载波保护信号在电力线路上的传播.doc

载波保护信号在电力线路上的传播南京工程学院 施育华一、概述据广西电力调度通信中心报导，2008年3月3日，220kv河池变到永丰变线路（简称河丰线），由于山林火灾造成c相接地，故障点距河池变5.8km，距永丰变26.7km。载波保护通道组织图如图1所示。河池变 5.8km | 26.7km 永丰变图1 220kv河丰线路复用保护载波通道组织图故障时，两条etl505电力载波保护机构均未能正确接收对方跳闸命令，从而造成系统事故。采用模分量理论对该电路耦合方式下信号的传播状况，可作如下的分析。该电路可用图2来等效。图2 永丰线的等效电路用已知相量求模量的矩阵式求发送端的模量令模系数为 则有发送端的模分量为：发送端的模分量分布为：可见，接收端只有模1和模2分量，没有模0分量，即从数值上看，接收端的信号模1分量较大，模2分量较小。从相对相移上看，32.5km线路上不会发生180的差值，所以接收端以模1分量为主，也不会发生模分量抵消现象。进一步分析可知，耦合方式是相相耦合方式最佳的耦合方式之一。综上所述，信号在电力线路上传播是不会发生异常现象的。经多次对载波保护机和通道分别进行测试，得知保护装置和载波机均没有故障，当两端加入的衰减器时，载波机过载现象就消失的情况看，在载波机和通道部件间，通道部件和电力线路间的阻抗上存在着严重的失配状况。由于阻抗存在多处失配，必然会造成载波发信机过载和载波信号在线路上传播时出现严重的反射现象。发信机过载就使其发信电平严重下降；反射现象的存在就会出现入射波和反射波相抵消的情况，严重时会出现驻波现象。从而使得全通道无法正常传输载波保护信号，造成系统故障。为此，下面要介绍阻抗失配的概念、测量方法、有关规定；载波信号在电力线路上的传播；电力线路的输入阻抗及载波保护通道的特性测试。二、阻抗失配图3 阻抗匹配在有线通信领域内，为了要获得最佳输出波形和最大的接收功率，就要使负载阻抗和信号源内阻完全匹配，如图3中的。然而，载波通信领域中或其他通信领域中，信号不是单一频率，而是一个较宽的频带，要使得全频段都能做到阻抗匹配，那就比登天还难。这就是说，在信号频带范围的阻抗失配是必然的。但是，为了信号的最佳传输，就一定要规定一个失配的数值范围。为了确切地说明信号源、部件、负载三者间的能量传播关系，通常用工作衰减、回波衰减来衡量。工作衰减的定义是：将一个与信号源内阻相等的负载阻抗直接接在信号源输出端时所获得的视在功率，与经过被测网络后在实际负载上所获得的视在功率之比（见图4）的对数的10倍，常用表示工作衰减，即 （1）用功率电平表示为 （2）由（1）式可见，工作衰减说明了信号源被利用的程度，它既包含了网络本身衰减（固有衰减）的因素，又反映了网络、信号源、负载阻抗三者间的阻抗关系，很接近实际工作时的衰减特性。因此，测量双口网络的衰减特性时，常常测量它的工作衰减。在实际工作中，常用电平表法来测量工作衰减，如图4所示（a） （b）图4 双口网络工作衰减的测量测量时，首先按图4(a)测出时z上的电平，而后按图4(b)测出。这里电平表全应打在高阻抗挡位。在任意两个双口网络（包括信号源与双口网络与线路）的链接点。如果阻抗不匹配，能量不能被负载完全吸收，部分能量反射回电源，这种反射的状况通常用回波系数和回波损耗来表示。图5(a)中，aa端两侧的阻抗分别为和，该处的等效电路如图5(b)所示。（a） （b）图5 两只双口网络的链接电路当，即阻抗匹配时，aa点间的传输电压为： （3）当，即阻抗失配时，aa点间的电压为： （4）将式(3)和式(4)相减，便是由阻抗失配引起的反射电压u令 为回波系数即 （5）为测量方便，常将的倒数取对数称为回波损耗，即 （6）由式(5)(6)可见，当时，阻抗匹配；当，阻抗严重失配。当载波信号在通信线路或电力线路以电磁波的形态传播时，由于终端负载阻抗和线路特性阻抗失配时，同样会产生能量反射现象，线路上就会出现反射回始端的反射波。常用的回波损耗测试电路，如图6所示。图6 回波损耗测试电路图6是一个等臂电桥电路。k合上时当被测双口网络的输出阻抗和平衡电阻r相等时，电桥平衡a、c两点同电位，电平表g指示。当时，电桥不平衡，a、c两点间就有电位差，电平表指示明显。