基于改進積分濾波電路的實驗室微弱漏電檢測*

彭嵐峰，朱海寬，陳 巍

(南昌大學 科學技術學院，南昌 330029)

實驗室用電安全是高校電力系統安全管理的難點.隨著檢測器件自動化水平的提高，實驗室電路系統和用電設備的智能化監控管理逐步發展成熟，研究內容變的更加具體細致.檢測設備線路的微弱漏電，提高用電安全隱患發現的時效性以及準確性，已成為科學管理實驗室安全的重點[1-5].

常規的微弱電流檢測主要通過對微弱電流信號進行放大，再轉化為電壓信號進行測量[6-9].為了得到期望精度的測量值，一般均需要配置高性能的運算放大器.之前大量研究實現了從單一運放到目前主流集成檢測模塊的電路改進，例如MAX471[10-12].然而，在實際應用檢測過程中，實驗室發生的各種微弱漏電事件由于用電條件復雜難以被及時檢測發現，安全隱患的風險依然存在[13].造成這一現象的主要原因在于：實驗室電路漏電信號本身通常具有快速變化的特點，沒有確定的波形結構或頻率特性，容易淹沒在電路系統產生的熱噪聲中，且一旦出現，又通常具有持續性和周期性，即在一段時間內反復發生.現有的微弱信號檢測電路的頻率響應能力不足，對于這種快速變化的微弱信號識別效能有限[14-16].

針對以上問題，本文提出了一種改進積分濾波設計的微弱漏電檢測系統.系統通過對采集得到的漏電電流信號進行放大轉化，并進一步整形再結合時序控制，完成對待檢測信號的周期取樣.同時依據周期取樣信號的累積比較，實現實驗室漏電事件的自動檢測.

1 電路設計及原理

系統整體主要由4個模塊構成，信號傳遞的第一步是將實驗室的漏電電流信號進行采集，并進行放大.漏電電流檢測一般要求高靈敏度，為了確保得到良好信噪比的放大信號，需要對檢測輸入的失調電流、偏置電流以及溫度偏移、零線偏移等因素進行控制.考慮到電路設計成本和實驗室推廣便利性，本文采用如圖1所示的T形反饋網絡電路結構.其最大的特點就是結構簡單，但卻能夠通過小的反饋電阻R1～R3實現滿足需求的增益放大信號.同時電路還具有補償環路，可以濾除高頻噪聲干擾，保證漏電信號的被檢測精度，且能夠降低電路成本.

圖1 漏電電流T型檢測電路Fig.1 T-type detection circuit for leakage current

檢測的漏電電流Is從放大器負端被采集，經過放大轉化生成漏電電壓信號Ui.這里實際采集得到的漏電電流信號一般在幾微安到十幾毫安之間，轉化生成電壓信號Ui在幾十毫伏到幾伏之間，大約將原始采集的信號放大了100倍.同時因為電容濾波的存在，信號本身的高頻熱噪聲被大量消除，從而在進入到周期取樣和累計生成前，能夠減小整形濾波的誤差與難度.

周期波動的漏電信號相對于參考電平信號具有正負波動特性.若直接進行周期采樣累加，則可能因電壓數據本身的正負疊加歸零，使得檢測失效.本文采用高精度絕對值電路進行整形濾波，具體的電路模型如圖2所示.一組模擬開關S1、S2選通得到對應的漏電電壓方法信號，依據信號的賦值和方向，進行波形翻轉整形.具體電路實現過程為：首先確保漏電信號Ui與Us信號保持同步，后端的開關S1、S2配合Ui的正負進行對應的選擇調節.當Ui為正值時，選擇S2接通輸出，電壓信號為正；反之，則選擇S1輸出，并對輸出的Uo信號取反，得到正值信號.開關組合設計的配合可以大幅消除非線性阻性器件對電壓的波動干擾，同時，還避免了二極管檢波管閾值電壓的影響.

圖2 整形濾波電路Fig.2 Shaping filter circuit

輸出的電壓信號Uo作為輸入信號輸入到最后的周期采樣積分電路，具體的電路結構如圖3所示.積分采樣電路的核心是模擬開關芯片和積分電容.周期采樣時序clr由外加的時序控制CPLD設計得到，作為時鐘配合上位機的控制單元進行觸發，并控制使能信號EN.接通開關芯片工作，選擇Q0～Q3進行順次或間斷采樣.積分放大器相當于一個線性門函數積分器，將一個設定時段內電容上存儲的數值進行累加合成.

將周期采樣得到的積分累加信號與上位機通過樣本訓練得到的一個自適應閾值進行比較，即可判斷實驗室系統是否發生了微弱漏電事件.上述信號采集和分析的電路系統框圖如圖4所示.

這里系統配套的中央處理單元是一個上位機，其實現了整體信號控制.使用MSP430芯片配合CPLD編程輔助進行時序控制，保持與上位機之間的信號同步協調.芯片在進行連續檢測過程中，設置在電路各個節點的漏電檢測端，以一定的采樣頻率連續檢測收集得到的信號，并將其進行放大、傳遞，進行累計檢測.

