继电保护高频通道基本知识及调试方法

高频通道基本知识及调试方法

北电力科学研究院有限责任公司

二零零三年十一月

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高频通道基本知识及调试方法

第一节 用途

在超高压电力系统中，系统的稳定问题比较突出。随着电网的日益发展和强大，对系统的稳定要求也越来越高。如果系统稳定被破坏，将造成事故的扩大而影响电力系统的安全运行。因此，目前220KV以上的超高压输电线路都配置了双套主保护，作为提高系统稳定的重要措施。

在超高压电力系统中，简单的距离保护和零序保护是不能作为线路主保护的。因为它们在原理上只反应一侧电气量的变化，因而无法区分本线路末端和相邻线路首端的故障，不能保证选择性。而为了要保证选择性，瞬动段的保护范围就要缩小。这样一来，就不能做到全线速动。所以，这种类型的保护不能作为主保护。

为了使保护能够做到全线速动，有效的办法是让线路两端的保护都能够测量到对端保护的动作信号，再与本侧带方向的保护动作信号比较、判定，以确定是否为区内故障，若为区内故障，则瞬时跳闸。这样无论在线路的任何一处发生故障，线路两侧的保护都能瞬时动作跳闸。快速性、选择性都得到了保证。

为了将线路一端的保护动作信号传送到对端，一般采用电力线载波的方式，将线路一端的工频电气量或保护动作信号与高频信号经过调制，利用电力线本身进行传送。我们都知道，电力线本身是传送工频电力的，而且属于高电压和大电流。然而，通过对输电线路进行加工和改造，就可以使它能够同时传送工频电力和高频信号。经过调制后的高频信号送到线路对端后经过解调，将其变成具有工频特征的电气量或脉冲形式的保护动作信号，送至保护装置。这就是电力线载波的传输方式。采用高频信号的原因是便于与工频信号区分开。采用电力线复用的方式，主要是经济可靠，节省人力和投资。而且电力线路杆塔坚固，绝缘程度高。不利的因素是危险的高电压及强大的杂音干扰。但若采取适当的措施是可以解决这些问题的。

综上所述，可以看出，高频保护是利用被保护线路作为高频信号传输通道的。因此，继电保护高频通道的基本用途就是用来加工和传输含有保护动作信号特征的高频信号，以构成快速的继电保护装置。因此，它是继电保护中的一个重要组成部分。

第二节 高频通道的种类及构成

一、高频通道的种类

利用输电线路构成高频通道一般有以下几种方式： 1．相—相式通道

以输电线路的两相作为通道。高频电流从一相送出，从另一相返回。这种 通道的优点是对高频电流的衰耗小。缺点是需要两套加工设备（阻波器、结合滤波器等），投资较大，不经济。同时，在电力系统高频通道拥挤的情况下，一个通道占用输电线路的两相，浪费较大，也不现实。所以我国目前很少采用。

2．相地式通道

以输电线的一相和大地来传送高频信号。虽然这种传输通道对高频信号的

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衰耗较大，但经济实用。因此，我国大都采用这种相地式高频通道。

二、高频通道的构成

这里主要介绍相地式高频通道的构成。相地式高频通道的构成如图1所示

12354收发信机收发信机

图 1 相地式高频通道示意图

1．高压输电线：既传输工频电力同时也传送高频信号的导线

2．高频阻波器：它是一个LC并联谐振回路。使它调谐在所使用的高频频 率下谐振。使其对高频电流阻抗特别大（约大于1000Ω），阻止高频电流流向母线侧，强迫其向线路上传送。而对于工频电流来说，阻抗则显得很小（一般为0.04Ω），可忽略不计。这样就达到了既传送了高频信号，又不影响正常的电力输送。这也正是阻波器的真正作用

3．耦合电容器：作用是将高频信号耦合到高压输电线上去。由于它的电容量很小，因而对工频电流的容抗很大，而对于高频电流则容抗很小，目前超高压输电线的电压等级分为500KV、220KV及110KV，对于500KV线路，结合电容器取自线路出口的CVT电容量一般为5000pf。220KV及110KV是单独安装的结合电容器。220KV为3300pf，110KV为6600pf。

4．结合滤波器：作用有两个：一是与结合电容器连接使用，构成一个宽带滤波器，使高频电流顺利通过。二是起到阻抗匹配的作用。超高压线路的输入阻抗一般为300—400Ω，高频电缆的输入阻抗为75Ω，结合滤波器的两端分别与结合电容器和高频电缆连接，电缆侧的输入阻抗为75Ω（原苏联电缆多为100Ω），线路侧的输入阻抗为300或400Ω。这样就使高频电缆与高压线路通过结合滤波器达到了阻抗匹配。

