第六章 线路的载波高频保护.docx

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第六章线路的载波高频保护

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电力系统继电保护新技术与故障检验调试

电网与线路继电保护新技术

第六章线路的载波高频保护

第一节高频保护的信息传递和构成

高频保护的作用是在输电线路发生故障时，自线路两端快速切除故障线路。

为此线路两端继电保护的信息须要进行交换，交换距离可从几十公里到几百公里，保护的信息是利用输电线路高频载波通道或微波通道来完成。

由于保护装置动作通过高频通道传递信息，所以在传递信息时有其特殊要求：

（1）高度可靠性；

（2）准确、快速传递信息。

为了保证高度可靠性和快速传递信号，高频保护的高频通道不应受其他通道的影响，且应占有足够宽的频带。

目前我国高频保护通道单独占用一相（相-地结合方式）来构成高频载波通道。

输电线路高频通道

输电线路高频通道由下列元件构成：

1高频阻波器

高频阻波器的作用是阻止高频电流外流，以免产生不必要的损耗和造成对其他高频通道的干扰。

按阻塞特性划分，高频阻波器可分为单频阻波器、双频阻波器、带频阻波器和宽带阻波器等。

（1）对高频阻波器的技术要求。

①在线路正常和故障运行方式下，阻波器对于工作频率的高频电流应有足够大的阻塞阻抗。

由于变电站母线的输入阻抗随各出线的运行方式和故障情况发生很大变化，该输入阻抗能抵消阻波器的电抗分量，因此要求阻波器要有足够大的电阻分量。

②阻波器要有足够宽的阻频带，在此频带内，阻塞阻抗不应低于允许值。

③阻波器应能承受较大的工频电流，且工频损耗可忽略不计。

④阻波器应有过电压保护装置。

（2）高频阻波器的频率特性。

①单频阻波器。

单频阻波器的原理接线图如图6.1.1所示。

它实际上是一个并联谐振回路，调谐于高频通道的工作频率，其中R、L是强流线圈的电阻、电感，C为调谐电容，L1是一个小电感，其电感量只有10～15μH，它用于电容器C的过电压保护，因而在研究阻波器特性时可略而不计，R1是限流电阻。

