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继电保护高频通道原理剖析
继电保护高频通道原理、调试与故障处理
郭爱军
【摘要】本文主要介绍了线路高频保护的高频通道构成及其原理，对高频通道的调试方法、典型故障的处理方法进行了探讨。
本文为高频保护的维护及运行人员提供参考。
【关键词】高频通道原理调试故障处理
1概述
线路高频保护的高频通道由保护高频收发信机、高频电缆、阻波器、结合滤波器、耦合电容、输电线路构成。
本文将结合我厂实际，对高频通道原理、调试、故障的处理等有关内容进行介绍。
2继电保护高频通道（相地制）的组成
继电保护高频通道主要由高频收发信机、高频加工设备、高频结合设备、输电线路四个部分构成，如图1：
图1：
继电保护高频通道（相地制）的组成
图1中：
1—输电线路；2—高频阻波器；3—耦合电容器；4—结合滤波器；5—高频电缆；6—放电间隙；7—接地刀闸；8—高频收发信机；9—保护装置。
这里有几个专业术语，需要解释一下：
（1）高频加工设备，是指阻波器，因为它串联在输电线路中，其含义是对输电线路进行再加工。
（2）高频结合设备，是指高频电缆、结合滤波器、耦合电容器，其含义是将高频收发信机与输电线路结合再一起。
（3）关于高频信号的“高频”：
所谓高频是相对于工频50HZ而言的，高频纵联保护信号频率范围一般为几十～几百千HZ；
（4）输电线路的“高频纵联保护”:
线路纵联保护是当线路发生故障时,使两侧开关同时快速跳闸的一种保护装置,是线路的主保护。
线路两侧保护将判别量借助通信通道传送到对侧,然后,两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区内故障或区外故障。
判别量和通道是纵联保护装置的主要组成部分。
线路纵联保护的信号通道可以是微波通道、光纤通道，或电缆线通道，而利用电力载波通信通道构成的线路纵联保护则称为电力线载波纵联保护，即高频纵联保护。
3高频纵联保护的高频收发信机原理、调试，及故障处理
高频收发信机的作用是发送和接收高频信号。
高频发信机部分是由继电保护来控制。
高频收信机接收由本侧和对侧所发送的高频信号，经过比较判断之后，再动作于跳闸或将保护闭锁。
如图2所示：
图2：
高频纵联保护的高频收发信机
3.1、高频收发信机的发信回路
3.1.1、高频收发信机的发信频率
高频收发信机发信频率的范围一般为40～400KHZ，在出厂时已经根据用户要求设定为一个单一频率，订货时，需要向厂家提供该高频保护的工作频率。
该工作频率是由中调统一安排的。
对于特定的一套220KV线路高频保护，其线路两侧保护的高频收发信机的发信信号频率相同并且是固定的。
不同的220KV线路高频保护，其高频收发信机的发信频率都各不相同。
附表1：
我厂各高频保护的高频收发信机发信频率：
万虎I线
万虎II线
万文I线
万文II线
万燕线
高闭
方向
高闭
方向
高闭
方向
高闭
方向
高闭
方向
114KHZ
286KHZ
130KHZ
78KHZ
90KHZ
126KHZ
138KHZ
102KHZ
170KHZ
110KHZ
3.1.2、高频收发信机发信回路原理
发信回路的发信振荡器提供本侧发信频率的高频信号。
高频收发信机的发信回路原理框图如图3所示。
注意：
振荡器产生的高频信号的发出和停止是受到保护装置的控制的。
图3：
高频收发信机的发信回路原理框图
3.1.3、关于高频收发信机发信功率及发信电平
保护收发信机额定发信功率一般为10W，或10W～20W可调。
如果额定发信功率为10W，则输出信号的功率电平是40dBm。
功率电平的计算公式是：
Lpx=10×lg（Px/P0）
发信功率10W时，式中，Px=10W=10000mW，P0=1mW，
因此，输出信号功率电平为：
10×lg（10000/1）＝40dBm