5．高频电缆：用来连接室内的载波机（或专用发信机）与户外的结合滤波器。目前所使用的高频电缆为75Ω同轴电缆。

在图1中还包括了避雷器和接地刀闸。避雷器与结合滤波器高压线圈并联，防止雷击或其它形式的过电压进入结合滤波器及发信机，使其遭到损坏。接地刀闸是用来在检修结合滤波器时，为了安全将其高压侧接地。

高频阻波器、结合滤波器、结合电容器及高频电缆通称为高频加工设备。

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第三节 高频通道的基本知识

高频通道各部分元件，虽然在传输信号时的物理过程不完全一样，但是它们都有一个共同的特点，就是都可以看成一个具有一个输入端和一个输出端的四端网络。此外，在研究和测试高频信号时，所使用的计量单位与普通电工学中的计量单位有所不同。其中最重要的是电平的概念。为此，有必要首先对四端网络及电平的概念做一些了解。

一、四端网络

我们在研究电路时，总是要考虑它的输入和输出，即电源和负载。如果一 个电路有两个端子做为电源输入端，还有两个端子做为电路的负载输出端，而电路的其余部分没有电源，则这部分电路就称为无源四端网络。内部含有电源的称为有源四端网络。如变压器、衰耗器等就是无源四端网络。放大器就是有源四端网络。这里，我们只介绍无源四端网络。此外，四端网络还有对称与不对称之分。所谓对称，是指四端网络内部结构是对称的。简单的说就是四端网络两侧的特性阻抗是相等的。这样的四端网络称为对称四端网络。否则，就是不对称四端网络。 二、四端网络的特性

（1）．输入阻抗

四端网络输出端接上任意负载阻抗时，输入端的电压电流比值称为四端网络的输入阻抗。输入阻抗一般与四端网络的内部参数及负载阻抗均有关系。但是，当负载开路或短路时的输入阻抗则只决定于四端网络本身的参数。

（2）．特性阻抗

特性阻抗反应四端网络与负载的匹配条件。所谓匹配，主要是指当一个负载与电源连接时，负载从电源获取最大功率的条件。关于这一点在电工学中已有论述，此处只做简单的介绍。如图2所示电路。

r0IEr

图 2 电源与负载的连接

在这个无分支电路中，负载阻抗r中所流过的电流及获得的功率很容易求出：

I =

Er0r2 11

rE22

P=rI=

(r0r) 12

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当电源电势E和r0为给定以后，负载所接收的功率只决定于负载电阻r的大小。

为了寻求负载电阻r上获得最大功率的条件，即当P=Pmax时，r的阻值。将

12式对r求导数并令其为零

求出： rr0

可见，要从给定的电源获得最大功率，就必须使负载的等效阻抗与电源的内阻相等。这称为负载与电源的匹配。

如图3所示，当一个四端网络做为负载与电源连接时，若要从电源获取最大功率，则必须使四端网络的输入阻抗与电源的内阻相等，即Z1=Z入 。而若要使四端网络的负载从四端网络获取最大功率，则四端网络的输出阻抗必须与负载阻抗相等。因此，当四端网络的输入、输出阻抗分别与电源和负载相等时，就在电源与负载之间传输了最大功率。而这时四端网络的输入阻抗就称为特性阻抗。

dPdrr0r2rr0r2r0r4E20

13

ZZ入1四 端网 络Z入2Zf

图3

特性阻抗表示了四端网络本身传输最大功率的条件。实际上它也是输入阻抗，只不过是输入阻抗的一个特例。

对称的四端网络，因输入阻抗和输出阻抗相等，则两端的特性阻抗也相等。由图4可得 Z入1=Z入2=ZC（ZC为特性阻抗）。图4的电路即为四端网络的等效电路。根据该等效电路，可求出四端网络的特性阻抗。

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z0zzz入1z,zf

图4

由于当输入阻抗等于特性阻抗时，Z入1=ZC ，于是有：

Z入1ZCZ

整理上式，得：

ZCZ2ZZCZ’’ZZCZ

2ZZ’ 〈1—4〉

用上式计算特性阻抗往往不方便。在现场一般用测量四端网络的开路输入阻抗和短路输入阻抗的方法。即将负载侧开路，测量四端网络电源侧的输入阻抗，称为 Zr1k。然后将四端网络负载侧短路，测量电源侧的输入阻抗，称为Zr1d。将 Zr1k与Zr1d相乘后开方，即为输入端的特性阻抗ZC。证明如下：

