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大型变压器在运行时，其铁芯接地电流很小，约为几毫安到几十毫安，但当变压器发生铁芯多点接地故障时，其铁芯接地电流将增大到几安培甚至几十安培，从而会导致局部铁芯过热，严重时可能造成轻瓦斯动作甚至重瓦斯动作跳闸。
目前，现场人员多采用钳形电流表夹住铁芯接地线来监测其电流，但由于变压器强磁场的干扰，测量值很不精确，甚至出现同一测量点几次测量值差别迥异的情况，这样测量的参考价值值得怀疑；而国内有些单位研制的自动监测装置虽能及时发现多点接地故障，但缺乏故障后的实时监测功能。为此，笔者设计了一种基于ＧＳＭ通讯的在线监测装置，较好地解决了变压器铁芯接地电流在线监测的问题。为了解决正常状态下接地电流很小，受到的现场干扰却比较严重的问题，设计中采用了Ｍａｘｉｍ公司开发的８阶连续时间滤波器芯片ＭＡＸ２７４。实践证明ＭＡＸ２７４的滤波效果比较理想。
１ 在线监测装置的系统组成
为尽量如实反映变压器接地电流信号的情况，笔者在图１所示的一次接线图的变压器接地线上串接了一个２Ω的无感电阻，这样就将铁芯接地电流的测量转化为串接电阻上电压的测量。该铁芯接地电流在线监测装置由信号处理部分、Ａ／Ｄ转换部分及输出控制部分等模块构成，图２所示是其原理框图。图中，Ａ／Ｄ转换采用ＭＡＸ１９７，该芯片的精度为１２位，带故障保护输入多路转换器和８路模拟输入通道，具有６μｓ的变换时间；通讯模块采用杭州爱赛德公司生产的ＧＳＭ模块；输出控制主要是指发生故障后在接地线上串接限流电阻（这是目前常用的故障处理方法），同时现场灯光报警；信号处理部分根据输入信号的强弱分成两路，弱信号部分的处理电路如图３所示，其中ＯＰ２７是精密运算放大器。ＭＡＸ２７４就是本文要重点介绍的有源滤波器芯片。
２ ＭＡＸ２７４芯片简介
普通运放和ＲＣ网络组成的滤波器元件较多，参数调节复杂，杂散电容会大大影响滤波器特性。ＭＡＸ２７４是单片集成有源滤波器，它无需外接电容，只要调整外部４个电阻即可。ＭＡＸ２７４的主要参数特性如下：
●可以根据需要设计成Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或Ｂｅｓｓｅｌ滤波器形式；
●可以实现低通或带通滤波输出；
●采用＋５Ｖ或±５Ｖ电源供电；
●每片由４个２阶滤波单元组成（共８阶），并可以实现芯片级联；
●自带设计软件，可以进行辅助设计和仿真；
●中心或截止频率ｆ０范围为１００Ｈｚ～１５０ｋＨｚ。
ＭＡＸ２７４的引脚及外部接口图如图４所示，各引脚功能如下：
ＩＮＸ（２，１１，１４，２３ ）：信号输入；
ＬＰＯＸ（１，１２，１３，２４）：低通输出；
ＢＰＯＸ（４，９，１６，２１）：带通输出；
ＦＣ：ＲＸ／ＲＹ调节端，可接到Ｖ＋、Ｖ－或ＧＮＤ。
３ ＭＡＸ２７４的应用设计与仿真实现
变压器监测现场的干扰主要有电磁干扰、风扇振动（８～２５ｋＨｚ）、可控硅动作（２００～３００ｋＨｚ和７００～９００ｋＨｚ）和电台通讯信号（８００ｋＨｚ左右）等，这些信号相对都集中在较高频段。因此，滤波器应设计为低通滤波器。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器在通带内具有最大平坦的幅度特性，而且随着频率升高呈现单调递减的特点，因而比较适合本设计。
其参数设计过程如下：
第一步，由公式Ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），计算出Ｒ２；
第二步，由公式Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，计算出Ｒ４；
接下来，计算Ｒ３以决定Ｑ值，Ｒ３与Ｑ的值成正比例关系，其关系式为Ｒ３＝Ｒ２ Ｑ ＲＸ／ＲＹ，其中ＲＸ和ＲＹ是滤波器单元内的两个电阻，其比值由ＦＣ管脚连接到哪个引脚决定，具体见表１所列。
表1 FC接点与RX/RY的比值
FC连接点 RX/RY
