一种电流互感器二次回路阻抗在线检测系统及方法技术领域
本发明涉及电流互感器的阻抗检测领域，并且更具体地，涉及一种电流互感器二
次回路阻抗在线检测系统及方法。
背景技术
目前针对电流互感器二次回路故障状态分析及窃电状态识别的技术方法种类繁
多，这些技术方法中很多都是利用二次回路的阻抗作为特征量来进行分析的。对二次回路
的阻抗进行定性分析的，没有对二次回路的阻抗进行定量计算的，导致一些特殊的情况，如
变比为2000：5的大阻抗电流互感器无法区分其正常连接和开路状态，变比为50：5的小阻抗
电流互感器无法区分其正常连接和短路状态，导致不能为电流互感器绕组故障、绝缘异常
等故障诊断提供可靠直接的数据支撑。
因此，如何对电流互感器二次回路阻抗进行在线检测是急需解决的一个问题。
发明内容
本发明提供了一种电流互感器二次回路阻抗在线检测系统及方法，以解决对电流
互感器二次回路阻抗进行在线检测的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个发明，提供了一种电流互感器二次回路阻
抗在线检测系统，所述系统包括：信号发生单元、正弦电压信号注入单元、高频电流信号耦
合单元、信号幅值比较单元、锁相放大单元和服务器，
所述信号发生单元，分别与所述正弦电压信号注入单元的输入端、锁相放大器单
元的输入端和服务器的输出端相连接，用于产生正弦电压信号，并将所述正弦电压信号发
送至正弦电压信号注入单元和锁相放大单元；
所述正弦电压信号注入单元，与电流互感器二次回路相连接，用于接收所述正弦
电压信号并注入到所述电流互感器二次回路；
所述高频电流信号耦合单元，分别与所述电流互感器二次回路、信号幅值比较单
元的输入端和锁相放大单元的输入端相连接，用于与所述电流互感器二次回路耦合得到耦
合电压信号，并将所述耦合电压信号分别发送至信号幅值比较单元和锁相放大单元；
所述幅值比较单元，与所述服务器相连接，用于将所述耦合电压信号的幅值与锁
相放大单元的检测阈值范围进行比较，产生比较结果，并将所述比较结果发送至服务器；
所述锁相放大单元，分别与所述高频电流信号耦合单元和信号发生单元的输出
端，以及服务器的输入端相连接，用于根据所述正弦电压信号和所述耦合电压信号计算正
交分量和同相分量，并将所述正交分量和同相分量发送至服务器；以及
所述服务器，用于根据所述比较结果对信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值
进行调整；根据调整后的正弦电压信号和对应的耦合电压信号计算得到的正交分量和同相
分量计算电流互感器二次回路的阻抗。
优选地，其中所述锁相放大单元包括：前置放大模块、带通滤波模块、触发模块、
90°相移模块、相关检测模块和低通滤波模块。
优选地，其中所述服务器根据所述比较结果对信号发生单元发生的正弦电压信号
的幅值进行调整，包括：
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内，不改变所述信号
发生单元发生的正弦电压信号的幅值；
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值大于所述检测阈值范围的上限，根据预设
调整幅值阈值减小所述信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值，直至比较结果为调整后
的正弦电压信号对应的耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内；
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值小于所述检测阈值范围的下下限，根据预
设调整幅值阈值增大所述信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值，直至比较结果为调整
后的正弦电压信号对应的耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内。
优选地，其中所述服务器根据调整后的正弦电压信号和对应的耦合电压信号计算
得到的正交分量和同相分量计算电流互感器二次回路的阻抗，包括：
其中，Z为电流互感器二次回路的阻抗，U0为注入的正弦电压信号，n0为正弦电压信
号注入单元的匝数，n2为高频电流信号耦合单元的匝数、R为高频电流信号耦合单元采样电
阻，x为锁相放大单元输出的同相分量，y为锁相放大单元输出的正交分量。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电流互感器二次回路阻抗在线检测方法，
所述方法包括：
向电流互感器注入正弦电压信号；
计算经过电流互感器二次回路耦合得到的耦合电压信号的幅值；