由图4可知：

当负载阻抗开路时， Zr1k=Z+Z' 当负载阻抗短路时， Zr1d=Z

Zr1k.Zr1d=(ZZ)(ZZZ'''Z.Z''ZZ

ZZ''ZZ)

ZZ''=Z(ZZZ)Z(Z'ZZ)

2 =Z22ZZ'=ZC

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因此

ZC

上式虽然是根据对称四端网络推导出来的，但对于计算不对称四端网络从理论上说也是适合的。但有一点须注意，不对称四端网络两侧的特性阻抗并不相等，需分别计算。试验时也要分别测量。即：

ZC1

ZC2

特性阻抗反应的是四端网络本身的特性。因此，是由四端网络的内在条件、因素所决定的。它只与四端网络本身的结构形式有关，而与外电路无关。输入阻抗则不同，如前所述，输入阻抗不仅与四端网络有关系，而且还与负载有关。但负载开路及短路时的输入阻抗也就与负载无关了。所以，特性阻抗从数值上可以用负载开路及短路时的输入阻抗来计算。

二、传输电平

1．电平的概念和意义

高频信号在传输过程中经常要测量和计算某点的电流电压或功率。在测量或 计算这些物理量的时候，我们一般不直接测量或计算该点的电流（A）、电压（V）或功率（W），而是用测量或计算它们对于某一基准值的比值取其对数关系来表示。称为电平。用公式表示为：

P=㏒

P1P0Z22ZZ'Zr1kZr1d 〈1—5〉

Zr1kZr1d 〈1—6〉

Zr2kZr2d 〈1—7〉

单位为贝尔 〈1—8〉

即当功率由于传输而变化10倍，或说功率比的绝对值为10，取其常用对数即为1贝尔。由于贝尔的单位比较大，用起来不方便，常用分贝来表示。贝尔的十分之一为分贝即：1贝尔=10分贝（db）。因此，

P=10㏒

使用分贝做为传输单位，其主要意义有以下几方面： （1）．由于电平的数值是采用功率比得到的，因此，它直接反应了电能传输

的实际情况。

（2）．使用对数简单易行，可变乘除为加减。如 （3）．易于书写和记忆。如1安培电流和1毫安电流作用于同一电阻上，其

功率相差1000000倍。而用电平表示则仅差60db。

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P1P0 单位为分贝（db） 〈1—9〉

由于电平的数值是采用功率（或电压电流）对比的方法得到的，因此，电平按对比的基准不同又分为相对电平和绝对电平。

2．绝对电平

国际标准规定：在600Ω电阻上消耗1毫瓦的功率定为零功率电平。

以1毫瓦的功率为基准，取某点功率与之比较，所得到的电平称为绝对功率电平。写成公式为： P=10㏒

PP0 （dbm） 〈1—10〉

式中 P0=1毫瓦

这个1毫瓦的基准功率P0称为零功率电平。若测出某点功率为1毫瓦时，该点的绝对电平即为零。因此，应注意的是：当某一点的绝对电平等于零时，并不表示该点的功率为零。而是有1毫瓦的功率，更不能认为该点没有电平。因为，当被测功率小于1毫瓦时，绝对电平为负值。因此，零电平也表示电平的存在。

绝对电平分为绝对功率电平、绝对电压电平和绝对电流电平。虽然，绝对电平是以1毫瓦的功率为基准作为参考功率。但是，由于负载电阻不同，同样是1毫瓦的功率，而流过电阻的电流及电阻两端的电压却不同。例如1毫瓦的功率在600Ω电阻上流过的电流和电阻两端的电压分别是：

I0

U0

当被测阻抗不等于600Ω时，I0,U0显然不是上述值。因此，在测量和计算绝对电压电平和绝对电流电平时，应以1毫瓦功率在被测阻抗两端产生的电压和流过被测电阻的电流作为参考值。