V+ 4/1
GND 1/5
V- 1/25
最后计算出Ｒ１，Ｒ１主要用来设定增益。对于低通滤波器，Ｒ１的值与增益成反比。其关系式为：
Ｒ１＝（Ｒ２／ＨＯＬＰ）·（ＲＸ／ＲＹ）
滤波器的设计虽然也可以采用上述步骤手算，但对高阶滤波器宜采用软件辅助设计。用滤波器设计专用软件ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ进行滤波器设计非常方便，可以节省大量时间，同时也避免了人为计算的错误。软件仿真可以完成阶数、极点、Ｑ值的计算，可生成仿真增益Ｇａｉｎ和相位Ｐｈａｓｅ的响应曲线，并计算外接电阻的阻值。
本设计中低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器的具体要求为：通带截止频率１ｋＨｚ，通带内最大衰减０．１ｍｄＢ，阻带截止频率４ｋＨｚ，阻带最小衰减５０ｄＢ，通带增益为１。将设计要求输入ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ软件，经计算得出滤波器阶数为８，软件自动调整后可得到表２所列的４级２阶滤波器的设计参数，其中的电阻值是经过１％精度调整后得到的，Ｇａｉｎ是直流状态的增益。由Ｍａｘｉｍ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ软件生成的增益曲线用Ｍａｔｌａｂ处理后如图５中的实线所示。
表2 8阶滤波器设计参数
f0(Hz) Q Gain(V/V) R1() R2() R3() R4()
Section1 1.956k 513m 1.02 205k 205k 200k 200k
Section2 1.956k 592m 1.02 1.02M 1.02M 1.02M 1.02M
Section3 1.956k 890m 1.02 105k 121k 182k 511k
Section4 1.956k 2.499 1.02 1.02M 1.02M 1.02M 1.02M
４ 实验结果及注意事项
在实验室将表２所列的电阻值按照图４所示接入，并采用ＸＤ－７低频信号发生器将正弦波信号输入滤波器的输入端，部分典型实验数据如表３所列。输出与输入的比值取对数后生成的曲线如图５中的虚线所示。对比图５中的两曲线可以看出，在小于４ｋＨｚ时，两曲线基本重合；而当大于４ｋＨｚ时，两者出现了偏差，这是由于实验时所用电压表、电阻精度不足及电路板本身的噪声造成的。即使如此，通过表３可以看出：在４ｋＨｚ时，输出电压已经衰减为输入电压的０.４％，完全可以满足实际工程的需要，因此，本滤波器的设计是成功的。
表3 部分实验数据
频率（Hz） 100 400 800 1000 3000 4000 5000 6000 10000
输入（V） 0.575 0.592 0.576 0.568 0.580 0.568 0.555 0.543 0.499
输出（V） 0.610 0.625 0.596 0.582 0.016 0.0023 0.0018 0.0015 0.0010
使用ＭＡＸ２７４时，市场上所能购买到的电阻和计算值之间有一定误差，因此要对电阻值进行取舍，通常误差不要超过５％，以使电阻值对滤波器的频谱影响不至于太大，从而使得到的频谱关系满足要求。另外，当Ｒ大于４ＭΩ时，寄生电容的影响将明显表现出来，此时可用Ｔ型网络形式将其变换成小电阻。
ＭＡＸ２７４既可用单＋５Ｖ供电，又可以用±５Ｖ供电。值得注意的是，采用单＋５Ｖ供电时，一定要按图６方式进行接线。笔者曾想当然地将电源接在Ｖ＋与ＧＮＤ引脚之间，结果烧毁了一片元器件。
５ 结论
在变压器铁芯在线监测项目中，铁芯接地电流很小，而现场高频干扰相对比较严重。本文探讨了采用ＭＡＸ２７４设计有源滤波器的方法，并给出了实验数据。实际运行结果表明，本设计达到了预期目的。 |
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