CN207067305U - 一种用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路，所述带通滤波电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器、电容C1、电容C2，其中，电阻R1第一端与电路输入端连接，电阻R1第二端与电容C1的正极、电容C2的正极、电阻R3的第一端均连接，电阻R3的第二端接地，电容C2的负极与电路输出端连接，电阻R2的第一端与电容C2的负极连接，电阻R2的第二端、电容C1的负极均与运算放大器的负输入端连接，电阻R3的第二端与运算放大器的正输入端连接，运算放大器的输出端与电路输出端连接，可靠地测量得到泄漏电流中的三次谐波分量。

Description

一种用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路

技术领域

本实用新型涉及避雷器泄漏电流测量领域，具体地，涉及一种用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路。

背景技术

零序电流法是避雷器在线监测的主要方法之一。该方法以金属氧化物避雷器的阻性电流中基波分量和三次谐波分量在大小上存在比例关系为依据，通过测量三相总三次谐波分量的大小可以换算成阻性电流的大小。当系统正常运行时，不计系统电压谐波分量，通过互感器引出的三相电流中的基波分量可以互相抵消，而三次谐波零序电流由于方向相同，互感器引出的三相电流中零序电流叠加。如果三相金属氧化物避雷器中有出现问题，则三相电流的不平衡将导致I0偏大CT测得的值就会偏高，从而能够发现故障。

传统三次谐波法只需要测量金属氧化物避雷器的全泄漏电流，不需要参考电压，操作方便，在避雷器在线监测领域得到了广泛的应用。目前该方法面临的主要问题是测量精度问题，由于避雷器泄漏电流中的各次谐波分量对三次谐波的测量引入了干扰，因此，对三次谐波的准确测量成为制约该方法可靠性的主要因素。

综上所述，本申请实用新型人在实现本申请实用新型技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的三次谐波法存在测量精度较低的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路，解决了现有的三次谐波法存在测量精度较低的技术问题，利用本申请中的带通滤波电路，通过对被测信号进行处理，抑制非选通频段的谐波信号，同时以此过滤电路中的信号噪声和系统的电磁干扰，可靠地测量得到泄漏电流中的三次谐波分量。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路，所述带通滤波电路包括：

电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器、电容C1、电容C2，其中，电阻R1第一端与电路输入端连接，电阻R1第二端与电容C1的正极、电容C2的正极、电阻R3的第一端均连接，电阻R3的第二端接地，电容C2的负极与电路输出端连接，电阻R2的第一端与电容C2 的负极连接，电阻R2的第二端、电容C1的负极均与运算放大器的负输入端连接，电阻R3的第二端与运算放大器的正输入端连接，运算放大器的输出端与电路输出端连接。

进一步的，所述带通滤波电路具体为六阶多重负反馈带通滤波电路，六阶多重负反馈带通滤波电路通过3个带通滤波电路依次串联组成。

进一步的，六阶多重负反馈带通滤波电路包括3个子带通滤波电路：第一子带通滤波电路、第二子带通滤波电路、第三子带通滤波电路，子带通滤波电路为所述的带通滤波电路，第一子带通滤波电路的输出端与第二子带通滤波电路的输入端连接，第二子带通滤波电路的输出端与第三子带通滤波电路的输入端连接。

下面对本申请技术方案进行详细介绍和说明：

1、三次谐波滤波方法概述

理想的带通滤波器在带通范围内平坦，信号无衰减全部通过，而带宽范围外的信号全部被衰减，如图1所示。实际使用中带通滤波器的幅频特性不如图1理想，通带频率外的信号衰减速度和滤波器的阶数N有关，阶数越高幅频特性越理想，实际带通滤波的幅频特性如图 2所示。

其中ω₀为带通滤波器中心频率，ω₁和ω₂分别为通带截止频率对应衰减一般为3dB，ω_sh和ω_sl为阻带截止频率对应衰减用Asb表示。

根据三次谐波分量滤波要求，本发明选用多重负反馈滤波电路建立滤波方案。多重负反馈滤波是一种窄带通滤波方法，其增益可控且阻带范围内信号衰减迅速，图3为二阶多重负反馈带通滤波电路的模型，其中R2和C2构成两路负反馈。

根据图3模型可得：

V_OUT＝-SC₂R₂V₁ (1)

根据KCL定律，将流进流出V₁节点的电流相加：

将式(1)代入式(2)中可得V_IN和V_OUT的传递函数：

二阶带通滤波器的标准传递函数如式(4)所示：

对比式(3)和(4)可得出

因此二阶多重负反馈带通滤波电路的增益、中心频率和带宽可以由电容电阻的参数选择控制。随着滤波电路阶数N的增大，通带外频率的波形衰减越迅速。三次谐波法系统运行中，全泄漏电流中存在大量的高次谐波，滤波电路的衰减越迅速对于三次谐波的提取更加有利，结合系统的功耗要求、带宽要求，需要选择适当的滤波阶数。根据系统的滤波要求，ω₀＝300π,ω₁＝220π,ω₂＝380π，ω_BW＝160π，ω_sl＝20π，ω_sh＝580π,Asb＝80dB。

将上述参数归一化处理后得到：

取二者中绝对值较小的代入下式：

得到N＝4.37，因此选取六阶多重负反馈带通滤波电路作为本发明的技术方案。

2、六阶多重负反馈带通滤波电路

六阶多重负反馈带通滤波电路可由三个二阶模型串联而成，电路模型如图1-2所示。

图3的模型中，每个二阶模型的中心频率和带宽、增益均可控，二阶模型之间必须相互配合。六阶模型的传递函数可由二阶传递函数推导而得。六阶模型的标准传递函数如下式所示：

其中有：

因此将p简化为：

将参数代入上式可得：

由上式六阶模型的传递函数可与二阶传递函数相对应，则可以计算出第一个二阶滤波电路中心频率为113.848Hz，增益2.641，带宽30.602Hz,第二个二阶滤波电路中心频率为 183.769Hz，增益1.619，带宽49.373Hz,第三个二阶滤波电路中心频率为144.641Hz，增益 1，带宽80Hz。根据上述计算所得，三级二阶滤波器的关系如图3-7所示。并且通过计算可确定每个二阶的R、C参数，根据标准电阻和电容选择后得到一个完整的多重负反馈带通滤波电路。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