设被测点的功率为P，被测点阻抗为Z，则：

P

U2P06000.0016001.29 mA 〈1—11〉

P6000.0016000.775 V 〈1—12〉

UZ2

UU电压电平 pu10㏒Z2=10㏒()2=20㏒ （db） 〈1—13〉

U0ZU0U0

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式中：U — 被测点的电压

U0 — 1毫瓦的功率在被测电阻上产生的电压 电流电平

Pi=10

㏒

IZI0Z22=10㏒(II0)2=20㏒

II0（db） 〈1—14〉

式中： I — 被测点阻抗流过的电流

I0 — 1

毫瓦的功率在被测阻抗中流过的电流

3．相对电平

相对电平也分为相对功率电平、相对电压电平和相对电流电平

相对功率电平是指电路中任意一点的功率PX与电路中某参考点的功率P1相比，取常用对数的10倍，称为相对功率电平。即：

P10㏒

PxP1 （dbm） 〈1—15〉

相对功率电平的大小，实际上反应了电路的增益或衰减。

相对电压电平是指电路中任意一点的电压UX与电路中某参考点的电压相比，取常用对数的20倍称为相对电压电平。即： Pu20㏒同样，相对电流电平为： Pi20㏒

IxI1UxU1 （db） 〈1—16〉

（db） 〈1—17〉

4．功率电平与电压电平的关系及电平表的使用

以上我们讲了绝对电平与相对电平，又讲了功率电平与电压电平、电流电平。在一般的试验、测量和计算时，经常用到的是功率电平和电压电平。电流电平则很少用到。在这里，我们结合电平表的使用，介绍功率电平与电压电平之间的关系。

我们在测量电平时，都使用电平表，一般的电平表都是以600Ω、1毫瓦定为零功率电平的基准。它相当于一个电压表，它的零刻度是U6000.001

=0.775V为基准的。因此，如果被测点的阻抗为600Ω，电平表上的读数就是实际的绝对功率电平。如果被测点的阻抗不是600Ω，则不能认为电平表的读数是实际的绝对功率电平，而是电压电平。因为

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U2X

P10㏒

PXP010㏒

ZXU0210㏒

U2X2U010㏒

600ZX

600 =20㏒

UXU010㏒

600ZX=20㏒

UX0.77510㏒

600ZX 〈1—18〉

式中UX 为被测电压，ZX 为被测点的阻抗。〈1—18〉式中的第一项即为电平表电压电平读数。如果被测点的阻抗为600Ω，式中的第二项即为零。电平表的读数就是功率电平。若被测点的阻抗不是600Ω时，式中的第二项不为零，电平表的读数称为电压电平，加上第二项的数值才称为功率电平。〈1—18〉式中的第二项称之为修正项。

在实际的应用中，常用的是绝对电平。因此，若提到电平，如果没有特别的说明，都是指绝对电平。此外，电平的单位是分贝，在使用中应注意区别。功率电平用dbm表示。电压电平用db表示。我们在测试中经常遇到的被测阻抗值有75、150、400、600Ω等。表1列出了1毫瓦的功率在不同的阻抗中与电压、电流的关系及零功率电平与电压电平的关系。

表1 P0与U0和I0的关系 1 1 1 1 1 功率P0 （mw） 600 400 150 100 75 阻抗Z （Ω） 电压U0 （V） 0．775 0．632 0．387 0．316 0．274 电流I0 （A） 0．00129 0．00158 0．00258 0．00316 0．00365 0 0 0 0 0 功率电平（dbm） 0 -6 -9 电压电平（db） -1．76 -7．78 在使用电平表测量时，应注意一般电平表都有平衡测量与不平衡两种，不平衡是指一端接地，另一端不接地。平衡测量是两端均不接地。一般情况下两种方法均可用，但是某些电路只能使用平衡测量。此外，电平表的测量输入阻抗分为75、100、150、400、600、∞等若干档位，我们在测量某一个元件上的电平时，应该采用高阻跨接测量法。即选择无穷大档位，测量这一点的电压电平。然后根据被测阻抗的实际值，按1—18式换算成为功率电平。 第四节 高频通道的衰耗及测试方法

高频信号在传输过程中，由于设备本身和其他的原因，会造成信号的衰减， 称之为衰耗。高频信号根据试验的方法及检查的内容不同而分为各种不同的衰耗，下面分别介绍几种衰耗的试验方法。

