MAX274在变压器铁芯在线监测中的应用

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%26;#177;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%26;#215;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)%26;#183;(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｡