簡易高頻通道故障檢測工具的研制

談藝

摘 要：該文分析了常規高頻通道故障檢測方法的弊端，針對高頻保護通道斷線故障常規查找方法的不足，該文提出了一種新型檢測工具的設計方案，該檢測工具充分利用了電力電子元件的特性，結合高頻通道傳輸電路特性，設計出了一個高靈敏度的檢測電路，同時對檢測工具的外觀進行了創造性的設計，通過一系列科學嚴謹的論證以及實測試驗，驗證了該工具具有檢測精準、操作便捷、安全且能快速定位故障的特點，有利于提高該類工作的效率，十分值得同業人員借鑒應用。

關鍵詞：高頻通道 檢測工具 研制 故障

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0067-02

高頻保護是一種基于高頻載波通信的輸電線路保護，高頻通道被喻為高頻保護的“生命線”。由于高頻通道構成元件多且元件大多布置在室外，運行環境惡劣，易引發各類故障。其中以斷線的危害最大，其故障定位也最為復雜和耗時，如何提升效率是一個值得探討的問題。

1 常規故障定位方法及其分析

常規的故障定位方法又稱選頻表測試法，由測試人員使用選頻表在高頻通道各元件輸入端、輸出端測量高頻信號，根據所測電平值與標準值進行比較，判斷故障位置。該方法原理簡單，但效率不高，主要受三點因素的制約：

（1）受場地電源布置影響。尤其在室外場地進行測試時，必須找到合適的電源配電箱，并鋪設臨時線到測試地點，繁瑣耗時；（2）測試設備操作復雜。選頻電壓表使用前需要進行參數設置、校準，對測試人員要求高；（3）為保證測試人員的人身安全，室外檢測工作一般需要輸電線路停電配合，等待停電時間長。

2 高頻通道信號傳輸特點分析

高頻通道主要由高頻阻波器、結合電容器、連接濾波器、高頻電纜、高頻收（發）信機等元器件組成，高頻信號自一端的高頻發信機發出，沿通道到達對側的高頻收信機，構成一個完整的高頻電流回路。

其等效電路圖如圖1所示。

（1）通道正常情況下，A點有電壓降；（2）A點與高頻信號源之間斷線故障，傳輸阻抗R1視作無窮大，A點無電壓降。

由此可得結論：通過定性測量高頻通道回路上某一點電壓量的有無，即可確定被測試點之前回路的完好性，迅速定位故障點。萬用表只能測量工頻電氣量，不能用于高頻通道斷線故障定位測試，因此必須借用輔助測量手段實現這一目標。

3 輔助測量工具設計及分析

3.1 電路設計原理

輔助測量工具電路圖設計如圖2所示，該電路由分壓回路、檢定回路兩部分組成，其中：分壓回路由R0、R1組成，檢定回路由R2、R3、T、D、E、K組成。電路工作原理：測試端與有信號傳輸的高頻通道接觸，電壓被引入分壓回路，在R1產生的電壓與三極管T的導通門檻電壓形成比較，當R1電壓大于門檻值時，三極管T導通，指示回路的發光二極管D在直流電池E的驅動下發光；反之，當通道斷線，則測試端無電壓，發光二極管D不亮。根據發光二極管D的亮和滅即可判斷通道是否斷線。

3.2 電路結構分析

分壓回路采用多只電阻串聯方式，高電壓經多只電阻分壓后使得靠近測試人員一端的電壓較低，保證了電路及人身安全。測試按鈕K用以對檢定回路及其元器件的完好性進行檢查，使儀器具有自檢功能。電源使用紐扣接線的疊層電池（標準電壓9V），電極接線柱不外露，可防止電池短路，保證電池的使用安全。工具外觀設計及其安全性分析：

（1）外觀采用棒狀設計，分壓回路分布在檢測棒內，檢定回路集中在靠近手柄的盒子內。檢測棒的尖端為金屬探頭，用來與高頻通道接觸，手柄前端引出接地線。該外觀設計單手操作即可完成測試。

（2）棒狀設計的安全性分析

對測試人員的安全性：接地線可使測試人員在高頻通道因接觸不良或遭雷擊等意外情況下，避免遭電擊的危險。安全距離：通道突然產生的高壓可達2萬V，《電業安全生產規定》（國標）要求：1萬V以上、6.6萬伏以下電壓的安全距離為1m。因此點測試棒手柄上沿至探頭的長度應至少設計為1m；測試棒絕緣等級：絕緣等級應大于通道突然產生的高壓（2萬V），并留裕度，因此其絕緣等級應大于3.5萬V。