此处需要引起注意的是，提高发信功率对提高发信电平的贡献有限。
不要简单地认为发信功率加大一倍就会使发信电平也加大一倍。
因为2的对数值Lg2≈0.3，假定将输出功率从10W提高到20W，则输出信号功率电平可以计算如下：
•10×lg（20000/1）＝10×lg2+10×lg10000＝3+40＝43dBm
上述结论的意义就是：
如果在工作中发现对侧收信电平大幅度下降，此时你最好不要指望能够通过调整收发信机发信功率来解决问题，因为即使将发信功率翻一番，输出电平也只能增加3dB，而功耗、发热情况却会上升。
不同发信功率下对应的发信电平值见附表2。
附表2：
发信功率与发信电平之间的关系
发信功率（W）
2.5W
5W
10W
20W
发信电平（功率电平dbm）
34db
37db
40db
43db
发信电平（电压电平dbu/75欧）
25db
28db
31db
34db
备注：
dbm为功率电平，dbu为电压电平。
平时测量时我们大多用电压电平。
表中电压电平值是对应75欧特性阻抗的换算值。
3.1.4、高频收发信机输出通道的附加电路
为方便调试，各型高频收发信机输出通道都有“通道、负载切换”的附加电路，其原理接线如图4所示。
图4：
高频收发信机输出通道的附加电路
75欧负载电阻前，LFX912型串有衰耗器，其它型号则没有。
正常运行中，将输出端与高频电缆短接（接至通道），调试时则可以将输出端与高频电缆断开，转而跨接在75欧姆负载电阻上（接至负载）。
GSF6A型、SF600型收发信机的“通道、负载切换”的插头布置在前面板，而LFX912布置在背板，但万虎II线PSF631发信机的“通道、负载切换”插头布置在内部，要打开前面板才看得到。
3.1.5、高频收发信机发信电平的测量
平时我们用选频电平表测量发信电平时，都是直接将表跨接在收发信机输出端，图5中A、B点处。
当高频电缆特性阻抗为75欧姆时，在图5中A、B点测量发信电平，如果额定发信功率为10W，测得的发信电平应为31dBu（电压电平）,如果额定发信功率为20W，测得的发信电平应为34dBu（电压电平）。
图5：
高频收发信机发信电平的测量
注意在75欧姆负载电阻前，LFX912型号的收发信机串有20dB的衰耗器，并且从衰耗器下端头（图中C点）引出到面板测试孔。
调试时，如果将输出端切换到负载电阻，而你从面板的负载测试孔测量发信电平，则测试得到的发信电平数据要加上20dB。
附表3：
我厂各高频保护发信电平实测值
万虎I线
万虎II线
万文I线
万文II线
万燕线
高闭
方向
高闭
方向
高闭
方向
高闭
方向
高闭
方向
29.7dB
31.7dB
30.9dB
30.1dB
31.4dB
31.9dB
31dB
31.62dB
29.6dB
30.1dB
注：
实测值均应在30±2dB范围内。
3.1.6、高频收发信机发信电平的测量值异常的分析及处理
如果发信电平测量值异常，首先要检查选频电平表的频率设置是否与被测保护收发信机工作频率一致，例如，万虎I线高闭保护工作频率为114KHZ，那就必须把选频电平表的频率设置为114KHZ，否则测试电平肯定不对。
其次要注意排除外接负载阻抗不匹配的问题（电压电平测值与被测点特性阻抗有关）。
此时可以把输出端从高频电缆处甩开，外接75欧姆标准电阻，再进行复测，如果在75欧姆标准电阻上测试发信电平正常，则应考虑是外接负载（高频电缆、结合滤波器，或阻波器）阻抗匹配引起的问题。
如果确实是因为电路元件故障引起发信电平异常，那么在收发信机的前面板上一般会有指示灯或液晶显示的异常信号。
此时可以参考说明书进行判断。
由于高频电路对元器件要求较高，对于电路元件故障引起的发信电平异常，不宜自行更换元器件，而应联系厂家更换插件。
对于发信电平轻微下降，可以通过调整功放回路相应的电位器进行有限度的调整。
3.1.7、关于高频收发信机发信电平的测量值换算