圖3 周期采樣積分電路Fig.3 Integral circuit for periodic sampling

圖4 系統信號處理框圖Fig.4 System signal processing diagram

2 結構分析

取樣積分包括兩個步驟，先取樣后積分.脈沖控制取樣開關完成對輸入信號的取樣，積分器實現積分.假設積分器的輸入電壓為Ui(t)，輸出電壓為Uo(t)，積分電阻和電容分別為R和C，則可得流過R的電流為

(1)

根據式(1)可得

(2)

采樣積分采取多點取樣積分方式，即每個信號周期取樣M個點.對于線性門函數積分器，其性能與電路動態范圍相關，取樣次數M越大，其信噪比越大，兩者之間的關系是信噪比約等于取樣次數M的平方根.本文取樣積分器設定的時間常數為Tc，對應門寬為Tg.

假設待檢測的微弱信號為一近似周期函數，其數學表達式可表示為

(3)

式中：K為取樣門增益；Um為取樣電壓.

當ωTg→∞或ωTg→0時，高頻分量與低頻分量分別為

(4)

(5)

可得信號的高頻分量與低頻分量比值為

(6)

在式(6)比值大于3 dB時，對應的門寬需滿足約束條件，即

(7)

3 實驗驗證與結果分析

實驗室包括40臺式計算機、兩個集成服務器、一臺網關、一個交換機以及用于供電的強電和弱電箱體、配套電線等結構.實驗室中容易產生漏電的設備主要是老化的電線，計算機和外部供電段的接口，以及網關光電轉換接口等位置.系統硬件電路對實驗室布控的多個線路檢測點進行了連續一周的全天監測.提取得到300個以上的不同漏電信號事件，持續時間從短暫的幾秒鐘到接續發生的幾分鐘.一般持續時間小于10 s的漏電信號與電路的局部震蕩或者微小裂痕有關.該種事件在檢測到后，即便是不做具體處理，也能自然恢復.檢測關注的重點是持續1 min以上的漏電事件，其通常表示存在實質性的線路破損或者局部電路失靈.通過周期采樣信號可以有效地追蹤到此類信號，從而針對性地進行故障排查和維護.

圖5展示了采集得到的一個持續2 min的連續漏電事件，信號經過T型反饋網絡放大，其被增大轉化為原來數值100倍的電壓信號.上述電壓信號經過整形濾波電路轉變為正值，具體得到的數值波形如圖5所示.

進一步將轉化得到的信號作為輸入，送入周期積分濾波電路.考慮到周期采集的頻率需要確保采集得到的信號不會發生頻率混疊失真，實際采集的周期信號取0.5 s、占空比為50%的方波信號.每個周期內采集得到4個數值信號，得到對應的采樣生成信號如圖6所示.

本文在積分生成對應的采樣信號后，得到漏電信號的數值，并與不發生漏電時熱噪聲電平信號進行對比.對實驗過程中的153例持續時間超過1 min的漏電檢測事件進行分析，以正常檢測得到的時間長度為1 min的信號集與短時漏電信號隨機集為例，共同構成閾值分析數據集.抽取其中50%數量的信號，截取1 min計算閾值，并計算訓練得到自適應的最優閾值，再將另外50%作為測試進行驗證.

圖5 濾波放大信號Fig.5 Amplified filter signal

圖6 周期采樣信號Fig.6 Periodic sampling signal

訓練識別采用邏輯回歸模型驗證數據集，得到的受試者工作特征曲線(ROC)如圖7所示.

圖7 回歸擬合ROC曲線Fig.7 ROC curve by regression fitting

圖7中的ROC隨著樣本分類訓練數量的增加呈現快速上升趨勢，且向靈敏度方向發生凸出，接近左上角.這說明實驗采用的閾值擬合準確性較高，假陽性以及假陰性的數量均較少.由ROC曲線與右下方坐標軸圍成的面積能夠體現出本文識別方法的正確率.計算數據詳細的分類檢測的靈敏度、特異性以及準確率如表1所示.

表1 漏電檢測評價參數Tab.1 Evalution parameters of leakage detection

表1中的三項指標整體均保持在96%以上，這客觀地說明，識別分類精度整體性能優越，且由訓練集得到的擬合閾值具有比較好的泛化能力.在測試數據集中，同樣能夠保證其精確分類的作用，由此也說明了實驗數據采集是相對充分的，分類模型對漏電事件的各種可能發生情況均可兼顧.

4 結 論

本文提出的改進積分濾波漏電檢測電路能夠對實驗室中非平穩的漏電事件進行有效的高精度識別和檢測，從而更好地保證實驗室用電安全.同時，電路具有結構簡單、制作成本低廉和易于推廣等優點.進一步研究重點在于：一方面需要提高系統的集成水平，這主要是將現有的系統進行一體化集成并與檢測點整合在一起，實現便于布控、分析；另一方面需要進一步采集實驗室漏電事件，借鑒大數據分析處理模式，對更多的數據進行波形識別、特征提取以及數據挖掘，從而提高系統的普適性.同時也可以將多個實驗室或者其他有類似需求的室內環境進行聯動監測，提高檢測的針對性與準確性.