将所述耦合电压信号的幅值与锁相放大单元的检测阈值范围进行比较，产生比较
结果，并根据所述比较结果对所述注入的正弦电压信号的幅值进行调整；
根据调整后注入的正弦电压信号和对应的耦合电压信号计算正交分量和同相分
量；以及
根据所述调整后注入的正弦电压信号、正交分量和同相分量计算电流互感器二次
回路的阻抗。
优选地，其中所述将所述耦合电压信号的幅值与锁相放大单元的检测阈值范围进
行比较，产生比较结果，并根据所述比较结果对所述注入的正弦电压信号的幅值进行调整，
包括：
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内，不改变所述信号
发生单元发生的正弦电压信号的幅值；
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值大于所述检测阈值范围的上限，根据预设
调整幅值阈值减小所述信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值，直至比较结果为调整后
的正弦电压信号对应的耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内；
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值小于所述检测阈值范围的下下限，根据预
设调整幅值阈值增大所述信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值，直至比较结果为调整
后的正弦电压信号对应的耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内。
优选地，其中所述根据所述调整后注入的正弦电压信号、正交分量和同相分量计
算电流互感器二次回路的阻抗，包括：
其中，Z为电流互感器二次回路的阻抗，U0为注入的正弦电压信号，n0为正弦电压信
号注入单元的匝数，n2为高频电流信号耦合单元的匝数、R为高频电流信号耦合单元采样电
阻，x为锁相放大单元输出的同相分量，y为锁相放大单元输出的正交分量。
本发明的有益效果在于：
本发明的技术方案的锁相放大单元利用注入的正弦电压信号和对应的耦合电压
信号输出得到正交分量和同相分量，并根据所述注入的正弦电压信号、正交分量和同相分
量计算得到电流互感器二次回路阻抗，可以有效解决现有大阻抗电流互感器二次回路无法
区分正常连接状态和开路状态，小阻抗电流互感器二次回路无法区分短路状态和正常连接
状态的情况，为电流互感器绕组故障、绝缘异常等故障诊断提供可靠直接的数据支撑。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的电流互感器二次回路阻抗在线检测系统100的示意
图；
图2为根据本发明实施方式的锁相放大单元的示意图；
图3为电流互感器二次回路的等效电路图；以及
图4为根据本发明实施方式的电流互感器二次回路阻抗在线检测方法400的流程
图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形
式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开
本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示
例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附
图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有
通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其
相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的电流互感器二次回路阻抗在线检测系统100的示意
图。如图1所示，所述电流互感器二次回路阻抗在线检测系统100用于对电流互感器二次回
路阻抗进行在线检测，所述电流互感器二次回路阻抗在线检测系统100包括：信号发生单元
101、正弦电压信号注入单元102、高频电流信号耦合单元103、信号幅值比较单元104、锁相
放大单元105和服务器106。通过对电流互感器二次回路阻抗的检测可以有效解决现有大阻
抗电流互感器(如变比2000：5)二次回路无法区分正常连接状态和开路状态，小阻抗电流互
感器(如变比50：5)二次回路无法区分短路状态和正常连接状态的情况，同时还为电流互感
器绕组故障、绝缘异常等故障诊断提供可靠直接的数据支撑。
优选地，所述所述信号发生单元101，分别与所述正弦电压信号注入单元的输入
端、锁相放大器单元的输入端和服务器的输出端相连接，用于产生正弦电压信号，并将所述