为了保证测量的准确性，三只平衡电阻的平衡度应大于60db；信号源内阻应放在“0”档位上，以使电桥输入端的电压为恒定值；g是高阻抗平衡式的电平表；k是单刀双掷开关。同时，信号源和网络的接地端应良好地接地。下面用数学关系来证明该电路测量的正确性。由图6可知，式中 为基础电压。而 所以 （7）由此可见，回波损耗就等于和电平之差，它等于回波系数倒数的对数。至此回波损耗测量方法的正确性得到证明。为了使用和测量换算方便，现列表1说明和两者的关系表1 和的换算关系表(%)1 3 5 10 12 14 20 25 30(db)40 30.5 26 20 18.4 17 14 12 10.5现今规定，结合滤波器的最小回波损耗为12db，相应的回波系数已达到25%，这个数值不是随意定的，它是根据国内各生产厂家的技术水平和载波通道衰减允许值以及载波信号传播的质量三种因素综合考虑后确定下来的。这就是说，目前该指标国内结合滤波器各生产厂家均能达到，在滤波通道中引起的传输衰减也不很大，经它传播的信号质量能满足载波通信、载波保护的技术要求。为测试方便，回波损耗桥（如yx3661）已广泛用于现场载波保护通道测试回波损耗指标之中，其接线图如图7所示。测试步骤为：将振荡器内阻调为0，不平衡输出状态，将电平表调高阻抗和平衡状态； 将载波电缆从处断开，调振荡器输出使电平表指示0db； 将载波电缆接入，读电平表指示值并记录下来。 因为，所以将读数变为正值，即为回波衰减值。图7 载波保护通道回波损耗测试电路测出的回波损耗值在有效传输频带内，均应大于12db。如果小于12db，有的甚至小于6db时，就应该对以下几方面进行检查：查耦合电容器的容量是否和结合滤波器相配套；查载波电缆的接线是否良好，其芯线和结合滤波器连接点是否连接好，其外层丝网是否接地；查高频差接网络特性是否良好；查各接地点是否接好；查结合滤波器线路侧的抽头阻抗是否符合匹配要求；查结合滤波器旁的接地刀闸是否拉开。三、电磁波在无限长电力线上的传播（一）等效电路电力线路和架空明线虽然用途不同，前者主要用于电力电流的传输，后者主要用于载波信号的传播。但是，电力线路经通信改造后也能用于载波信号的传输时，其有关的载波特性就极其相近了。例如，在载波信号作用下，它们均表现出由r、l、c、g四种分布参数表征的等效电路，分别如图8(a)、(b)所示。 单相导线小段的有效分布电阻； 单相导线小段的分布电感； 两导线小段间的线间分布电容；m 导线小段间的分别互感；（a） 电力线路的载波等效电路（b） 明线的载波等效电路图8中所示的等效电路是无数个相同的单位小段等效电路链接起来的一部分。图8(a)中的分布参数分别是： 地线小段的有效分布电阻； 导线小段对地线的分布电容。图8(b)中的分布参数分别是： 单导线小段的有效分布电阻； 单导线小段的分布电感； 两导线小段间的线间分布电容； 两导线小段间的线间分布电导。由图8可见，(a)(b)两图是十分相似的，所不同的是电力线等效电路中多了一条地线等效线。这是因为电力线路中导线间距和导线对地距离十分接近达到可以比拟的程度，所以大地对信号传播的影响必须考虑；而明线线路中，两导线的间距很小，导线对地距离却很大，所以大地对信号传播的影响完全可以忽略。正因为如此，我们对电力线在传播载波信号时的特性分析包括电磁波的建立和能量分布、电磁波的传播速度、电磁波的传播方程式、电磁波在有限长线上的传播特性等，均可借用明线上传播载波信号时的特性分析，这样既清晰又方便。诚然，这是概念上的分析，至于其实际的特性参数还是要根据电力线路的分布参数来确定，不能照搬照用明线线路的数据。（二）电磁波的建立为简单起见，设明线为一均匀线且为无损耗线，即r=0，g=0，在线路的始端接上一直流电源e，如图9所示。图9 电磁波的建立 （图中箭头表示电荷移动的方向）当直流电压u接通均匀线的瞬间，aa处就有电荷，上正下负，对第一只电容充电，经过时间t后，上电压为u时，电荷就往bb处移动，对充电，又经t后上电压为u时，电荷就往cc处移动，对充电，这样电荷一直往后移动，直到线路终点为止。这时，电容、上均充满了电荷，在两导线间就形成了电场；同时，由于电荷在移动过程中在导线上形成电流，所以导线的周围就建立起了磁场。