大型變壓器在運行時，其鐵芯接地電流很小，約為(wei) 幾毫安到幾十毫安，但當變壓器發生鐵芯多點接地故障時，其鐵芯接地電流將增大到幾安培甚至幾十安培，從(cong) 而會(hui) 導致局部鐵芯過熱，嚴(yan) 重時可能造成輕瓦斯動作甚至重瓦斯動作跳閘。

目前，現場人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線來監測其電流，但由於(yu) 變壓器強磁場的幹擾，測量值很不精確，甚至出現同一測量點幾次測量值差別迥異的情況，這樣測量的參考價(jia) 值值得懷疑；而國內(nei) 有些單位研製的自動監測裝置雖能及時發現多點接地故障，但缺乏故障後的實時監測功能。為(wei) 此，筆者設計了一種基於(yu) ＧＳＭ通訊的在線監測裝置，較好地解決(jue) 了變壓器鐵芯接地電流在線監測的問題。為(wei) 了解決(jue) 正常狀態下接地電流很小，受到的現場幹擾卻比較嚴(yan) 重的問題，設計中采用了Ｍａｘｉｍ公司開發的８階連續時間濾波器芯片ＭＡＸ２７４。實踐證明ＭＡＸ２７４的濾波效果比較理想。

１ 在線監測裝置的係統組成

為(wei) 盡量如實反映變壓器接地電流信號的情況，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(ge) ２Ω的無感電阻，這樣就將鐵芯接地電流的測量轉化為(wei) 串接電阻上電壓的測量。該鐵芯接地電流在線監測裝置由信號處理部分、Ａ／Ｄ轉換部分及輸出控製部分等模塊構成，圖２所示是其原理框圖。圖中，Ａ／Ｄ轉換采用ＭＡＸ１９７，該芯片的精度為(wei) １２位，帶故障保護輸入多路轉換器和８路模擬輸入通道，具有６μｓ的變換時間；通訊模塊采用杭州愛賽德公司生產(chan) 的ＧＳＭ模塊；輸出控製主要是指發生故障後在接地線上串接限流電阻（這是目前常用的故障處理方法），同時現場燈光報警；信號處理部分根據輸入信號的強弱分成兩(liang) 路，弱信號部分的處理電路如圖３所示，其中ＯＰ２７是精密運算放大器。ＭＡＸ２７４就是本文要重點介紹的有源濾波器芯片。

２ ＭＡＸ２７４芯片簡介

普通運放和ＲＣ網絡組成的濾波器元件較多，參數調節複雜，雜散電容會(hui) 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，隻要調整外部４個(ge) 電阻即可。ＭＡＸ２７４的主要參數特性如下：

●可以根據需要設計成Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或Ｂｅｓｓｅｌ濾波器形式；

●可以實現低通或帶通濾波輸出；

●采用＋５Ｖ或±５Ｖ電源供電；

●每片由４個(ge) ２階濾波單元組成（共８階），並可以實現芯片級聯；

●自帶設計軟件，可以進行輔助設計和仿真；

●中心或截止頻率ｆ０範圍為(wei) 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 ）：信號輸入；

ＬＰＯＸ（１，１２，１３，２４）：低通輸出；

ＢＰＯＸ（４，９，１６，２１）：帶通輸出；

ＦＣ：ＲＸ／ＲＹ調節端，可接到Ｖ＋、Ｖ－或ＧＮＤ。

３ ＭＡＸ２７４的應用設計與(yu) 仿真實現

變壓器監測現場的幹擾主要有電磁幹擾、風扇振動（８～２５ｋＨｚ）、可控矽動作（２００～３００ｋＨｚ和７００～９００ｋＨｚ）和電台通訊信號（８００ｋＨｚ左右）等，這些信號相對都集中在較高頻段。因此，濾波器應設計為(wei) 低通濾波器。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器在通帶內(nei) 具有最大平坦的幅度特性，而且隨著頻率升高呈現單調遞減的特點，因而比較適合本設計。