单频阻波器的阻抗为

ZZ＝1jωC（R+jωL）R+jωL-1ωC

当阻波器调谐于ω0时，阻波器的阻抗为

Z0≈ω0LQ＝LRC＝Q2R

式中Q——调谐回路的品质因数。

单频阻波器的阻抗特性如图6.1.2所示。

②双频阻波器。

〖请看图片H205，+40mm。

60mm，Z#〗图6.1.1单频阻波器的原理接线图

〖请看图片H206，+43mm。

40mm，Y，BP#〗图6.1.2单频阻波器的阻抗特性

需要阻塞两个不同频率的高频信号时，可用双频阻波器。

双频阻波器的原理接线及等效电路如图6.1.3所示。

图中L1、C1和L2、C2两个并联谐振回路都调到较高的阻塞频率f2上，故有

f2＝12πL1C1＝12πL2C2

〖请看图片H207，+30mm。

65mm，BP#〗图6.1.3双频阻波器的原理接线及等效电路

（a）原理接线图；（b）图（a）的等效电路；

（c）图（b）的等效电路

频率为f2时的等效电路如图6.1.3（b）所示。

由于Z1、Z2为两回路的并联谐振阻抗，因此并联谐振阻抗对频率f2呈现很大阻抗。

C3的作用是隔离工频电流，使工频电流不通过电感L2，同时C3也作为调谐较低的频率f1之用。

由于f1＜f2，故在频率f1下，两并联回路

L1C1和L2C2都呈现感性，其等效电路如图6.1.3（c）所示。

两回路的等效电感Le1、Le2的求法如下：

jω1Le1＝jω1L1·1jω1C1jω1L1+1jω1C1＝jω1L11-（f1/f2）2

于是

Le1＝L11-f1

f22

同样可求出L2C2回路的等效电感为

Le2＝L21-f1

f22

在图6.1.3（c）中，为了使阻波器谐振于f1，应满足

ω1Le1＝1ω1C3-ω1Le2

即C3＝1-f1f22ω２１（L1+L2）＝C1C2C1+C21-f21f22

通常电感L1和L2为已知，C1、C2可由f2频率公式求得，双频阻波器的特性如图6.1.4所示。

其中曲线1为不接入展宽电阻R时的特性，曲线2为接入展宽电阻R时的特性。

〖请看图片H208，+30mm。

50mm，Y#〗图6.1.4双频阻波器特性1不接入展宽电阻R；

2接入展宽电阻R

与单频阻波器相同，双频阻波器也可在L2或C2的回路中串以展宽电阻R以展宽阻塞频带。

由于双频阻波器的阻塞阻抗为L1C1和L2C2回路阻抗的并联，故对L2C2回路的展宽可起到整个双频阻波器展宽的作用。

③宽带阻波器。

电力系统的发展对高频通道的要求不断提高，一回输电线的一相上有可能同时装设几台载波

机，如果用单频或双频阻器串联起来使用，在经济上、技术上都不合理，因此采用能阻塞整个工作频带（50～300kHz）的宽带阻波器。

宽带阻波器接线有很多种，图6.1.5（a）所示的二元件接线即为其中已广泛应用的一种。

它与单频阻波器在形式上相近，但特性不同，它的特点是电感L很大，其值可达1～2mH，电阻值R1也很大，其值通常在600～1000Ω。

在频率很高时，电感L呈现很大阻抗，阻塞阻抗基本上等于R之值。

在频率较低时，则可依靠LC并联谐振提高阻抗值；频率进一步降低时，阻塞阻抗和阻塞电阻逐渐减小至零。

宽带阻波器的阻抗特性示于图6.1.5（b）。

2耦合电容器

〖请看图片H209，+40mm。

72mm，BP#〗图6.1.5宽带阻波器的原理接线及阻抗频率特性

（a）原理接线图；（b）阻抗频率特性

耦合电容器为高压设备，其作用是将发信机发出的高频电流送至高压输电线路，并使对端送来的高频电流进入收信机。

耦合电容器的容量很小，对工频信号有很大的阻抗，对高频信号阻抗很小，它是强电和弱电的分界点，它的上端与高压输电线路相接，下端与结合滤波器相接。