3.3 電氣元件參數選定計算分析

3.3.1 電阻R0、R1參數

高頻信號傳輸系統的等效參數及電路分析，如圖3所示。

（1）測試儀內阻Rm取兆歐級別的阻值（1MΩ），對通道阻抗特性影響最小，此時A點電壓偏差小于0.04%。

（2）R1、R0數量及阻值、功率參數計算。見圖3，為保證三極管可靠導通且能躲開干擾信號，R1兩端電壓應大于0.7V，這里取1.5倍（躲避干擾經驗值）：

UR1≥1.5×0.7=1.05V

因此可知：

R1/（R1+R0）≥1.05/2.45=0.429

從而R1：R0≥3：4，為便于分析，暫取R1：R0=3：4

又因為R1+R0=Rm，所以Rm=1.75R0

為使主回路能承受特然高電壓（此處考慮4萬v）的竄入，電阻功率的設計必須嚴格依據如下關系式：

W總≥Ut2/Rm （W總表示主回路總功率）

即W總*Rm≥Ut2=16*108

其中：W總*Rm可由多只同規格電阻的功率與阻值的乘積（W×R）構成，故所選電阻其單只的功率阻值乘積需滿足關系：

n×W×R≥16*108

該研究者選擇規格10W×40mΩ的電阻，共4只，考慮到電阻R1、R0可能承受高壓，因此宜選取了具有防火、防爆功能的大功率水泥電阻，取R1=R0=80mΩ。

3.3.2 電阻R2參數

由IbT≤（UR0-Ube）/R2≤IbM關系式確定。其中：IbT為三極管放大電流達飽和值時基極的最小電流值，IbM為三極管基極允許最大電流。endprint

三極管IbT值一般大于200?A，IbM值一般大于10mA，可計算：

R2≤（UR0-Ube）/IbT=（1.05-0.7）/0.0002=1750Ω

R2≥（UR0-Ube）/IbM=（1.05-0.7）/0.01=35Ω

3.3.3 電阻R3參數

放大回路中的發光二極管其標準最大允許通過電流IvdM值不超過20mA，此處取20mA計算：

IvdM≥UE/R3可知R3≥UE/IvdM =9/0.02=450Ω

3.3.4 三極管T參數

三極管的參數選取應滿足表1的要求。

3.3.5 發光二極管參數

發光二極管的最大允許電流一般為20mA。因此其參數定為IvdM≤20mA。

3.4 電路工作性能測試

3.4.1 搭建測試系統

為驗證輔助工具是否可用，該研究者搭建了一高頻傳輸模擬系統如下圖4所示，并設計了下面幾個情況，供驗證新工具所用。

3.4.2 模擬測試

為驗證電路的性能，該研究者設計了四種情景模擬情況：

（1）情況一：通道正常情況下（K1合，K2分），高頻電平值高于標準要求的下限值（19dB）；（2）情況二：通道正常情況下（K1合，K2分），高頻電平值達不到標準要求的下限值；（3）情況三：通道短路情況下（K1合，K2合），高頻電平值高于標準要求的下限值（19dB）；（4）情況四：通道斷開情況下（K1分），高頻電平值高于標準要求的下限值（19dB）。

根據設定的情況分別進行測試并記錄，測試數據如表2所示。

3.4.3 測試結果分析評估

通過對試驗結果的分析，可得出如下結論：（1）由情況一可知，儀器不損耗高頻信號，對傳輸系統無影響；（2）對比情況一、二的結果可知，測量工具只對系統的有效信號有反應，能避開系統干擾信號，檢測靈敏度高；（3）情況三、四結果表明，通道在短路或斷線情況下，儀器不指示，能準確反應出被測點無高頻信號。試驗結論：輔助測量工具的核心電路設計是準確、可靠的。

4 成果實際應用

該研究者曾實際運用該檢測工具對某220kV線路高頻通道斷線故障進行檢查，新工具成功地找到了故障元件，耗時僅為25分鐘。有效地降低了斷線故障定位時間，為故障處理贏得了時間。該方法簡易便捷，極具現場實踐參考價值。

參考文獻

[1] 高頻保護專用收發信機（JB/T9571-1999）[S].全國量度繼電器和保護設備標準化技術委員會，1999.

[2] 賀家李.電力系統繼電保護原理（第四版）[M].中國電力出版社，2010.

[3] 宋昌才.電力電子器件及其應用[M].化學工業出版社，2010.

[4] 電力安全工作規程（發電廠和變電站電氣部分）[S].中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局/中國國家標準化管理委員會，2012.endprint