正弦电压信号发送至正弦电压信号注入单元和锁相放大单元。
优选地，所述正弦电压信号注入单元102，与电流互感器二次回路相连接，用于接
收所述正弦电压信号并注入到所述电流互感器二次回路。
优选地，所述高频电流信号耦合单元103，分别与所述电流互感器二次回路、信号
幅值比较单元的输入端和锁相放大单元的输入端相连接，用于与所述电流互感器二次回路
耦合得到耦合电压信号，并将所述耦合电压信号分别发送至信号幅值比较单元和锁相放大
单元。
优选地，所述幅值比较单元104，与所述服务器相连接，用于将所述耦合电压信号
的幅值与锁相放大单元的检测阈值范围进行比较，产生比较结果，并将所述比较结果发送
至服务器。
优选地，所述锁相放大单元105，分别与所述高频电流信号耦合单元和信号发生单
元的输出端，以及服务器的输入端相连接，用于根据所述正弦电压信号和所述耦合电压信
号计算正交分量和同相分量，并将所述正交分量和同相分量发送至服务器。图2为根据本发
明实施方式的锁相放大单元的示意图。如图2所示，所述锁相放大单元包括：前置放大模块、
带通滤波模块、触发模块、90°相移模块、相关检测模块和低通滤波模块。
优选地，所述服务器106，用于根据所述比较结果对信号发生单元发生的正弦电压
信号的幅值进行调整；以及根据调整后的正弦电压信号和对应的耦合电压信号计算得到的
正交分量和同相分量计算电流互感器二次回路的阻抗。优选地，其中所述服务器根据所述
比较结果对信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值进行调整，包括：
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内，不改变所述信号
发生单元发生的正弦电压信号的幅值；
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值大于所述检测阈值范围的上限，根据预设
调整幅值阈值减小所述信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值，直至比较结果为调整后
的正弦电压信号对应的耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内；
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值小于所述检测阈值范围的下下限，根据预
设调整幅值阈值增大所述信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值，直至比较结果为调整
后的正弦电压信号对应的耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内。
优选地，其中所述服务器根据调整后的正弦电压信号和对应的耦合电压信号计算
得到的正交分量和同相分量计算电流互感器二次回路的阻抗，包括：
其中，Z为电流互感器二次回路的阻抗，U0为注入的正弦电压信号，n0为正弦电压信
号注入单元的匝数，n2为高频电流信号耦合单元的匝数、R为高频电流信号耦合单元采样电
阻，x为锁相放大单元输出的同相分量，y为锁相放大单元输出的正交分量。
本发明通过准确检测出电流互感器二次回路的阻抗，就能正常识别出大阻抗电流
互感器二次回路的正常连接和开路状态，小阻抗电流互感器二次回路的正常连接和短路状
态。图3为电流互感器二次回路的等效电路图，如图3所示，所述电流互感器二次回路的等效
电路图由电流互感器等效电路Z1和回路导线等效电路Z2组成，1处表示电流互感器端，2处
表示检测系统端。电流互感器等效电路Z1由等效电感L1、等效电容C1、等效电阻R1组成；回
路导线等效电路Z2由若干等效电阻和等效电容组成。电流互感器二次回路总阻抗Z＝Z1+
Z2，电阻Z1的计算公式为：
当注入信号为20K正弦电压信号时时，R1范围约在0.05～0.5欧姆，C1范围约在
100pF～10uF，L1范围约在10uH～100mH，计算可知Z1范围约在0.5欧姆～40k欧姆。
回路导线等效电路Z2由若干等效电阻和等效电容组成。当注入信号为20K的正弦
电压信号时，电流互感器二次回路不同连接状态回路导线等效电路Z2对应的阻抗如下：
电流互感器二次回路正常连接时，Z2范围约0.1～0.8欧姆；
电流互感器二次回路在电流互感器端(图3的1处)开路时，Z2取值在
300K欧姆以上；
当注入信号为20K，幅值为100mV的正弦波，电流互感器二次回路在检测端图1的2
处开路时，Z2取值无穷大。
当注入高频20K的正弦电压信号时，电流互感器二次回路在不同状态下的总阻抗Z
如下：
大阻抗电流互感器(如变比2000：5)正常连接时的回路阻抗Z＝Z1+Z2，最大约40K
欧姆；
电流互感器二次回路图3的1处开路时回路阻抗Z＝Z2，取值在300K以上；