应用较广的OY-110/3-0.0066型耦合电容器的电容量为6600μμF，一个电容器可直接用于110kV；在220kV上需用两个电容器串联，电容量均为

3300μμF；用于330kV则需用三个电容器串联。

耦合电容器一般具有10～20μH的电感值，由于电感的存在，故使得耦合电容器的等效电容实际上并非常数，而随频率稍有变化，在利用耦合电容器时，应注意到它的影响。

等效电容之值决定如下

Ce＝C1-ω2LC

式中Ce——耦合电容器在频率ω时的等效电容；

C——耦合电容器的额定电容；

L——耦合电容器的串联电感。

3结合滤波器

结合滤波器是介于高频电缆与高压输电线路之间的设备，它的作用是与耦合电容器一起构成一个带通滤波器，并进行阻抗匹配。

对相—地结合方式，输电线路侧的输入阻抗Z1约为400Ω（110～220kV），高频电缆侧的输入阻抗Z2为100Ω。

我国目前广泛采用的是变压器耦合型结合滤波器，为了实现阻抗匹配，变压器的变比取为

ω1ω2＝Z1Z2≈400100＝2

结合滤波器与耦合电容器组成的带通滤波器的阻抗特性，对是否能实现阻抗匹配的影响很大，为此下面着重讨论之。

其原理接线图如图6.1.6（a）所示。

线圈L1和L2组成一只变压器，其互感系数为M，C1为耦合电容，C2为调谐电容，L1与C1、L2与C2的调谐频率基本上是相等的。

应用互感消去法可将图6.1.6（a）用图6.1.6（b）等效，Z1、Z2为两侧阻抗，

Zsr1、Zsr2分别为由两侧看入时，连接滤波器的输入阻抗。

其中

X1＝jωL1-1ωC1

X2＝jωL2-1ωC2

XM＝jωM

由图6.1.6（b）可计算出线路侧输入阻抗Zsr1和高频电缆侧输入阻抗Zsr2，其值分别为

Zsr1＝X2MR2R22+X22+jX1-X2MX2R22+X22

Zsr2＝X2MR1R21+X21+jX2-X2MX1R21+X21

〖请看图片H210，+30mm。

85mm，BP#〗图6.1.6带通滤波器

（a）实际电路；（b）图（a）的等效电路

带通滤波器的特性阻抗ZC可用开路-短路法求得，即

ZC＝Z0Z∞

式中Z0——将负载短路时的输入阻抗；

Z∞——将负载开路时的输入阻抗。

4高频电缆

高频电缆是高频收发信机或载波机和结合滤波器的连接线。

由于高频特性的需要，高频电缆不同于其他电缆。

高频电缆又称为同轴电缆，它有内、外两个导体，芯线是内导体，外皮（铅皮或铜丝网）是外导体。

高频电缆有很好的抗干扰能力。

在变电站内，高频电缆的长度通常不超过几百米，但其长度却可与高频信号的波长相比拟，故高频电缆应按分布参数处理。

如前所述，高频电缆两侧各接有结合滤波器和高频收发信机，只有当高频电缆的波阻抗和其两端负载的输入阻抗相等时，才有最佳的传输效果，但在实际上这一点是很难达到的。

在任意负载条件下，高频电缆的输入阻抗随线路长度的变化而变化，也与频率有关。

5高频通道的过电压保护

高压输电线路是高频通道的一个组成部分，电力系统的断路器和隔离开关的操作、短路以及雷击等所产生的过电压都会侵入高频通道的所有设备中。

为了保证高频通道中的设备不致损坏和高频通道的安全运行，过电压保护是一个不容忽视的重要问题。

输电线上发生短路、雷击或开关操作，都可能产生前沿很陡的过电压波。

为了保护阻波器的调谐电容C（见图6.1.1），可将它与阻波器的电感绕组并联接入一避雷器，以限制加在电容器上的电压，但此设备还不能起到完全保护作用。

这是因为避雷器间隙中的电场远不如电容器中的电场均匀，在前沿很陡的脉冲电压作用下，避雷器中电场强度较大的部分先局部放电，然后才完全击穿，所以从电压开始增长到完全击穿所经历的时间（称为预放电时间）较长，而电容器的预放电时间较短，这样避雷器就到不到保护作用。