1．工作衰耗

定义：当负载阻抗与电源内阻相等并直接连接时，负载所得到的最大功率 Pm经过四端网络后负载上所得到的功率P之比，取常用对数的10倍称为工作衰耗。即

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bG=10㏒

PmP （dbm）

工作衰耗说明了四端网络本身的传输能力，或说电源的最大能量被利用的程度。

工作衰耗的测试方法如图5所示。

p2R1p1四 端网 络R2p4

图5 测量工作衰耗接线图

用电压表测量：

四端网络输入端的功率

(U12R1)2 PMU124R1

接入四端网络后负载所得的功率

P工作衰耗为

(U12R1UR2)2U4R22

bg10㏒

PMP2410㏒

U1U22410㏒

R24R1

bG20㏒

用电平表测量：

U1U410㏒

R24R1

bGp1p410㏒

R24R1

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2．传输衰耗

定义：实际情况下的四端网络输入端与输出端的相对电平。

bc10㏒

P1P0

由于负载阻抗与四端网络特性阻抗不匹配会引起附加的能量损失，因此，传输衰耗一般相对较大些。

传输衰耗的试验接线如图6所示

(p2)u2R1(p1)u3四 端网 络R2u4(p4)

图6 传输衰耗试验接线图

用电压表测量：

bc用电平表测量： bc12(P1P2)P410P1U3U2R1 P0U4R22

㏒

P1P010㏒

U2U3U4210㏒

R2R1

㏒

R2R1

第五节 结合滤波器和高频阻波器的现场测试方法 一、线路阻波器 1．外部检查

2．绝缘检查及避雷器放电电压测试 3．高频特性试验

由于高压输电线路停电检修的机会很少，阻波器在安装前必须进行高频特性试验，一般高频特性中阻塞电阻与阻塞阻抗及分流衰耗的两种试验，只做其中一种即可。

阻塞电阻与阻塞阻抗的试验方法有电桥法、比较法和电压法。制造厂一般采用电桥法而用户则采用电压表法，GB/T7329-98<<交流电力系统阻波器>>标准中规定用电桥法，用不同的方法测得的结果有一定的差异应当说是正常的，过去一直没有引起人们的关注，近年来由于不再追求某一，二个窄带内过高的阻塞阻抗

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值，所以阻波器很少采用双频调谐电路，而绝大多数采用定K型宽带调谐电路。

双频电路阻抗特性的特点是在很窄的频带内阻抗很高，超过要求值很多，而未被人们注意这些值是否准确，采用定K型宽带调谐电路则不然，追求的是在保证一定阻塞阻抗条件下取得最大的带宽，在阻塞边频处的阻抗应等于或略大于要求值，所以采用这种调谐电路测得阻抗值已容不得较大的误差。

1．比较法

比较法的测量接线见图7

R1pp1u1阻波器振荡器p2u2pR2

图7 比较法的试验接线

用比较法只能测量阻波器阻抗的模值，测量时：改变振荡器的频率，在所测频率上调整RO,倒换开关K的位置1和2 ，使电平表的读值P1和P2相等，则此时Z阻=RO，此法简单易行且误差较小，缺点是不能测量阻抗的电阻分量值。

2．电压表法

电压表法的测量接线见图8

R1阻波器振荡器p1p2pR2

图8 电压表的试验接线

用电压表测量时，指示表计可以用真空管电压表，超高频毫伏表或电平表等。 在测量时，改变振荡器的频率，在所测频率上倒换开关位置1和2，逐一测出电压V1(P1)和V2(P2)，并用以下公式算出阻抗的分量值 Z阻 =V11R2 V2 Z阻 =100.05(P1P2)1R2

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二、结合滤波器

1．绝缘及避雷器放电电压试验 2．高频特性测量

（1）衰减、输入阻抗测量 a．试验室方法

试验接线如图9

P2(v2)R1TCACACp1(v1)P3(v3)L1P4(v4)R2

图9 结合滤波器试验接线图

1．图中V2必须使用平衡式电压表测量，其它电压可用不平衡电压表或电平表。

2．R1,R2为匹配电阻。

1) 输入电阻（Z入）

电压表法 Z入=

2）衰减（bg）

电压表法 bg = 20log

电平法 bg =P1P410logR24R1V2V410logR24R1V3V2R2 

dB

dB

三、带实际线路测量

建议试验时，在结合滤波器和线路阻波器所共同覆盖的整个频段上测量 线路衰减。单个元件试验完成后线路两侧对试时，应在两端的线路阻波器后 面接地进行对试。

测试时，如衰减过高（与不接地比较），或在几千周内有几分贝的起伏， 则表示线路阻波器有故障或出现强烈的线路异常现象，在电力线载波结合设 备试运行之前需作调整。

关于结合滤波器、高频电缆及高频通道总衰耗的测量，应以华北电力调度 局下发的《高频通道（结合滤波器、高频电缆）检测要求》的规定执行。此处不再赘述。

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