应用于MOA三次谐波提取的带通滤波器设计

徐璐琪 崔 律 岳 克

（上海电力学院，上海 200090）

应用于MOA三次谐波提取的带通滤波器设计

徐璐琪 崔 律 岳 克

（上海电力学院，上海 200090）

本文介绍了目前常用的MOA阻性泄漏电流提取方法。根据DL/T 987—2005标准所推荐避雷器泄漏电流标准波形，设计了窄带通滤波器，实现MOA阻性三次谐波电流的提取。测量结果表明，该电路可实现对MOA泄漏电流的三次谐波滤波，误差接近1%满足工程需要，因此论文设计的滤波电路可用于MOA泄漏电流的提取技术中。

MOA；阻性电流；三次谐波电流；带通滤波电路

MOA主要用于限制由线路传来的雷电过电压或有操作引起的内部过电压，是保证电力系统安全运行的重要设备之一［1］。在MOA长期运行过程中，首先泄漏电流有功分量导致阀片发热老化，其次雷电过电压、操作过电压以及工频电压等长期作用在阀片，加以环境因素影响导致阀片受潮，从而造成MOA阀片劣化，阻性泄漏电流增大，反复作用下最终导致MOA损坏。

因此对运行中的 MOA阻性泄漏电流进行长期的在线监测，可以有效地防范 MOA绝缘损坏。而在线监测系统需要研究的核心问题是如何提高阻性泄漏电流分量的提取精度。提高精度可以从以下几点入手:①完善理论基点，减少理论瑕疵从根本上提高测量的准确性；②提取过程中避免使用参考信号，考虑到在线监测的实用性和现场情况，使用参考信号的方法并不适合；③提高提取电路硬件搭建的合理性和实用性。基于上述要求论文根据 DL/T 987—2005标准所提出的避雷器泄漏电流标准波形，论文采用带通滤波器提取三次谐波，将三次谐波作为判断 MOA运行状态的依据，对该带通滤波电路做出了详细分析以及精度验证。

1 主要阻性电流提取方法分析

目前在线监测技术中常用的阻性泄漏电流提取方法主要包括阻性电流三次谐波法、基波法、补偿法、三次谐波滤波法等。

三次谐波法又称零序电流法，由于 MOA阻性电流 IR与阻性电流三次谐波分量 IR3在数值上存在一定比例关系，因此可以通过检测金属氧化物避雷器三相总泄漏电流中阻性电流三次谐波分量 IR3来判断其总阻性电流 IR的变化［2］。通过 CT分别提取三相的全泄漏电流。由于基波电流每相之间相差120°，因此三相叠加后相互抵消，从而消除容性和阻性基波电流。而三相零序电流方向相同，因此能够提取出三相叠加后的零序电流Io即阻性电流的三次谐波分量。

三次谐波法应用的在线监测技术中简单，方便实现。相较于其他方法，三次谐波法不需依靠外加参考电压减少了工程上的麻烦。但在实际使用中三次谐波法存在两点问题，首先，该方法无法判断具体哪一项出现问题。其次当电网电压含有谐波分量时，会对测取的结果造成影响。

基波法利用 MOA在运行中，只有阻性基波电流做功的原理，不考虑电网谐波影响，将同步采集MOA上的电压信号和电流信号，分别进行 FFT可得基波电流、电压的幅值和相角，再通过基波电流投影到基波电压上从而提取阻性基波电流。该方法利用数学分析实现了阻性基波电流的测取，在硬件搭建上简单，硬件设备误差极小，但是由于忽略全泄漏电流中高次谐波分量和电网谐波分量，原理上存在的误差较大。

补偿法则是通过参考信号（一般为系统电压信号）经微分电路和全泄漏电流信号一起经过差分电路后提取阻性电流。例如日本早期使用的LCD-4型泄漏电流检测仪，根据阻性与容性泄漏电流的正交性原理，当自动调节参考电容达到平衡条件［3］。该方法提取阻性电流原理简单且完善，但是无法避免相间杂散电容引起的容性高次谐波带来的影响。而改进补偿法通过 FFT，得到电压、基波电流以及各次谐波的幅值和相角，再依次对容性各次谐波分量进行补偿，改进后的补偿法避免了相间杂散电容的影响，是目前常用的阻性电流提取手段。

三次谐波滤波法是IEC的有关文件推荐的有效测量方法之一［4］，以DL/T 987—2005标准提出的避雷器泄漏电流标准波形为依据，即

三次谐波分量是全电流中的第二大分量，同时又是直接与阀片阻性电流峰值大小相关联［5］，因此可以通过窄带通滤波电路将阻性三次谐波分量从基波分量中区分出来。阻性基波分量和三次谐波分量在数值上存在一定比例关系，虽然该比例受阀片本身以及阀片老化程度的影响，但是可以直接通过三次谐波分量做纵向比较作为判断 MOA运行状态的依据。文献［6］指出实际上国外有些电力公司就是直接测量 MOA泄漏电流中的三次波分量作为检测MOA的依据，例如菲律宾电网。该提取方法在硬件电路上加以完善，配合互感器提取防大部分、峰值检测、单片机A/D采样等电路可用于在线监测设备，不但具备普通三次谐波法的优点，而且能够准确判断故障相。论文为了验证该方法的精度，设计了适用于该方法的滤波电路，并在软件硬件上验证。

