在开路、短路、负载阻抗测量时，导线相对位置和导线离地位置不可避免地产生较大变化，所以要求测量引线的电气参数不随引线空间位置的变化而变化。目前尚未见相关研究的文献报道。

针对以上问题，本文提出一种适于现场测量的大尺度电气设备宽频阻抗特性测量方法。该测量方法由电缆屏蔽层的接线方法与“开路、短路、负载校验”组成，消除了引线空间位置对测量回路参数的影响，保证了进行“开路、短路、负载校验”时测量数据的准确性。

利用本文提出的测量方法可较好地补偿长引线对测量结果的影响，达到准确测量电气设备宽频阻抗特性的目的。在实验室与现场开展了大量测量工作，验证了本文所提方法的正确性。

图8 实验室测量照片

图21 现场测量照片

结论

本文针对现场测量电气设备宽频特性所遇到的问题，提出利用阻抗分析仪测量大型电气设备宽频阻抗特性的测量方法，利用同轴电缆屏蔽层两端接地或首端接地、末端短接的方式消除电缆空间位置改变对电缆测量回路参数的影响，利用“开路、短路、负载校验”方法消除长引线对测量结果的影响。

根据多次现场测量证明了所提方法可在兆赫兹的频段内准确地测量大型电气设备的阻抗特性，满足电力系统电磁暂态分析时电气设备宽频建模的需要。主要结论如下：

1）利用电缆屏蔽层两端接地或首端接地、末端短接的接线方式可保证电缆不同空间布线下测量的一致性，本文利用理论分析、实验室与现场测量证明了该接线方法的正确性与有效性。

2）“开路、短路、负载校验”可有效地消除长测量电缆对测量结果的影响，但是受测量中随机因素的影响，准确测量的最高频率不高于电缆长度为1/4波长时对应的频率。

3）利用提高阻抗分析仪的输出电压可减小现场测量时电磁干扰对测量结果的影响，提高测量的准确性。

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