應(yīng)用于MOA三次諧波提取的帶通濾波器設(shè)計(jì)

徐璐琪 崔 律 岳 克

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

應(yīng)用于MOA三次諧波提取的帶通濾波器設(shè)計(jì)

徐璐琪 崔 律 岳 克

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

本文介紹了目前常用的MOA阻性泄漏電流提取方法。根據(jù)DL/T 987—2005標(biāo)準(zhǔn)所推薦避雷器泄漏電流標(biāo)準(zhǔn)波形，設(shè)計(jì)了窄帶通濾波器，實(shí)現(xiàn)MOA阻性三次諧波電流的提取。測(cè)量結(jié)果表明，該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)MOA泄漏電流的三次諧波濾波，誤差接近1%滿足工程需要，因此論文設(shè)計(jì)的濾波電路可用于MOA泄漏電流的提取技術(shù)中。

MOA；阻性電流；三次諧波電流；帶通濾波電路

MOA主要用于限制由線路傳來(lái)的雷電過(guò)電壓或有操作引起的內(nèi)部過(guò)電壓，是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備之一［1］。在MOA長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，首先泄漏電流有功分量導(dǎo)致閥片發(fā)熱老化，其次雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓以及工頻電壓等長(zhǎng)期作用在閥片，加以環(huán)境因素影響導(dǎo)致閥片受潮，從而造成MOA閥片劣化，阻性泄漏電流增大，反復(fù)作用下最終導(dǎo)致MOA損壞。

因此對(duì)運(yùn)行中的 MOA阻性泄漏電流進(jìn)行長(zhǎng)期的在線監(jiān)測(cè)，可以有效地防范 MOA絕緣損壞。而在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要研究的核心問(wèn)題是如何提高阻性泄漏電流分量的提取精度。提高精度可以從以下幾點(diǎn)入手:①完善理論基點(diǎn)，減少理論瑕疵從根本上提高測(cè)量的準(zhǔn)確性；②提取過(guò)程中避免使用參考信號(hào)，考慮到在線監(jiān)測(cè)的實(shí)用性和現(xiàn)場(chǎng)情況，使用參考信號(hào)的方法并不適合；③提高提取電路硬件搭建的合理性和實(shí)用性。基于上述要求論文根據(jù) DL/T 987—2005標(biāo)準(zhǔn)所提出的避雷器泄漏電流標(biāo)準(zhǔn)波形，論文采用帶通濾波器提取三次諧波，將三次諧波作為判斷 MOA運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)，對(duì)該帶通濾波電路做出了詳細(xì)分析以及精度驗(yàn)證。

1 主要阻性電流提取方法分析

目前在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中常用的阻性泄漏電流提取方法主要包括阻性電流三次諧波法、基波法、補(bǔ)償法、三次諧波濾波法等。

三次諧波法又稱(chēng)零序電流法，由于 MOA阻性電流 IR與阻性電流三次諧波分量 IR3在數(shù)值上存在一定比例關(guān)系，因此可以通過(guò)檢測(cè)金屬氧化物避雷器三相總泄漏電流中阻性電流三次諧波分量 IR3來(lái)判斷其總阻性電流 IR的變化［2］。通過(guò) CT分別提取三相的全泄漏電流。由于基波電流每相之間相差120°，因此三相疊加后相互抵消，從而消除容性和阻性基波電流。而三相零序電流方向相同，因此能夠提取出三相疊加后的零序電流Io即阻性電流的三次諧波分量。

三次諧波法應(yīng)用的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中簡(jiǎn)單，方便實(shí)現(xiàn)。相較于其他方法，三次諧波法不需依靠外加參考電壓減少了工程上的麻煩。但在實(shí)際使用中三次諧波法存在兩點(diǎn)問(wèn)題，首先，該方法無(wú)法判斷具體哪一項(xiàng)出現(xiàn)問(wèn)題。其次當(dāng)電網(wǎng)電壓含有諧波分量時(shí)，會(huì)對(duì)測(cè)取的結(jié)果造成影響。

基波法利用 MOA在運(yùn)行中，只有阻性基波電流做功的原理，不考慮電網(wǎng)諧波影響，將同步采集MOA上的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，分別進(jìn)行 FFT可得基波電流、電壓的幅值和相角，再通過(guò)基波電流投影到基波電壓上從而提取阻性基波電流。該方法利用數(shù)學(xué)分析實(shí)現(xiàn)了阻性基波電流的測(cè)取，在硬件搭建上簡(jiǎn)單，硬件設(shè)備誤差極小，但是由于忽略全泄漏電流中高次諧波分量和電網(wǎng)諧波分量，原理上存在的誤差較大。

補(bǔ)償法則是通過(guò)參考信號(hào)（一般為系統(tǒng)電壓信號(hào)）經(jīng)微分電路和全泄漏電流信號(hào)一起經(jīng)過(guò)差分電路后提取阻性電流。例如日本早期使用的LCD-4型泄漏電流檢測(cè)儀，根據(jù)阻性與容性泄漏電流的正交性原理，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)參考電容達(dá)到平衡條件［3］。該方法提取阻性電流原理簡(jiǎn)單且完善，但是無(wú)法避免相間雜散電容引起的容性高次諧波帶來(lái)的影響。而改進(jìn)補(bǔ)償法通過(guò) FFT，得到電壓、基波電流以及各次諧波的幅值和相角，再依次對(duì)容性各次諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償，改進(jìn)后的補(bǔ)償法避免了相間雜散電容的影響，是目前常用的阻性電流提取手段。