2 三次谐波滤波法电路设计

三次谐波滤波法提取阻性三次谐波分量需要设计一个带通窄、衰减速度快的有源滤波电路。论文采用多重负反馈带通滤波电路，该滤波电路具有极高的选择性和陡峭的过渡带［7］，适用于上限与下限频率相差不大的窄带宽滤波，原理如图1所示。

图1 二阶多重负反馈带通滤波电路

图1是一个二阶多重负反馈滤波电路的，传递函数为

六阶多重负反馈带通滤波电路传递函数为

该六阶电路是由三个二阶电路串联而成，因此两个电路的传递函数存在如下数学关系

式（3）由滤波中心频率、带宽确定，将（3）因式分解成式（2）的形式，便可确定电容电阻的数值，即每个二阶带通滤波电路的中心频率和带宽可以确定。为了达到预定的衰减速度，放芯片应选择GBW适当，电压漂移、电源电流低的双电源供电放大器，论文采用的是LMC6022，并依次搭建了三个不同中心频率带宽的二阶带通滤波电路，构成一个六阶多重负反馈带通滤波电路，中心频率为150Hz、带宽为60Hz。

为了测试利用该电路的幅频特性，论文使用标准信号发生器提供的标准正弦波作为信号源，首先依次各二阶电路进行测试，测试结果如图2所示。而各二阶电路依次串联后的六阶电路幅频特性如图3所示。该六阶电路的中心频率在150Hz附近，带宽52Hz、150Hz对应的增益为0.75左右，在带宽范围外能够迅速衰减符合设计要求，基波分量被有效地抑制，后续通过一个峰值检测电路便可以完整的采集到三次谐波分量的峰值。

图2 各二阶带通滤波电路幅频特性

图3 六阶带通滤波电路幅频特性

图3的试验结果基本符合电路的初始设计，为了验证该方法的精度，论文利用信号发生器根据式（1）选取了三组 IC、IR3做了滤波后横向比较，信号发生器叠加输出的波形如图4所示，测试结果见表1。结果表明实验结果的误差在0～2%之间，满足 DL/T 987—2005氧化锌避雷器阻性电流测量仪通用技术条件中提出的精确度标准。误差来源于在实际搭建中电阻、电容数值上带来的误差，可以通过选用精度更高的贴片电阻电容来减小误差。必须指出的是使用三次谐波滤波法，在现场使用中出现避雷器的全电流增大，而三次谐波电流变化不大。

图4 信号发生器输出波形

表1 实验结果

3 结论

论文根据 DL/T 987—2005氧化锌避雷器阻性电流测量仪通用技术条件提供的 MOA泄漏电流标准波形，通过带通滤波器提取出标准波形中的三次谐波分量。多重负反馈滤波电路是一种适用于窄带通滤波，增益可控，衰减速度快，相较于普通低通高通巴特沃斯滤波器更加适合应用于三次谐波滤波中。论文对该滤波电路设计原理加以分析，按照滤波的需要论文设计了六阶多重负反馈滤波电路，并验证了该电路的精度，测试结果表明该方法提取的阻性三次谐波分量误差在1%左右，满足工程需要。

［1］曾文慧.氧化锌避雷器绝缘在线监测原理及系统研究［D］.成都：四川大学，2006.

［2］陈婷.氧化锌避雷器阻性电流测量方法与应用技术研究［D］.苏州：苏州大学，2012.

［3］郑健，张国庆，田悦新，等.氧化锌避雷器泄漏电流在线监测技术综述［J］.继电器，2000，28（9）：7-9.

［4］DL/T 987—2005.氧化锌避雷器阻性电流测量仪通用技术条件［S］.

［5］秦松林.氧化锌避雷器泄漏电流的非线性特性、监测技术及状态判别［OL］.2012-10-8.

［6］陈宇，龚宁.对菲律宾电网规程中关于避雷器试验的分析［Z］.上海电力，2011.

［7］熊俊俏，戴璐平，刘海英.无限增益多路反馈带通滤波器的研究［J］.电气电子教学学报，2013，35（3）：84-86.

［8］秦松林.氧化锌避雷器泄漏电流的非线性特性、监测技术及状态判别［OL］.http：//www.paper.edu.cn/html/ releasepaper/2012/10/43/.

［9］B60-307.秦松林.不用参考信号的ZnO阻性电流测量［R］.济南：中国电机工程学会高电压专业委员会年会，2011.

The Application of Bandpass Filter's Design on the Extraction of MOA Third Harmonic

Xu Luqi Cui Lv Yue Ke
（Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090）

This paper introduces the way of extraction of MOA resistive leakage current which is frequently used in these days.The extraction of MOA resistive third harmonic current is achieved by designing the bandpass filter，on the basis of leakage current standard waveform of the surge arrester recommended by the criterion of DL/T 987—2005.It is indicated by the measurement result that this circuit could achieve the filter of third harmonic current of MOA current of MOA leakage current，which meets the engineering requirement with the deviation approaches 1%.Consequently，the filter circuit designed by the paper could apply in the extraction technology of leakage current from the online detection device of arrester.

MOA；leakage current；third harmonic current；bandpass circuitry

徐璐琪（1992-），女，江西省南昌市人，硕士研究生，研究方向:避雷器阻性电流在线监测。