摘要：針對(duì)變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中現(xiàn)場(chǎng)干擾比較嚴(yán)重的問題，給出了采用Maxim公司有源濾波芯片MAX274設(shè)計(jì)有源濾波器的方法。同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及應(yīng)用注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：MAX274； 有源濾波器； 變壓器鐵芯； 在線監(jiān)測(cè)
大型變壓器在運(yùn)行時(shí)，其鐵芯接地電流很小，約為幾毫安到幾十毫安，但當(dāng)變壓器發(fā)生鐵芯多點(diǎn)接地故障時(shí)，其鐵芯接地電流將增大到幾安培甚至幾十安培，從而會(huì)導(dǎo)致局部鐵芯過熱，嚴(yán)重時(shí)可能造成輕瓦斯動(dòng)作甚至重瓦斯動(dòng)作跳閘。
目前，現(xiàn)場(chǎng)人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線來監(jiān)測(cè)其電流，但由于變壓器強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量值很不精確，甚至出現(xiàn)同一測(cè)量點(diǎn)幾次測(cè)量值差別迥異的情況，
這樣測(cè)量的參考價(jià)值值得懷疑；而國(guó)內(nèi)有些單位研制的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置雖能及時(shí)發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)接地故障，但缺乏故障后的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于ＧＳＭ通訊的在線監(jiān)測(cè)裝置，較好地解決了變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)的問題。為了解決正常狀態(tài)下接地電流很小，受到的現(xiàn)場(chǎng)干擾卻比較嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)中采用了Ｍａｘｉｍ公司開發(fā)的８階連續(xù)時(shí)間濾波器芯片ＭＡＸ２７４。實(shí)踐證明ＭＡＸ２７４的濾波效果比較理想。
１ 在線監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)組成
為盡量如實(shí)反映變壓器接地電流信號(hào)的情況，筆者在圖１所示的一次接線圖的變壓器接地線上串接了一個(gè)２Ω的無感電阻，這樣就將鐵芯接地電流的測(cè)量轉(zhuǎn)化為串接電阻上電壓的測(cè)量。該鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置由信號(hào)處理部分、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部分及輸出控制部分等模塊構(gòu)成，圖２所示是其原理框圖。圖中，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換采用ＭＡＸ１９７，該芯片的精度為１２位，帶故障保護(hù)輸入多路轉(zhuǎn)換器和８路模擬輸入通道，具有６μｓ的變換時(shí)間；通訊模塊采用杭州愛賽德公司生產(chǎn)的ＧＳＭ模塊；輸出控制主要是指發(fā)生故障后在接地線上串接限流電阻（這是目前常用的故障處理方法），同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)燈光報(bào)警；信號(hào)處理部分根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)弱分成兩路，弱信號(hào)部分的處理電路如圖３所示，其中ＯＰ２７是精密運(yùn)算放大器。ＭＡＸ２７４就是本文要重點(diǎn)介紹的有源濾波器芯片。
２ ＭＡＸ２７４芯片簡(jiǎn)介
普通運(yùn)放和ＲＣ網(wǎng)絡(luò)組成的濾波器元件較多，參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜，雜散電容會(huì)大大影響濾波器特性。ＭＡＸ２７４是單片集成有源濾波器，它無需外接電容，只要調(diào)整外部４個(gè)電阻即可。ＭＡＸ２７４的主要參數(shù)特性如下：
●可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或Ｂｅｓｓｅｌ濾波器形式；
●可以實(shí)現(xiàn)低通或帶通濾波輸出；
●采用＋５Ｖ或±５Ｖ電源供電；
●每片由４個(gè)２階濾波單元組成（共８階），并可以實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)聯(lián)；
●自帶設(shè)計(jì)軟件，可以進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真；
●中心或截止頻率ｆ０范圍為１００Ｈｚ～１５０ｋＨｚ。
ＭＡＸ２７４的引腳及外部接口圖如圖４所示，各引腳功能如下：
ＩＮＸ（２，１１，１４，２３ ）：信號(hào)輸入；
ＬＰＯＸ（１，１２，１３，２４）：低通輸出；
ＢＰＯＸ（４，９，１６，２１）：帶通輸出；
ＦＣ：ＲＸ／ＲＹ調(diào)節(jié)端，可接到Ｖ＋、Ｖ－或ＧＮＤ。
３ ＭＡＸ２７４的應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)
變壓器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾主要有電磁干擾、風(fēng)扇振動(dòng)（８～２５ｋＨｚ）、可控硅動(dòng)作（２００～３００ｋＨｚ和７００～９００ｋＨｚ）和電臺(tái)通訊信號(hào)（８００ｋＨｚ左右）等，這些信號(hào)相對(duì)都集中在較高頻段。因此，濾波器應(yīng)設(shè)計(jì)為低通濾波器。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器在通帶內(nèi)具有最大平坦的幅度特性，而且隨著頻率升高呈現(xiàn)單調(diào)遞減的特點(diǎn)，因而比較適合本設(shè)計(jì)。
其參數(shù)設(shè)計(jì)過程如下：
第一步，由公式Ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），計(jì)算出Ｒ２；
第二步，由公式Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，計(jì)算出Ｒ４；
接下來，計(jì)算Ｒ３以決定Ｑ值，Ｒ３與Ｑ的值成正比例關(guān)系，其關(guān)系式為Ｒ３＝Ｒ２ Ｑ ＲＸ／ＲＹ，其中ＲＸ和ＲＹ是濾波器單元內(nèi)的兩個(gè)電阻，其比值由ＦＣ管腳連接到哪個(gè)引腳決定，具體見表１所列。
表1 FC接點(diǎn)與RX/RY的比值
| FC連接點(diǎn) | RX/RY |
| V+ | 4/1 |
| GND | 1/5 |
| V- | 1/25 |
最后計(jì)算出Ｒ１，Ｒ１主要用來設(shè)定增益。對(duì)于低通濾波器，Ｒ１的值與增益成反比。其關(guān)系式為：
Ｒ１＝（Ｒ２／ＨＯＬＰ）·（ＲＸ／ＲＹ）
濾波器的設(shè)計(jì)雖然也可以采用上述步驟手算，但對(duì)高階濾波器宜采用軟件輔助設(shè)計(jì)。用濾波器設(shè)計(jì)專用軟件ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)非常方便，可以節(jié)省大量時(shí)間，同時(shí)也避免了人為計(jì)算的錯(cuò)誤。軟件仿真可以完成階數(shù)、極點(diǎn)、Ｑ值的計(jì)算，可生成仿真增益Ｇａｉｎ和相位Ｐｈａｓｅ的響應(yīng)曲線，并計(jì)算外接電阻的阻值。
本設(shè)計(jì)中低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器的具體要求為：通帶截止頻率１ｋＨｚ，通帶內(nèi)最大衰減０．１ｍｄＢ，阻帶截止頻率４ｋＨｚ，阻帶最小衰減５０ｄＢ，通帶增益為１。將設(shè)計(jì)要求輸入ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件，經(jīng)計(jì)算得出濾波器階數(shù)為８，軟件自動(dòng)調(diào)整后可得到表２所列的４級(jí)２階濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，其中的電阻值是經(jīng)過１％精度調(diào)整后得到的，Ｇａｉｎ是直流狀態(tài)的增益。由Ｍａｘｉｍ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件生成的增益曲線用Ｍａｔｌａｂ處理后如圖５中的實(shí)線所示。
表2 8階濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)