三次諧波濾波法是IEC的有關(guān)文件推薦的有效測(cè)量方法之一［4］，以DL/T 987—2005標(biāo)準(zhǔn)提出的避雷器泄漏電流標(biāo)準(zhǔn)波形為依據(jù)，即

三次諧波分量是全電流中的第二大分量，同時(shí)又是直接與閥片阻性電流峰值大小相關(guān)聯(lián)［5］，因此可以通過(guò)窄帶通濾波電路將阻性三次諧波分量從基波分量中區(qū)分出來(lái)。阻性基波分量和三次諧波分量在數(shù)值上存在一定比例關(guān)系，雖然該比例受閥片本身以及閥片老化程度的影響，但是可以直接通過(guò)三次諧波分量做縱向比較作為判斷 MOA運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。文獻(xiàn)［6］指出實(shí)際上國(guó)外有些電力公司就是直接測(cè)量 MOA泄漏電流中的三次波分量作為檢測(cè)MOA的依據(jù)，例如菲律賓電網(wǎng)。該提取方法在硬件電路上加以完善，配合互感器提取防大部分、峰值檢測(cè)、單片機(jī)A/D采樣等電路可用于在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，不但具備普通三次諧波法的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠準(zhǔn)確判斷故障相。論文為了驗(yàn)證該方法的精度，設(shè)計(jì)了適用于該方法的濾波電路，并在軟件硬件上驗(yàn)證。

2 三次諧波濾波法電路設(shè)計(jì)

三次諧波濾波法提取阻性三次諧波分量需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶通窄、衰減速度快的有源濾波電路。論文采用多重負(fù)反饋帶通濾波電路，該濾波電路具有極高的選擇性和陡峭的過(guò)渡帶［7］，適用于上限與下限頻率相差不大的窄帶寬濾波，原理如圖1所示。

圖1 二階多重負(fù)反饋帶通濾波電路

圖1是一個(gè)二階多重負(fù)反饋濾波電路的，傳遞函數(shù)為

六階多重負(fù)反饋帶通濾波電路傳遞函數(shù)為

該六階電路是由三個(gè)二階電路串聯(lián)而成，因此兩個(gè)電路的傳遞函數(shù)存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系

式（3）由濾波中心頻率、帶寬確定，將（3）因式分解成式（2）的形式，便可確定電容電阻的數(shù)值，即每個(gè)二階帶通濾波電路的中心頻率和帶寬可以確定。為了達(dá)到預(yù)定的衰減速度，放芯片應(yīng)選擇GBW適當(dāng)，電壓漂移、電源電流低的雙電源供電放大器，論文采用的是LMC6022，并依次搭建了三個(gè)不同中心頻率帶寬的二階帶通濾波電路，構(gòu)成一個(gè)六階多重負(fù)反饋帶通濾波電路，中心頻率為150Hz、帶寬為60Hz。

為了測(cè)試?yán)迷撾娐返姆l特性，論文使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供的標(biāo)準(zhǔn)正弦波作為信號(hào)源，首先依次各二階電路進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。而各二階電路依次串聯(lián)后的六階電路幅頻特性如圖3所示。該六階電路的中心頻率在150Hz附近，帶寬52Hz、150Hz對(duì)應(yīng)的增益為0.75左右，在帶寬范圍外能夠迅速衰減符合設(shè)計(jì)要求，基波分量被有效地抑制，后續(xù)通過(guò)一個(gè)峰值檢測(cè)電路便可以完整的采集到三次諧波分量的峰值。

圖2 各二階帶通濾波電路幅頻特性

圖3 六階帶通濾波電路幅頻特性

圖3的試驗(yàn)結(jié)果基本符合電路的初始設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證該方法的精度，論文利用信號(hào)發(fā)生器根據(jù)式（1）選取了三組 IC、IR3做了濾波后橫向比較，信號(hào)發(fā)生器疊加輸出的波形如圖4所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在0～2%之間，滿足 DL/T 987—2005氧化鋅避雷器阻性電流測(cè)量?jī)x通用技術(shù)條件中提出的精確度標(biāo)準(zhǔn)。誤差來(lái)源于在實(shí)際搭建中電阻、電容數(shù)值上帶來(lái)的誤差，可以通過(guò)選用精度更高的貼片電阻電容來(lái)減小誤差。必須指出的是使用三次諧波濾波法，在現(xiàn)場(chǎng)使用中出現(xiàn)避雷器的全電流增大，而三次諧波電流變化不大。

圖4 信號(hào)發(fā)生器輸出波形

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

論文根據(jù) DL/T 987—2005氧化鋅避雷器阻性電流測(cè)量?jī)x通用技術(shù)條件提供的 MOA泄漏電流標(biāo)準(zhǔn)波形，通過(guò)帶通濾波器提取出標(biāo)準(zhǔn)波形中的三次諧波分量。多重負(fù)反饋濾波電路是一種適用于窄帶通濾波，增益可控，衰減速度快，相較于普通低通高通巴特沃斯濾波器更加適合應(yīng)用于三次諧波濾波中。論文對(duì)該濾波電路設(shè)計(jì)原理加以分析，按照濾波的需要論文設(shè)計(jì)了六階多重負(fù)反饋濾波電路，并驗(yàn)證了該電路的精度，測(cè)試結(jié)果表明該方法提取的阻性三次諧波分量誤差在1%左右，滿足工程需要。

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［8］秦松林.氧化鋅避雷器泄漏電流的非線性特性、監(jiān)測(cè)技術(shù)及狀態(tài)判別［OL］.http：//www.paper.edu.cn/html/ releasepaper/2012/10/43/.

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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，碩士研究生，研究方向:避雷器阻性電流在線監(jiān)測(cè)。