当在电容器回路中接入了小电感L1（见图6.1.1）后，由于小电感L1延缓了电容器上电压的增长速度，故可保证避雷器先于电容器击穿。

在高压电缆上也会出现很高的脉冲电压和工频电压。

脉冲电压由电力系统操作、短路和雷击等产生；工频高电压是在高压线路上发生短路时由于接地电位抬高引起的，当连接设备不在接地网内时这种情况尤为严重。

高频电缆上的过电压会损坏高频装置，如果是工频过电压，还会导致保护装置发生误动。

所以高频通道的过电压保护必须引起重视。

高频通道测试

1高频单侧通道的衰耗和阻抗测试

单侧通道系指高频电缆+结合滤波器（包括耦合电容器或复用通道上的分频器）。

（1）工作衰耗bop和输入阻抗Zi的测试。

测试接线如图6.1.7所示，测试频率为40～500kHz。

每隔20kHz左右测一次，测试得到每个频率处的衰耗应为相同频率下高频电缆与结合滤波器衰耗之和。

如果比二者之和大，则可能是由于二者阻抗不匹配所致。

图中E为振荡器，虚线框部分为结合滤波器，C为模拟耦合电容器。

电阻100Ω、400Ω必须用无感电阻或采用普通的金属膜或炭膜电阻。

于是有

bop＝P1-P4（Np）

Zi＝［ln-1（P3-P2）］×100（Ω）

〖请看图片H211，+25mm。

85mm，BP〗图6.1.7高频通道阻抗衰耗特性测试接线图

1～4电平表，其参数分别为P1、P2、P3、P4；5——频率表

（2）传输衰耗bt的测试。

传输衰耗bt用起动高频收发信机在工作频率下进行测试，测试接线如图6.1.8所示。

于是有

Zi＝U1I1（Ω）

bt＝10lgU1I1U２2×400（dB）

若无交流电流表，可在出口回路处串一只R＝5Ω/5W左右小电阻，用选频表测R两端相对电平PR，换算成电流I1＝0.775ePR／R。

由于测量时串入一只电阻R，将产生一定的附加衰耗，但只要R取得足够小（如R＝5Ω时附加衰耗仅为通道阻抗的5%），所以可认为这个误差是允许的。

〖请看图片H212，+20mm。

80mm，BP#〗图6.1.8高频通道传输衰耗测试接线图

2高频通道总衰耗和输入阻抗测试

该项测试在两侧分别轮流进行，即一侧向线路发送高频信号，另一侧接收，接收侧是将高频电缆接负载电阻（将收发信机输出与电缆相接处连片断开），每一侧所测试的传输衰耗都不允许超过27dB（3.1Np），且两侧的测试结果应基本相同，最大差值不应大于3dB。

