高頻保護原理及檢查試驗研究

李攀宏 陶冶 吳儉民

中圖分類號：TM773

摘要：光纖差動保護面世后，高頻保護便由于其技術(shù)和經(jīng)濟的局限性減少使用并逐步退出歷史舞臺，但目前高頻保護設備依然大量存在并應用于實際生產(chǎn)中，現(xiàn)役高頻保護設備多運行年限超過十五年且相關(guān)設備老化比較嚴重，而隨著技術(shù)人員新老更替，對于該項設備和技術(shù)的儲備越發(fā)薄弱，高頻保護原理及檢查試驗方法研究深度也十分有限，給設備正常運行帶來安全隱患。本文將對高頻保護的構(gòu)成、原理及試驗方法進行闡述，對高頻通道故障常見原因及消缺方法進行分析，并對常見類型的選頻表使用方法做了介紹，為高頻保護設備運檢人員提供了參考和研究依據(jù)，進一步促進提升高頻設備運檢水平。

關(guān)鍵詞：高頻保護;結(jié)構(gòu);原理;試驗方法

0引言

高頻保護是利用輸電線路作為載體傳輸保護信號，在輸送50Hz工頻電流的同時疊加傳輸50～300kHz的高頻信號，以比較線路兩端電氣量而構(gòu)成的保護^[1]。高頻保護常被用作輸電線路主保護，當輸電線路故障時，無延時、全線速動切除被保護線路的任意一點故障^[1]。但是由于高頻傳輸通道干擾大，線路兩端電量全信息傳輸較為困難，因此一般只傳送兩端的電壓或電流的方向、相位等狀態(tài)信息。高頻通道按傳輸電氣量通產(chǎn)分為：方向高頻（比較線路兩端功率方向，既要測U又要測I）和相差高頻（比較線路兩端電流相位，只要測量I）^[2]。

1高頻保護的構(gòu)成

高頻保護是通常由高頻阻波器、耦合電容器、結(jié)合濾波器等八個部分組成，，如圖1所示^[1]。

1.1高頻阻波器

高頻阻波器的功能是通工頻、阻高頻，其原理為電感線圈和可調(diào)電容組成的并聯(lián)諧振回路，對高頻信號呈現(xiàn)較大的阻抗。

1.2耦合電容器

耦合電容器是一個高壓電容器，其電容一般很小，造成對工頻電壓呈現(xiàn)很大的阻抗，而對高頻信號呈現(xiàn)的阻抗較小，從而實現(xiàn)收發(fā)信機與輸電線路絕緣，而高頻信號能順利通過，其安裝位置一般在電容式電壓互感器末端，如圖2所示^[1]。

1.3結(jié)合濾波器

結(jié)合濾波器是一個可調(diào)節(jié)的空心變壓器，與耦合電容器共同組成串聯(lián)諧振回路，其功能是：

（1）通高頻、阻工頻;

（2）阻抗匹配，避免高頻信號反射;

（3）降低損耗，增加輸出功率。

1.4接地刀閘

接地刀閘是高頻通道的輔助設備，是在調(diào)整或檢修高頻收發(fā)信機和結(jié)合濾波器時產(chǎn)生明顯的接地點，提供可靠的安全保障^[1]，接地刀閘通常安裝在結(jié)合濾波器處。

1.5保護間隙

保護間隙同樣是高頻通道的輔助設備，用來保護高頻電纜及高頻收發(fā)信機免遭過電壓的襲擊，常組合安裝在結(jié)合濾波器箱內(nèi)。

1.6高頻電纜

通常用高頻電纜為戶內(nèi)的收發(fā)信機和裝在戶外的結(jié)合濾波器提供連接。

1.7高頻收發(fā)信機

高頻收發(fā)信機是收發(fā)高頻信號的專用設備。收發(fā)信機與保護裝置通常以單接點或雙接點接口方式連接。若為單接點接口方式，保護裝置邏輯判定，即高頻閉鎖邏輯、遠方啟動、通道交換由繼電保護裝置提供，繼電保護只有一對接點（或空光耦）“斷開”時停信。而雙接點接口方式時，收發(fā)信機邏輯判定，保護裝置優(yōu)先，即高頻閉鎖邏輯、遠方啟動、通道交換由本裝置實現(xiàn)，繼電保護另外提供具有優(yōu)先權(quán)的兩對接點（或空光耦）來控制裝置的發(fā)信和停信。即啟動發(fā)信接點（或空掛）閉合時裝置發(fā)信，停止發(fā)信接點（或空光耦）閉合時裝置停信^[3]。