这就是导线在接入电源后电磁场建立的简要过程。由于电容充电和电荷的移动，都需要一定的时间，所以，电磁场形成或传播是有一定速度的。这种以一定速度沿线传播的电磁场就称为电磁波。电磁波可用两种波来表示。一种是电压波表示电场沿线传播，另一种是电流波表示磁场沿线传播。由直流电源接入线路所建立起来的电磁场是不随时间和地点而变化的恒定电磁场。假如将交流电源接入线路时，可以想象到线路上建立起来的一定时随时间和地点而变化的交变电磁场。（三）电磁波的能量分布电磁场是有能量的，其单位长度上的电磁场能量和磁场能量分别为因而，电磁波的传播过程也就是电磁能量的传播过程。下面来证明两者之间的关系。电源供给的能量为： 公里长线路上的电磁场能量分别为：因为线路上的电磁能量由电源供给，所以即 （8）式中 为电磁波的传播速度设单位公里线路电容c充电到电压u时，需要的电量q=cu，电源供给的公里线路上的总电荷，则 （9）将式（9）代入式（8）便得 （10）由式（10）可见，无限长均匀线上，电磁波沿线各点的电场能量等于磁场能量。而且，试验证明一旦电场能量减小，磁场能量就增大；反之亦然。当线路某处短路时，电场能量就减小为零，磁场能量就等于电源能量。反之，当线路某处开路时，磁场能量就为零，电源能量就转化为电场能量。（四）电磁波的传播速度和波长电磁能的传播速度就是电磁波的传播速度。由式（9）（10）可得电磁波的传播速度为 （11）式中l、c分别是线路单位长度上的分布电感和分布电容。例1 设无损耗在f=50khz时的c=0.006f/km，l=1.8mh/km，求电磁波的传播速度解 可见，电磁波沿无损耗线传播的速度略小于光速例2 求110kv电力线路上传f=100khz时信号的传播速度。已知110kv线路的对地平均高度h=8.383m，导线直径d=15.2mm。解： 则 可见，电磁波在电力线路上的传播速度和光速几乎一样快。电磁波在一个周期内传播的距离为一个波长，相应的相位变化为2(rad),其每公里的相移设为(rad)，则一个周期的相移为=2。由于波速为单位时间t内所传播的距离，即有 （11）式中 是电磁波的角频率（角速度）。，表示周期与频率的关系为例数关系。由上可求得电磁波的波长与波速、频率的关系为： （12）例3 已知信号频率f=100khz，求其波长。解： 因 则例4 求信号频率f=400khz的波长解： 因 则例5 求信号频率f=50hz的波长解： 因 则由例3、4可见，在载波保护频段内，信号波长较短。所以，若将所谓的“电力短线路”50km以下线路和该波长相比，有10倍甚至几十倍之多，线路还是较长的，不会在50km以下的线路上出现“驻波”现象或短路现象。驻波现象或短路现象一般分别出现在电力分支线上和电力分支线入口处。假如，分支线终端又接阻波器，其高阻抗反射回分支线入口处为低阻抗，此时便出现驻波和短路现象。（五）均匀线的波阻抗和传播常数（二次参数）根据图8(b)明线载波等效电路可求得（用双口网络的a参数方法）其线路上任何一点电压和电流比值线路的波阻抗和传播常数为： （13） （14）若将式（13）中的 则有 （15）由式（15）可见，当=0时，有 (16) 当=时，有 （17）由于 所以均匀线的波阻抗有如图10所示的幅度和相位的频率特性曲线。图10 均匀线波阻抗的幅度和相位的频率特性曲线同样，式（14）均匀线传播常数的两个分量衰减常数可得：衰减常数 相移常数 当较高时有 （18）当较低时有 （19）将式（18）（19）画出相应的频率特性曲线就如图11所示。图11 均匀线的传播常数频率特性曲线（六）电磁波在有线长均匀线上的传播前面的讨论，为了方便，假定线路为无限长，实际上线路是有限长的。那么在有限长线路上电磁波的传播将会发生怎样的变化？当有限长线路终端接上和线路特性阻抗相等的负载时，不言而喻，其传播特性应和无限长线路的特性一样，因为负载把线路传播来的能量全部吸收了，没有任何反射现象，这正像光线照到黑墙上被完全吸收一样。线路上传输的就是单一的由始端向终端传播的常称为“行波”的电磁波。行波如图12所示。图12 行波波形然而，当时，电磁波在线路上的传播将会发生什么变化？结论是会发生全反射，这正像光线照到镜子上被全部反射回来一样。