磁通門漏電流檢測(cè)多階低通濾波電路設(shè)計(jì)

繆冬青，徐 亮，喻 晶，繆愛(ài)林，蔣志祥，趙玉立

（中天寬帶技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226400）

0 引 言

漏電流達(dá)到一定值時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸電傷亡事故，漏電流檢測(cè)電路（Ground Fault Circuit Interrupter，GFCI）可時(shí)刻監(jiān)測(cè)電源回路的漏電流，確保在漏電流達(dá)到危險(xiǎn)水平之前切斷電源[1,2]。

磁通門技術(shù)可檢測(cè)微弱磁場(chǎng)，利用磁通門輸出信號(hào)的幅值與漏電流大小成比例關(guān)系，測(cè)量磁通門輸出信號(hào)即可測(cè)得漏電流值。磁通門漏電流檢測(cè)具有計(jì)值方式簡(jiǎn)單、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。但磁通門技術(shù)對(duì)磁通門輸出幅值的穩(wěn)定性要求很高，在實(shí)際的應(yīng)用中，由于磁芯受巴克豪森效應(yīng)以及制作過(guò)程帶來(lái)的應(yīng)變力等影響，磁通門輸出的信號(hào)中含有脈沖尖峰[4-6]。

傳統(tǒng)的RC濾波方式雖然簡(jiǎn)單，但對(duì)磁通門輸出脈沖信號(hào)的尖峰的濾除效果有限，這使得GFCI電路很難檢測(cè)出正確的漏電流值，經(jīng)常出現(xiàn)誤判[7]。因此本文設(shè)計(jì)了多階低通濾波電路。

1 系統(tǒng)原理及脈沖尖峰產(chǎn)生原因分析

漏電流檢測(cè)電路GFCI系統(tǒng)框架可分為4個(gè)部分，即方波振蕩電路、可飽和電感電路、濾波比例放大電路、保護(hù)電路[8]。各部分之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 采用RC濾波的磁通門漏電流檢測(cè)電路原理框圖

方波振蕩電路通過(guò)繞制在磁通門上的激勵(lì)線圈產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)，該激磁磁場(chǎng)使磁芯周期性地處于過(guò)飽和狀態(tài)，當(dāng)可飽和磁芯飽和時(shí)，兩端的電壓方向突變，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，回路各部分電壓和為零，因此漏電流采樣電阻兩端會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。由圖2無(wú)漏電流時(shí)漏電流采樣電阻兩端的電壓波形可以看出，正向和反向充電期間，采樣電阻兩端的電壓恒定，可飽和磁芯正向和反向充電切換瞬間，產(chǎn)生電壓尖峰，該波形頻率6.6 kHz，尖峰幅值為2.07 V。

圖2 無(wú)漏電流時(shí)漏電流采樣電阻兩端電壓波形

當(dāng)火線和零線的電流差不為零，即電路中存在漏電流時(shí)，通過(guò)電磁感應(yīng)，73匝的線圈感應(yīng)到漏電流信號(hào)后，漏電流采樣電阻兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)與漏電流值之間存在比例關(guān)系，通過(guò)信號(hào)處理電路將該電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)并提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成模擬直流信號(hào)，并傳輸給處理芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，即可判斷出漏電流的大小。但根據(jù)前面的分析可以知道，漏電流采樣電阻兩端還存在因可飽和電感充放電而產(chǎn)生的電壓尖峰，常用的漏電流值讀取方法為待信號(hào)經(jīng)過(guò)圖1中的RC濾波電路之后再通過(guò)平均值法讀取出漏電流值，但這樣很容易因?yàn)槊}沖尖峰引起的AD采樣電壓鉗位而產(chǎn)生誤判，且平均值法是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行平均處理，對(duì)于一些突發(fā)情況，系統(tǒng)無(wú)法快速做出反應(yīng)，因此為了提高檢測(cè)方案的測(cè)量精度以及系統(tǒng)的反應(yīng)速度，需要通過(guò)濾波電路對(duì)脈沖尖峰信號(hào)進(jìn)行衰減并對(duì)耦合的漏電流信號(hào)進(jìn)行比例放大。