其參數設計過程如下：

第一步，由公式Ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），計算出Ｒ２；

第二步，由公式Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，計算出Ｒ４；

接下來，計算Ｒ３以決(jue) 定Ｑ值，Ｒ３與(yu) Ｑ的值成正比例關(guan) 係，其關(guan) 係式為(wei) Ｒ３＝Ｒ２ Ｑ ＲＸ／ＲＹ，其中ＲＸ和ＲＹ是濾波器單元內(nei) 的兩(liang) 個(ge) 電阻，其比值由ＦＣ管腳連接到哪個(ge) 引腳決(jue) 定，具體(ti) 見表１所列。

表1 FC接點與(yu) RX/RY的比值

FC連接點	RX/RY
V+	4/1
GND	1/5
V-	1/25

最後計算出Ｒ１，Ｒ１主要用來設定增益。對於(yu) 低通濾波器，Ｒ１的值與(yu) 增益成反比。其關(guan) 係式為(wei) ：

Ｒ１＝（Ｒ２／ＨＯＬＰ）·（ＲＸ／ＲＹ）

濾波器的設計雖然也可以采用上述步驟手算，但對高階濾波器宜采用軟件輔助設計。用濾波器設計專(zhuan) 用軟件ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ進行濾波器設計非常方便，可以節省大量時間，同時也避免了人為(wei) 計算的錯誤。軟件仿真可以完成階數、極點、Ｑ值的計算，可生成仿真增益Ｇａｉｎ和相位Ｐｈａｓｅ的響應曲線，並計算外接電阻的阻值。

   本設計中低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器的具體(ti) 要求為(wei) ：通帶截止頻率１ｋＨｚ，通帶內(nei) 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(wei) １。將設計要求輸入ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件，經計算得出濾波器階數為(wei) ８，軟件自動調整後可得到表２所列的４級２階濾波器的設計參數，其中的電阻值是經過１％精度調整後得到的，Ｇａｉｎ是直流狀態的增益。由Ｍａｘｉｍ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件生成的增益曲線用Ｍａｔｌａｂ處理後如圖５中的實線所示。

表2 8階濾波器設計參數

	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

#p#分頁標題#e#

４ 實驗結果及注意事項

在實驗室將表２所列的電阻值按照圖４所示接入，並采用ＸＤ－７低頻信號發生器將正弦波信號輸入濾波器的輸入端，部分典型實驗數據如表３所列。輸出與(yu) 輸入的比值取對數後生成的曲線如圖５中的虛線所示。對比圖５中的兩(liang) 曲線可以看出，在小於(yu) ４ｋＨｚ時，兩(liang) 曲線基本重合；而當大於(yu) ４ｋＨｚ時，兩(liang) 者出現了偏差，這是由於(yu) 實驗時所用電壓表、電阻精度不足及電路板本身的噪聲造成的。即使如此，通過表３可以看出：在４ｋＨｚ時，輸出電壓已經衰減為(wei) 輸入電壓的０.４％，完全可以滿足實際工程的需要，因此，本濾波器的設計是成功的。

表3 部分實驗數據

頻率（Hz）	100	400	800	1000	3000	4000	5000	6000	10000
輸入（V）	0.575	0.592	0.576	0.568	0.580	0.568	0.555	0.543	0.499
輸出（V）	0.610	0.625	0.596	0.582	0.016	0.0023	0.0018	0.0015	0.0010

使用ＭＡＸ２７４時，市場上所能購買(mai) 到的電阻和計算值之間有一定誤差，因此要對電阻值進行取舍，通常誤差不要超過５％，以使電阻值對濾波器的頻譜影響不至於(yu) 太大，從(cong) 而使得到的頻譜關(guan) 係滿足要求。另外，當Ｒ大於(yu) ４ＭΩ時，寄生電容的影響將明顯表現出來，此時可用Ｔ型網絡形式將其變換成小電阻。

ＭＡＸ２７４既可用單＋５Ｖ供電，又可以用±５Ｖ供電。值得注意的是，采用單＋５Ｖ供電時，一定要按圖６方式進行接線。筆者曾想當然地將電源接在Ｖ＋與(yu) ＧＮＤ引腳之間，結果燒毀了一片元器件。

５ 結論

在變壓器鐵芯在線監測項目中，鐵芯接地電流很小，而現場高頻幹擾相對比較嚴(yan) 重。本文探討了采用ＭＡＸ２７４設計有源濾波器的方法，並給出了實驗數據。實際運行結果表明，本設計達到了預期目的。