MAX274滤波器在变压器铁芯在线监测中的应用
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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&;#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&;#215;109/f0),计算出R2; 第二步,由公式R4=R2-5kΩ,计算出R4; 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)&;#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。 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。 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。 |