用选频电平表测量通道电平值时，选频电平表可以选择用功率电平档或电压电平档。
实测时，我们一般都是使用电压电平，将选频电平表打高阻档（手持表用大功率档）。
注意电压电平测量值与被测点的特性阻抗有关，而功率电平与被测点的特性阻抗无关，所以功率电平测量值更便于故障分析。
电压电平与功率电平之间换算关系见表4。
例如：
在高频收发信机出口或在高频电缆的两端测量，由于被测点的特性阻抗为75Ω，此时电压电平与功率电平的换算关系为：
电压电平＝功率电平-9。
具体来说，如果用功率电平档测得电平为40dBm，则换算为电压电平为40-9＝31dBu，
注意9dB的计算关系的前提是特性阻抗为标准的75Ω。
但实际测试时，会有这种现象，例如功率电平档测得电平为40dBm，而改用电压电平档测得电平并不是31dBu，而有可能是32或29dBu。
这种现象可能是因为被测点的特性阻抗不是标准的75Ω
附表4：
被测点不同特性阻抗下，电压电平与功率电平的换算关系
特性阻抗Ω
600
400
150
100
75
功率电平dBu
0
0
0
0
0
电压电平dBm
0
-1.76
-6
-7.78
-9
附表4的应用举例：
在结合滤波器的上下端测收信电平（如图6的A，B点）：
图6：
在结合滤波器的上下端测收信电平
假定用功率电平档测得：
VA＝15dBm，VB＝13dBm，
如果用电压电平档测，则相差就很大：
VA约为15-1.76≈13dBu，而VB约为13-9≈4dBu。
A，B点换算关系不一样，因为在A点的特性阻抗约为400Ω，而在B的特性阻抗是75Ω。
3.2、高频收发信机的收信回路
高频收发信机是采用超外差式接收的，也就是说发射信号的电路和接受信号的电路不使用同一个频率。
超外差式接收电路中有一个振荡器叫本机振荡器，它产生的高频电磁波（f2）与所接收的高频信号（f1）混合后产生差频（f1-f2），这个差频就是中频，接收电路通过滤波器将此中频信号取出并进行处理。
收信回路原理框图见图7。
图7：
收信回路原理框图
关于混频：
两个不同频率的信号，例如频率f1和频率f2的两个信号，通过非线性元件混合后，会出现4个频率：
f1+f2，f1-f2，f1，f2。
我厂各型号高频收发信机采用的本机振荡频率（f2）分别如下：
LFX912型——f2＝1MHZ-f1，差频f1-f2（中频）为1MHZ（本振频率很高，抗干扰能力较强）
SF600型——f2＝f1+12KHZ，差频f1-f2（中频）为12KHZ
GSF6A型——f2＝f1+12KHZ，差频f1-f2（中频）为12KHZ
PSF631型——f2＝f1+1MHZ，差频f1-f2（中频）为1MHZ（本振频率很高，抗干扰能力较强）
3.2.1、收信回路的“时分门控”接收方式：
无论是在保护启动发信期间，还是在通道试验交换信号期间，在通道中都会同时出现两侧发出的高频信号，如果此两侧信号同时进入收信回路，会产生差拍现象，引起信号失真。
我厂各型号收发信机的收信回路都采用了时分门控接收方式：
当本侧启动发信时，只接收本侧信号，此时从发信回路的功率放大器输入端之前取得本侧发出的高频信号。
当本侧停止发信时，才能接收对侧信号，此时从发信回路功率放大器输出端与电缆入口之间取得通道高频信号。
3.2.2、收信电平的测量值
对侧发出的高频信号，经过高频信号传输通道（高频电缆、结合滤波器、阻波器、耦合电容器、输电线路）后，到达本侧时，信号要衰减。
以我厂为例，对侧发信电平都是30dB左右，但到本侧收发信机入口时，测量得到的收信电平（电压电平）都要远小于30dB。
我厂各高频保护实测收信电平值见附表5。
附表5：
我厂各高频保护实测收信电平值（线路送电后）
万虎I线
万虎II线
万文I线
万文II线
万燕线
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