简易高频通道故障检测工具的研制

谈艺

摘 要：该文分析了常规高频通道故障检测方法的弊端，针对高频保护通道断线故障常规查找方法的不足，该文提出了一种新型检测工具的设计方案，该检测工具充分利用了电力电子元件的特性，结合高频通道传输电路特性，设计出了一个高灵敏度的检测电路，同时对检测工具的外观进行了创造性的设计，通过一系列科学严谨的论证以及实测试验，验证了该工具具有检测精准、操作便捷、安全且能快速定位故障的特点，有利于提高该类工作的效率，十分值得同业人员借鉴应用。

关键词：高频通道 检测工具 研制 故障

中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0067-02

高频保护是一种基于高频载波通信的输电线路保护，高频通道被喻为高频保护的“生命线”。由于高频通道构成元件多且元件大多布置在室外，运行环境恶劣，易引发各类故障。其中以断线的危害最大，其故障定位也最为复杂和耗时，如何提升效率是一个值得探讨的问题。

1 常规故障定位方法及其分析

常规的故障定位方法又称选频表测试法，由测试人员使用选频表在高频通道各元件输入端、输出端测量高频信号，根据所测电平值与标准值进行比较，判断故障位置。该方法原理简单，但效率不高，主要受三点因素的制约：

（1）受场地电源布置影响。尤其在室外场地进行测试时，必须找到合适的电源配电箱，并铺设临时线到测试地点，繁琐耗时；（2）测试设备操作复杂。选频电压表使用前需要进行参数设置、校准，对测试人员要求高；（3）为保证测试人员的人身安全，室外检测工作一般需要输电线路停电配合，等待停电时间长。

2 高频通道信号传输特点分析

高频通道主要由高频阻波器、结合电容器、连接滤波器、高频电缆、高频收（发）信机等元器件组成，高频信号自一端的高频发信机发出，沿通道到达对侧的高频收信机，构成一个完整的高频电流回路。

其等效电路图如图1所示。

（1）通道正常情况下，A点有电压降；（2）A点与高频信号源之间断线故障，传输阻抗R1视作无穷大，A点无电压降。

由此可得结论：通过定性测量高频通道回路上某一点电压量的有无，即可确定被测试点之前回路的完好性，迅速定位故障点。万用表只能测量工频电气量，不能用于高频通道断线故障定位测试，因此必须借用辅助测量手段实现这一目标。

3 辅助测量工具设计及分析

3.1 电路设计原理

辅助测量工具电路图设计如图2所示，该电路由分压回路、检定回路两部分组成，其中：分压回路由R0、R1组成，检定回路由R2、R3、T、D、E、K组成。电路工作原理：测试端与有信号传输的高频通道接触，电压被引入分压回路，在R1产生的电压与三极管T的导通门槛电压形成比较，当R1电压大于门槛值时，三极管T导通，指示回路的发光二极管D在直流电池E的驱动下发光；反之，当通道断线，则测试端无电压，发光二极管D不亮。根据发光二极管D的亮和灭即可判断通道是否断线。

3.2 电路结构分析

分压回路采用多只电阻串联方式，高电压经多只电阻分压后使得靠近测试人员一端的电压较低，保证了电路及人身安全。测试按钮K用以对检定回路及其元器件的完好性进行检查，使仪器具有自检功能。电源使用纽扣接线的叠层电池（标准电压9V），电极接线柱不外露，可防止电池短路，保证电池的使用安全。工具外观设计及其安全性分析：

（1）外观采用棒状设计，分压回路分布在检测棒内，检定回路集中在靠近手柄的盒子内。检测棒的尖端为金属探头，用来与高频通道接触，手柄前端引出接地线。该外观设计单手操作即可完成测试。

（2）棒状设计的安全性分析

对测试人员的安全性：接地线可使测试人员在高频通道因接触不良或遭雷击等意外情况下，避免遭电击的危险。安全距离：通道突然产生的高压可达2万V，《电业安全生产规定》（国标）要求：1万V以上、6.6万伏以下电压的安全距离为1m。因此点测试棒手柄上沿至探头的长度应至少设计为1m；测试棒绝缘等级：绝缘等级应大于通道突然产生的高压（2万V），并留裕度，因此其绝缘等级应大于3.5万V。