电流互感器二次回路图3的2处开路时回路阻抗Z＝Z2趋近无穷大；
小阻抗电流互感器(如变比50：5)正常连接时的回路阻抗最小为0.5欧姆；
电流互感器二次回路短接时，回路阻抗约在0.1欧姆～0.5欧姆之间。
由上面分析可知，电流互感器二次回路正常连接状态的阻抗为约在0.5欧姆～40K
欧姆之间，小于0.5欧姆是回路短接状态，大于40K欧姆是回路开路状态，只要能准确检测出
电流互感器二次回路的阻抗，就能正常识别出大阻抗电流互感器二次回路的正常连接和开
路状态，小阻抗电流互感器二次回路的正常连接和短路状态。
图4为根据本发明实施方式的电流互感器二次回路阻抗在线检测方法400的流程
图。如图4所示，所述电流互感器二次回路阻抗在线检测方法400用于对电流互感器二次回
路阻抗进行在线检测，所述方法400从步骤101处开始，在步骤401向电流互感器注入正弦电
压信号。
优选地，在步骤402计算经过电流互感器二次回路耦合得到的耦合电压信号的幅
值。
优选地，在步骤403将所述耦合电压信号的幅值与锁相放大单元的检测阈值范围
进行比较，产生比较结果，并根据所述比较结果对所述注入的正弦电压信号的幅值进行调
整。优选地，其中所述将所述耦合电压信号的幅值与锁相放大单元的检测阈值范围进行比
较，产生比较结果，并根据所述比较结果对所述注入的正弦电压信号的幅值进行调整，包
括：
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内，不改变所述信号
发生单元发生的正弦电压信号的幅值；
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值大于所述检测阈值范围的上限，根据预设
调整幅值阈值减小所述信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值，直至比较结果为调整后
的正弦电压信号对应的耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内；
若比较结果为所述耦合电压信号的幅值小于所述检测阈值范围的下下限，根据预
设调整幅值阈值增大所述信号发生单元发生的正弦电压信号的幅值，直至比较结果为调整
后的正弦电压信号对应的耦合电压信号的幅值在所述检测阈值范围内。
优选地，在步骤404根据调整后注入的正弦电压信号和对应的耦合电压信号计算
正交分量和同相分量。
优选地，在步骤405据所述调整后注入的正弦电压信号、正交分量和同相分量计算
电流互感器二次回路的阻抗。优选地，其中所述根据所述调整后注入的正弦电压信号、正交
分量和同相分量计算电流互感器二次回路的阻抗，包括：
其中，Z为电流互感器二次回路的阻抗，U0为注入的正弦电压信号，n0为正弦电压信
号注入单元的匝数，n2为高频电流信号耦合单元的匝数、R为高频电流信号耦合单元采样电
阻，x为锁相放大单元输出的同相分量，y为锁相放大单元输出的正交分量。
在本发明的实施方式中利用信号发生单元产生一个频率一定、幅值可变的正弦电
压信号，正弦电压信号注入单元匝数比为n0:1，高频电流信号耦合单元匝数比为1:n2，信号
幅值比较单元检测图1中幅值的大小反馈给信号发生控制单元，锁相放大单元输出信号
的正交分量y和同相分量x，服务器根据信号的正交分量y和同相分量x可以计算出信号的振
幅A和信号的相为：
为注入到电流互感器二次回路的正弦电压信号，是电流互感器二次回路中电
流信号耦合到得到的电流信号，所述是电流互感器二次回路中电流信号耦合到得到的电
流信号中的电流互感器二次回路中电流信号即为图3中的是注入到电流互感器
二次回路中的高频正弦电压信号U1＝U0/n0，是注入的正弦电压信号耦合到电流互感器
二次回路上产生的电流信号，电流互感器二次回路的阻抗为:
因此，存在
其中，U0为已知注入的正弦电压信号，n0为正弦电压信号注入单元匝数，n2为高频
电流信号耦合单元匝数，R高频电流信号耦合单元采样电阻，x为锁相放大单元输出的同相
分量，y为锁相放大单元输出的正交分量。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如
附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的
范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解
释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地
解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的
步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。