2.高頻保護的動作原理

高頻通道的工作方式有兩種，即經(jīng)常無高頻電流方式和經(jīng)常有高頻電流方式，也稱為故障時發(fā)信方式和長期發(fā)信方式，分別對應閉鎖式高頻保護和允許式高頻保護，動作邏輯如圖3所示^[4]。

圖上述兩種方式，按照其傳送的信號性質(zhì)又可以分為三種類型，即傳送閉鎖信號、允許信號和跳閘信號。

閉鎖式高頻保護不能實時監(jiān)測通道狀態(tài)，在通道故障時保護可能誤動作;允許式高頻保護可以實時監(jiān)測通道狀態(tài)，但抗干擾能力較差，在通道故障時保護可能拒動。工程樣例中閉鎖式高頻保護使用較多。

3.高頻保護的試驗方法

高頻保護試驗通常有以下項目：通道測試、故障模擬和邏輯試驗。以下以閉鎖式為例。

3.1通道測試

閉鎖式通道正常運行時，可由人工交換通道信號，具體過程如下：按下試驗按鈕后本側(cè)發(fā)信，在收信時長達到200ms后，停止發(fā)信;在收到對側(cè)信號時長達到5s后，本側(cè)再次發(fā)信并在10s后停止發(fā)信;對側(cè)收到信號后，如果判斷跳閘位置繼電器未動作則立即發(fā)信;如果判斷跳閘位置繼電器動作則延時100ms后發(fā)信;用于弱電側(cè)時，為保障線路輕負荷或啟動元件不動作的情況下，依然能夠快速隔離故障，采用判斷任一相電壓或相間電壓低于30V時延時100ms發(fā)信的策略^[4]。

高頻保護通道運行正常是高頻保護正確動作的先決條件，因此在高頻通道建立后，應首先做以下測試確保通道通暢：

（1）通道交換。使用裝置自帶的通道試驗按鈕，測試收發(fā)信邏輯，應兩側(cè)均能啟動對側(cè)發(fā)信，收發(fā)信機指示正常且裝置無告警，調(diào)試合格的收發(fā)信機和高頻通道，發(fā)信電平宜調(diào)整至40dbm±，收信電平宜調(diào)整至20dbm±;

（2）通道裕度檢查。如果運行中的通道設備故障會導致高頻通道衰減增大，從而引起通道裕度減小，嚴重時甚至會造成高頻保護誤動。規(guī)定高頻通道的最小收信電平為8.68dbm，在生產(chǎn)實際中高頻保護通道的裕度要求大于12dbm;

（3）靈敏啟動電平檢查。靈敏啟動電平是保證收發(fā)信機啟動的最小電平，收發(fā)信機靈敏啟動電平一般整定在4dbm～5dbm之間。

3.2故障模擬

高頻保護通常通過區(qū)內(nèi)故障、正方向區(qū)外故障、反方向區(qū)外故障三種情況來模擬校驗^[5]。

由于線路兩側(cè)同時模擬故障（精確到毫秒級）十分困難，通常高頻保護校驗時以關(guān)閉一側(cè)高頻收發(fā)信機作為閉鎖判據(jù)。

區(qū)內(nèi)故障，關(guān)閉對側(cè)高頻收發(fā)信機，對側(cè)無發(fā)信，本側(cè)不閉鎖，同時本側(cè)模擬正方向故障，高頻保護應能正確動作;

正方向區(qū)外故障，打開對側(cè)高頻收發(fā)信機，對側(cè)正常運行狀態(tài)閉鎖本側(cè)保護，此時本側(cè)模擬正方向故障，高頻保護應能正確不動作;

反方向區(qū)外故障，關(guān)閉對側(cè)高頻收發(fā)信機，對側(cè)無發(fā)信，本側(cè)不閉鎖，同時本側(cè)模擬反方向故障，高頻保護應能正確不動作。