3.3 电气元件参数选定计算分析

3.3.1 电阻R0、R1参数

高频信号传输系统的等效参数及电路分析，如图3所示。

（1）测试仪内阻Rm取兆欧级别的阻值（1MΩ），对通道阻抗特性影响最小，此时A点电压偏差小于0.04%。

（2）R1、R0数量及阻值、功率参数计算。见图3，为保证三极管可靠导通且能躲开干扰信号，R1两端电压应大于0.7V，这里取1.5倍（躲避干扰经验值）：

UR1≥1.5×0.7=1.05V

因此可知：

R1/（R1+R0）≥1.05/2.45=0.429

从而R1：R0≥3：4，为便于分析，暂取R1：R0=3：4

又因为R1+R0=Rm，所以Rm=1.75R0

为使主回路能承受特然高电压（此处考虑4万v）的窜入，电阻功率的设计必须严格依据如下关系式：

W总≥Ut2/Rm （W总表示主回路总功率）

即W总*Rm≥Ut2=16*108

其中：W总*Rm可由多只同规格电阻的功率与阻值的乘积（W×R）构成，故所选电阻其单只的功率阻值乘积需满足关系：

n×W×R≥16*108

该研究者选择规格10W×40mΩ的电阻，共4只，考虑到电阻R1、R0可能承受高压，因此宜选取了具有防火、防爆功能的大功率水泥电阻，取R1=R0=80mΩ。

3.3.2 电阻R2参数

由IbT≤（UR0-Ube）/R2≤IbM关系式确定。其中：IbT为三极管放大电流达饱和值时基极的最小电流值，IbM为三极管基极允许最大电流。endprint

三极管IbT值一般大于200?A，IbM值一般大于10mA，可计算：

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 电阻R3参数

放大回路中的发光二极管其标准最大允许通过电流IvdM值不超过20mA，此处取20mA计算：

IvdM≥UE/R3可知R3≥UE/IvdM =9/0.02=450Ω

3.3.4 三极管T参数

三极管的参数选取应满足表1的要求。

3.3.5 发光二极管参数

发光二极管的最大允许电流一般为20mA。因此其参数定为IvdM≤20mA。

3.4 电路工作性能测试

3.4.1 搭建测试系统

为验证辅助工具是否可用，该研究者搭建了一高频传输模拟系统如下图4所示，并设计了下面几个情况，供验证新工具所用。

3.4.2 模拟测试

为验证电路的性能，该研究者设计了四种情景模拟情况：

（1）情况一：通道正常情况下（K1合，K2分），高频电平值高于标准要求的下限值（19dB）；（2）情况二：通道正常情况下（K1合，K2分），高频电平值达不到标准要求的下限值；（3）情况三：通道短路情况下（K1合，K2合），高频电平值高于标准要求的下限值（19dB）；（4）情况四：通道断开情况下（K1分），高频电平值高于标准要求的下限值（19dB）。

根据设定的情况分别进行测试并记录，测试数据如表2所示。

3.4.3 测试结果分析评估

通过对试验结果的分析，可得出如下结论：（1）由情况一可知，仪器不损耗高频信号，对传输系统无影响；（2）对比情况一、二的结果可知，测量工具只对系统的有效信号有反应，能避开系统干扰信号，检测灵敏度高；（3）情况三、四结果表明，通道在短路或断线情况下，仪器不指示，能准确反应出被测点无高频信号。试验结论：辅助测量工具的核心电路设计是准确、可靠的。

4 成果实际应用

该研究者曾实际运用该检测工具对某220kV线路高频通道断线故障进行检查，新工具成功地找到了故障元件，耗时仅为25分钟。有效地降低了断线故障定位时间，为故障处理赢得了时间。该方法简易便捷，极具现场实践参考价值。

参考文献

[1] 高频保护专用收发信机（JB/T9571-1999）[S].全国量度继电器和保护设备标准化技术委员会，1999.

[2] 贺家李.电力系统继电保护原理（第四版）[M].中国电力出版社，2010.

[3] 宋昌才.电力电子器件及其应用[M].化学工业出版社，2010.

[4] 电力安全工作规程（发电厂和变电站电气部分）[S].中华人民共和国质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会，2012.endprint