测试接线发信端如图6.1.8所示，只是C为实际耦合电容器，400Ω电阻为实际线路。

于是有

bt＝20lgU1I1U２2×100（dB）

Zi＝U1I1（Ω）

高频保护对高频信号强度的要求

收发信机技术参数要求的灵敏起动电平为-5dB，当接收到的电压电平值大于10dB时就需投入收发信机的收信高滤插件的衰耗器，以降低收信裕量。

因此此发信机裕量以最灵敏起动电平为基准值计算时，不允许超值15dB。

收发信机输出电平道带有31dB（10W）和34dB（20W）两种，视输电线路长短和通道衰耗大小而定。

载波通道衰耗的构成

高频通道的衰耗，主要由下列部分构成。

（1）电力线路衰耗。

（2）加工结合设备引起的衰耗包括：

①结合滤波器（包括耦合电容器）的衰耗；

②高频阻波器分流衰耗；

③高频电经衰耗。

（3）通道中各个环节不匹配引起的反射衰耗。

电平换算

电平（绝对电平）有电压电平和功率电平两种。

功率电平定义

Lpx＝10lgPxP0（dB）

其中，P0为标准功率1mW（毫瓦）。

电压电平定义

Lux＝20lgUxU0（dB）

式中U0——标准电压0.775V（1mW的功率对于600Ω负载，在两端所加电压为0.775V）。

功率电平与电压电平之间的转换关系Lpx＝10lgPxP0＝10lgU２x/Z0.775２/600

＝20lgUx0.775+10lg600Z＝

Lux+10lg600Z

式中Z——被测处的阻抗值。

当Z＝600Ω，Lpx＝Lux；

当Z＝75Ω，Lpx＝Lux+9dB；

当Z＝100Ω，Lpx＝Lux+7.78dB。

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电网与线路继电保护新技术

第二节高频保护的收发信机

高频收发信机是电力系统高频保护专用设备，用于110kV或220kV架空线路的高频闭锁方向保护或相差保护。

专用机方式在国内电网中积累有丰富的运行经验，实践证明它工作原理简单、维护方便、运行可靠。

这点对闭锁式的保护尤为重要。

因此，尽管它需要单独占用通道，但还是被广泛采用了。

高频收发信机新老机型很多，但它们的整机工作原理没有根本差别，工作框图基本相似。

1985年，原水利电力工业部和原机械工业部审定通过了四统一新型机设计，确定了新型机的主要技术条件和性能，着重解决频道分配中遇到的困难。

本设计已被各厂家所采用。

这将是本节要重点讨论的内容。

在此基础上将进一步讨论整机性能测试及投入运行主要项目。

收发信机在相地耦合方式下的工作条件

（1）信号之间有串扰。

虽然线路上挂有阻波器，但实际上并不能起完全阻塞作用，而只能增加向阻波器以外方向的衰耗值，每只宽带阻波器的衰耗值大约为17.4dB。

（2）电力线载波电话性能指标。

目前我国电力系统选用的标准型载波电话机，工作频率范围为40～500kHz，频道为4kHz，基频按f＝40+4B（kHz）系列生产，B为0，1，2，…，114，共115个标准频道，一套电话要两个频道，可安排57套电话。

发信机标称功率一般都在10W（功率电平40dBm以下。

收信机入口电平不大于0dBm在最恶劣气候条件下，接收端的信杂比不应低于26dBm收信调节放大器输入端的信号电平值不允许超过-13dBm）。

在同一发信频道中，可同时传送多路信号，但其总的发信功率不超过发信机的标称发信功率。

也就是说载波电话机的发信功率指输出端接以等于标称阻抗电阻负载时所取得的峰值包络功率。

载波电话机4kHz频率使用分配情况见图6.2.1。

〖请看图片H213，+25mm。

95mm，BP#〗图6.2.1载波电话机4kHz频率使用分配情况示意图

鉴于以上情况，适当选择发信机发信功率、收信机启动电平及收信机的防卫度等技术指标，在考虑电力线载波通道频率分配工作中是很重要的。

要想使专用机在系统中安全可靠运行，就必须对它的技术性能提出要求。

新型收发信机的主要技术条件和性能

（一）“四统一”设计高频保护收发信机的主要技术条件

（1）工作频率f＝50+4N（kHz），N＝0～87的整数。

（2）标称发信功率为20W及10W（43dBm及40dBm），以便保护启动短时发信工作方式，并使设备在长时发信时不会损坏。

（3）发信机最低电平不大于“－”25dBm或0dBm（后者只能供专用通道用）。

（4）收发信机的输出及输入阻抗为75Ω或100Ω，波动值在（0.67～1.5）Zi之间（回波衰耗不小于14dBm）。

（5）当发信机工作频率相差8%时，允许直接并机运行，并机的分流衰耗不大于1dBm。

（6）收信机的防卫度，在f0±2kHz时不低于20dBm；在f0±4kHz时不低于31.6dBm；在f0±12kHz时不低于53dBm。

（7）较灵敏启动电平大3dBm时，收信回路的收信延时时间（收信入口开始加入信号至输出回路状态改变）应小于4～5ms；输出信号在可能最大信号断开后的返回时间应小于5ms。

对用于相位比较式保护的收发信机，在输入电平不大于7.4dBm的情况下，输入信号宽度不小于9.5ms；且在可能最大输入信号下，输出信号的最大宽度不大于10.5ms。

来自对侧的最大信号可按较启动电平大18dBm的条件考虑（即最大裕量为18dBm）。

至于其它技术指标，如直流电压、电源电压波动及允许载漏电平等，与旧型机没有根本差别，可参见厂方资料。

（二）新型号收发信机的主要技术性能

（1）发信信号中只有一个单一频率，因此标称功率就是发信频率的功率。

一般情况下，过大的发信功率及过高的收信裕量都会直接影响允许重复使用频率的最短电气距离，除线路距离长通道衰耗大的线路外，不宜用大功率发信机，因而一般取43dBm（即20W）。