3.3邏輯試驗

高頻保護邏輯試驗需對區(qū)內(nèi)外故障閉鎖、其他保護動作停信邏輯、位置停信等進行驗證：

4.故障消缺

高頻通道故障通常由兩個原因?qū)е拢菏瞻l(fā)信機故障、通道故障。常見的高頻通道故障有斷線、衰耗過大、3db告警等。

當線路高頻通道發(fā)生故障時，通常會有相關(guān)的告警信息上傳，裝置上也會有對應的顯示^[6]，現(xiàn)場檢修人員需根據(jù)以下措施判斷故障類型及解決方法。

首先，兩側(cè)使用通道試驗按鈕交換通道，觀察收發(fā)信機啟動及收信狀態(tài)，使用選頻表在收發(fā)信機高頻電纜接線處測試收發(fā)信功率。

若本側(cè)發(fā)信，但測試結(jié)果為發(fā)信功率低/無發(fā)信;或?qū)?cè)發(fā)信，且本側(cè)收信功率正常，但收發(fā)信機無法啟動，則判斷為本側(cè)收發(fā)信機故障。

其它的，則判斷為通道故障。

判斷為通道故障時，先進行外觀及接地檢查，檢查電壓互感器末屏接地的銅棒和電壓互感器外殼接觸點的絕緣是否良好（停電時），高頻電纜兩端接線及接地是否良好。

兩側(cè)使用通道試驗按鈕交換通道，使用選頻表分別在收發(fā)信機高頻電纜接線處、結(jié)合濾波器下樁頭處、結(jié)合濾波器上樁頭處測試收發(fā)信功率，測試部位如圖4中1、2、3點標注位置，若在某次測試中有衰耗異常增大，則可相應判斷故障部位，并予以處理。

下面提供一組調(diào)試合格運行良好的高頻通道測試參考數(shù)據(jù)，一般情況下，測試數(shù)據(jù)以規(guī)程范圍內(nèi)為準，以下參數(shù)均為本側(cè)發(fā)對側(cè)收^[7]。

（1）本側(cè)收發(fā)信機發(fā)信電平（10W）：31db±（40dbm）;

（2）本側(cè)結(jié)合濾波器電纜側(cè)電平：28 db±（37dbm，衰耗≤3dbm）;

（3）本側(cè)結(jié)合濾波器線路側(cè)電平：35 db±（37dbm）

（4）對側(cè)結(jié)合濾波器線路側(cè)電平：30 db±（32dbm）（與線路長度有關(guān)）

（5）對側(cè)結(jié)合濾波器電纜側(cè)電平：23 db±（32dbm）

（6）對測收發(fā)信機收信電平：20 db±（29dbm）

5.選頻表的使用方法

以下以鴻拓HT2012型選頻電平表為例，簡述選頻表的使用方法。選頻表的接線方式有兩種：

可使用紅-黑平衡線或同軸線進行測量，均可獲得正確數(shù)據(jù)，開機后，應根據(jù)使用測試線的不同選擇不同方式的輸入阻抗，本儀器有同軸/平衡75Ω、100Ω、600Ω、∞Ω等，確知線路參數(shù)可對應選擇，如不確定，可選擇∞Ω檔，其后依次選擇頻率跟蹤，電平自動，選20Hz寬帶（測試頻率低于10kHz時）/1.74kHz（測試頻率高于10kHz時），頻率同步，通過數(shù)字鍵輸入待測高頻通道收發(fā)信機的設定頻率并確認，即可開始測試電平數(shù)據(jù)。

測試時，按上述方式設置完成，在收發(fā)信機高頻電纜接線處、結(jié)合濾波器下樁頭處、結(jié)合濾波器上樁頭處連接好測試線（若使用同軸線可直接卡入接口，若使用平衡線則將紅線連接同軸電纜芯線，黑線接地），設置收發(fā)信機長發(fā)信或按通道測試按鈕，同時按下選頻表“頻率跟蹤”按鈕，觀察選頻表測試數(shù)據(jù)，收信穩(wěn)定和發(fā)信穩(wěn)定時數(shù)據(jù)會保持3s，記錄數(shù)據(jù)即可進行分析。

參 ?考 ?文 ?獻

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作者簡介：李攀宏（1989-），男，碩士研究生，工程師，主要從事電力系統(tǒng)運維檢修工作。