利用本申请中的带通滤波电路，通过对被测信号进行处理，抑制非选通频段的谐波信号，同时以此过滤电路中的信号噪声和系统的电磁干扰，可靠地测量得到泄漏电流中的三次谐波分量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1是理想带通滤波器幅频特性示意图；

图2是实际带通滤波器幅频特性示意图；

图3是二阶多重负反馈带通滤波电路模型示意图；

图4是六阶多重负反馈带通滤波电路模型示意图；

图5是六阶多重负反馈带通滤波电路示意图；

图6是六阶带通滤波仿真模型示意图；

图7是三次谐波滤波电路幅频特性示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路，解决了现有的三次谐波法存在测量精度较低的技术问题，利用本申请中的带通滤波电路，通过对被测信号进行处理，抑制非选通频段的谐波信号，同时以此过滤电路中的信号噪声和系统的电磁干扰，可靠地测量得到泄漏电流中的三次谐波分量。

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

具体实施方式一：

搭建如图5所示的六阶多重负反馈带通滤波电路，相应R、C参数选取如图所示。图中放大器选用了TI公司的tlv2402系列芯片。

具体实施方式二：

对上述电路搭建了仿真模型，如图6所示。利用Multisim软件进行仿真分析。

对信号频率为150Hz、10Hz和290Hz时输出波形和输入波形进行了仿真分析，获得仿真结果。

上述结果表明，设计的六阶带通滤波电路符合中心频率为150Hz，150Hz时放大倍数为 0.977倍即-0.20210dB，带宽为64.322Hz，满足设计需求，在通带内平坦，在阻带范围内能够迅速衰减，并且能够有效地抑制泄漏电流中的基波分量和高次谐波分量。实际电路中，第一个二阶滤波电路中心频率为114.483Hz，增益为2.555，带宽为31.162Hz,第二个二阶滤波电路中心频率为178.705Hz，增益为1.700，带宽46.834Hz,第三个二阶滤波电路中心频率为144.146Hz，增益为1，带宽79.6178Hz。综上整体电路能够实现三次谐波的滤波功能，设计符合要求。

具体实施方式三：

应用制作完成的硬件电路，进行了性能测试。利用标准信号发生器为滤波电路提供不同频率的交流电压波形，保持输入电压幅值为1V不变，改变输入电压的频率。当电压频率为 50Hz时，滤波后输出电压，输入电压为50Hz是输出电压衰减明显；当电压频率为150Hz时，滤波后输出蓝线所示，输入电压为150Hz是输出电压不存在衰减。从10Hz-500Hz测试了31 个不同频率下的幅值变化，绘制了图7幅频特性曲线。从曲线中看出在150Hz左右存在着平坦的部分，两边则迅速衰减。在中心频率处即输入电压为150Hz、1V时输出电压幅值为1.099V 即0.82dB；在通带范围下，输入电压为110Hz、1V时输出电压幅值为0.709V即-2.99dB，输入电压为190Hz、1V时输出电压幅值为0.405V即-7.85dbdB；在阻带范围下，输入电压为10Hz、 1V时输出电压幅值为0.005V即-46.02dB，输入电压为290Hz、1V时输出电压幅值为0.0232 V即-32.69dB。测试结果符合系统需求和设计要求，可实现针对三次谐波的带通滤波功能。

对滤波电路进行了精度测试，采用信号发生器将基波分量与阻性三次谐波分量叠加输出，叠加后的波形通过带通滤波电路理论上基波分量被衰减至可忽略，三次谐波分量能够完整通过。试验所得滤波电路的电压输出如表1所示，通过计算滤波电路的放大倍数平均值为 1.03416倍，基于该平均值分析滤波电路的放大倍数误差如表2所示，经过计算滤波电路误差稳定在2％左右，满足DL/T 987-2005标准中的阻性电流的误差要求。

表1滤波电路输出电压值

表2滤波电路误差分析

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路，其特征在于，所述带通滤波电路包括：

电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器、电容C1、电容C2，其中，电阻R1第一端与电路输入端连接，电阻R1第二端与电容C1的正极、电容C2的正极、电阻R3的第一端均连接，电阻R3的第二端接地，电容C2的负极与电路输出端连接，电阻R2的第一端与电容C2的负极连接，电阻R2的第二端、电容C1的负极均与运算放大器的负输入端连接，电阻R3的第二端与运算放大器的正输入端连接，运算放大器的输出端与电路输出端连接。

2.根据权利要求1所述的用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路，其特征在于，所述带通滤波电路具体为六阶多重负反馈带通滤波电路，六阶多重负反馈带通滤波电路通过3个权利要求1中的电路依次串联组成。

3.根据权利要求2所述的用于测量避雷器泄漏电流三次谐波的带通滤波电路，其特征在于，六阶多重负反馈带通滤波电路包括3个子带通滤波电路：第一子带通滤波电路、第二子带通滤波电路、第三子带通滤波电路，子带通滤波电路为权利要求1所述的带通滤波电路，第一子带通滤波电路的输出端与第二子带通滤波电路的输入端连接，第二子带通滤波电路的输出端与第三子带通滤波电路的输入端连接。