设线路长为，正好等于某一信号的波长，且线路终端开始即。信号电压从始端向终端传输时，每隔相位就落后45，经过一个波长的传播，终端相位就和始端相同。因终端开路不能吸收能量，电磁能量全部转为电场能量，这时终端电压倍增，即反射电压和入射电压相同叠加起来。反射电压同样以每隔长度就落后45的规律向始端传播，这样线路上各点的电压就是入射电压和反射电压的矢量和，此时全线的合成电压波如图13(a)(b)所示。根据同样的方法，此时，该线路上的电流合成波就如图13(c)(d)所示。由图13可见合成电压波和电流波有以下几个特点：具有波腹和波节，相邻波节的距离为，波节和相邻波腹的间距为；输入阻抗为电抗性，其数值和性质随线路长度和信号频率而变化开路线终端电压为入射电压的2倍，而电流则为零；线路上任一点的瞬时功率为 （20）显然，式（20）的时间平均值为零，即该类线路不能传播能量，所以，该线路上的电压波、电流波均称为“驻波”。当时，线路上传播到负载上的能量将被吸收少部分或大部分之后，其余的能量将沿线路反射回始端。这样在线路上就既有行波又有驻波。两者的比例与阻抗失配的程度有关，失配越严重，驻波比例就越大。为了准确地说明线路上既有行波又有驻波的状态，就必须用数学式来计算。该线路上的合成电压u和合成电流i分别用入射电压和反射电压、入射电流和反射电流来表示，即为 （21）设 （22）常称为反射系数。因为 （23） 所以 （24）将式（22）、（24）联立便可求得 （25）将式（25）代入（21）可得 （26）（七）均匀线的输入阻抗设线路上任一点的电压、电流为，则两者之比称为线路的输入阻抗。即 （27）由于在阻抗失配的条件下，线路各点的电压和电流之比是波动的，因而，相应的输入阻抗也应该是被动的。经推导可得此时输入阻抗的表达式为 （28）当 （29）可见，负载阻抗和线路特性阻抗相等时，线路的输入阻抗就等于其特性阻抗。当 （30）当 （31）由式（27）、（29）、（30）可见，此时线路的输入阻抗将随线路长度、信号频率和负载阻抗的变化而变化，图14和图15分别表示的关系和的关系。线路输入阻抗的波动不但造成信号电平的波动，而且会引起信号相位的畸变，以致传播信号质量的下降。为此，要求各类通信电路均有匹配的负载阻抗，以确保线路的输入阻抗等于或接近于线路的特性阻抗。四、电力线载波保护通道特性的测试为了载波保护信号的传播质量，不论是载波通道的设计，安装和维护，都必须掌握电力线路的载波特性，而进行载波通道特性的测试，就显得特别重要。为了评价载波通道的水平，就必须确定其相关的质量指标。下面先介绍载波保护通道的质量指标，而后介绍电力线载波保护通道主要质量指标的测试方法，包括载波保护通道工作衰减、电力线路的输入阻抗、变电站的输入阻抗、传输频带内的噪声电平等。（一）载波保护通道的质量指标1、收信机灵敏启动电平2、收信电平3、噪声电平最大值4、通道允许的最大传输衰减，考虑到两侧均有的终端衰减，则线路本身的最大允许传输衰减为。5、通道中部件间、部件和线路间阻抗失配时，其回波损耗应不小于，即回波系数应小于25%。（二）变电站输入阻抗的测量图16为变电站输入阻抗的测量电路。图16 变电站输入阻抗测试电路图中 ：线路阻波器，接在线路侧，防止信号向线路方向传播；：信号源，；：耦合电容器，用原有耦合电容器；：与容量相同的等值电容器（用耐高压电容器）；：由原边和两等值副边的高频变量器；：高频扼流圈，对i频呈低阻抗，以保护g；：平衡指示器；：分别为平衡电阻、平衡电容和平衡电感；：接地刀闸（接线时合上，测试时拉开）；：避雷器。图16的测试电路是一只阻抗电桥电路，电桥平衡时，分别与变电站侧的等效电阻、等效电容、等效电感相等。根据的数据和信号源的频率就可求出变电站的输入阻抗。通过以往的测试知道变电站内的各种电气设备包括电力变压器、油开关、隔离开关、各种互感器，在载波频段内均呈容性，而且电压等级越高，容性分量越大。此项测试数据对分析变电站对载波保护信号的部分影响、线路阻波器的设计有一定的作用。此项测试具有一定的高压危险性，接线和操作一定要注意安全。接线和测试步骤为：将接地刀闸k合上；断开原有的结合滤波器；接入图16中的所有测试元件于q点；开启信号源和指示器电源，调整测试频率；调整使电桥平衡