同时对谐波电平也提出了具体要求，给通道分配提供了方便。

（2）收信回路的启动电平应能可靠地躲过通道中可能出现的最大干扰电平。

对于闭锁式保护，在区内故障时，应保证不致因通道干扰而误发信号，造成拒动。

在区外故障时，近故障侧的发信机不应该因系统扰动而停信，造成误动。

根据长期运行经验，对于220kV线路，其值不宜低于4.4dBm（对应电压电平为－4.6dB，近似为－5dB）。

这已充分考虑了各种可能构成保护不正确动作的干扰信号强度。

（3）当发信机发出信号后，即使在最不利情况下，在收信机入口处接到的最低电平也应高于启动电平一定数值，以保证输出回路能够快速将闭锁信息送至保护装置。

根据目前电子技术的能力，输出动作的不明确区不应大于3dBm（相对电平），因此新研制的收信机，最低可靠起动电平不得低于7.4dBm（对应电压电平－1.6dB）。

考虑天气的影响，正常接收电平应高于可靠电平8.6dBm，即一般线路最低接收电平为16dBm（对应电压电平为7dB），重冰区、严重污染区还需增加3dBm，即19dBm（对应电压电平为10dB）。

（4）因为保护专用收发信机是按门坎电压工作，因此对串扰信号不能像通信机那样，单纯以信杂比大小为条件衡量，而应规定串扰信号的最大值必须低于启动电平17.4dB／m。

也就是说在收信机入口处，可能出现与收信频率相同的串扰信号电平。

当其值保证不大于－13dB／m时，串扰信号源就可以使用，给允许重复使用工作频率提供了方便。

图6.2.2示出了保护专用收发信机的运行电平示意图。

〖请看图片H214，+116mm。

80mm，BP#〗图6.2.2保护专用收发信机的运行电平示意图

（5）为解决通道拥挤问题，要求保护专用收发信机具备与相邻频道紧邻使用的条件，还要求收信机对工作频率和非工作频率的分辨率要高，也就是收信滤波回路的防卫度要高。

收信滤波器的通频带越窄越好，这样信号传输的延时就会长。

这个传输速度指标是不可忽略的。

同时还要求信息形状不失真，这也与传输延时有直接关系，特别是靠信号中断部分工作的相差保护，这个问题更为重要。

新型收发信机恰当地选取滤波器的参数值，特别是发信滤波器采用多节电感电容回路组成的带通滤波器，使输入输出阻抗在使用频率下均满足匹配要求，与以前的收信机收信回路相比，降低了收信回路暂态现象（即传输延时引起的拖尾现象），同时还限制输入信号的最大值，可协调处理好延时和波形失真及提高防卫度问题。

（6）在符合“四统一”规定的条件下，保护专用收发信机也具备与通信机并机的条件，以前使用的分频器可以省掉，至结合滤波器的电缆也可以省掉。

为提高可靠性，只需在通信机至保护专用收发信机的一段电缆中，增加简单的小阻波器就可以了。

新型高频收发信机原理方框图

新型高频收发信机原理方框图以GSF-6A为例，如图6.2.3所示，它由发信回路、收信回路、测量插件、逻辑插件、接口插件、电源等六部分组成。

〖请看图片H215，+50mm。

100mm，BP#〗图6.2.3新型高频收发信机原理方框图

（一）发信回路

发信回路由频率合成、前置放大、功率放大器、发信滤波器组成。

频率合成环节是利用最新频率合成技术，产生高频振荡源，可以方便地组合成各种需要频率。

前置放大器受来自收信回路中控制插件的信号控制，当控制信号使前置放大器置于放大状态时，收发信机就发信，这时来自频率合成的高频信号经前置放大、功率放大器放大后，通过发信滤波器输入高频通道，通道口输出的发信电平可通过前置放大调整电平调节输出，使之满足+40dBm/75Ω（对应电压电平为31dB），最大可达到+43dBm/75Ω的要求。

前置放大器的另一路输出电平为2.5dB，作为本侧收信信号输入到控制