2 二階濾波電路設(shè)計(jì)

多階低通濾波電路可以有效濾除磁通門輸出脈沖信號(hào)的尖峰，且通過(guò)調(diào)節(jié)硬件參數(shù)，可以調(diào)節(jié)濾波器的濾波特性[9]。

2.1 節(jié)點(diǎn)電壓法分析

本文設(shè)計(jì)的濾波電路為二階低通濾波器，由如圖3所示的兩個(gè)一階低通濾波器串聯(lián)組成。因?yàn)樾枰獙?duì)經(jīng)過(guò)二階低通濾波器的脈沖尖峰信號(hào)進(jìn)行衰減，當(dāng)信號(hào)頻率f≥f0時(shí)（f0為截止頻率）時(shí)，在運(yùn)放輸出到運(yùn)放同相輸入之間引入負(fù)反饋，使二階低通濾波器的幅頻特性曲線中的高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號(hào)通過(guò)。從相頻特性角度，需要使電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，從而要求二階濾波器的相移趨于-180°，則一階濾波器的相移趨于-90°。

圖3 一階低通濾波放大電路

采用節(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2列節(jié)點(diǎn)方程推導(dǎo)出信號(hào)輸入輸出的傳遞函數(shù)為

由節(jié)點(diǎn)2的方程得：

根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短”“虛斷”原理，可以得到運(yùn)放同相端的電壓為

最終可以得到電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)為

式中：K＝1+(R3/R4）。

根據(jù)式（4），將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為

本文采用兩階濾波電路，由式（5）可以得到濾波器的增益K和轉(zhuǎn)折角頻率ω，通過(guò)兩階低通濾波器，脈沖尖峰被完全濾掉，留下的漏電流感應(yīng)電流值也被濾波電路本身的增益進(jìn)行了放大。增益系數(shù)K=K1K2，其中K1為第一階濾波器的增益，K2為第二階濾波器的增益。

2.2 幅頻和相頻特性曲線

由式（5）可以知道，二階低通濾波器的輸出與R1與R2的比值、C1與C2的比值以及增益K之間存在直接聯(lián)系，而R3和R4的比值與K成正比，K值越大輸出波形的選擇性越好，但通頻帶變窄。當(dāng)R3和R4的比值在0～2.5范圍內(nèi)變化，即K在1～3.5內(nèi)變化時(shí)，幅頻、相頻特性比較理想，當(dāng)K大于3.5時(shí)幅頻、相頻特性開(kāi)始變差，振蕩加強(qiáng)，波形出現(xiàn)失真。當(dāng)C1、C2較大時(shí)轉(zhuǎn)折頻率小，輸出波形出現(xiàn)失真，同時(shí)為減少元件的分散性，綜合考慮選擇C1=C2=10 nF，R1=22.7 kΩ，R3=4.99 kΩ，R4=10 kΩ。當(dāng)R2阻值變化范圍1～15 kΩ，變化量3 kΩ時(shí)，通過(guò)電路仿真軟件得到信號(hào)通過(guò)一階濾波器之后的幅度和相位曲線如圖4所示。

圖4 不同電阻比值下的幅頻和相頻特性曲線

由圖4可以看出，此時(shí)輸出波形的通頻帶較寬，轉(zhuǎn)折頻率在1 kHz左右，當(dāng)R2=10 kΩ時(shí)，幅頻和相頻特性曲線變化均勻，波形經(jīng)過(guò)濾波器后的幅度和相位與波形頻率呈近似線性關(guān)系，此時(shí)濾波器的濾波特性最平滑，因此實(shí)際選取R2=10 kΩ。

根據(jù)前面的分析，選取第二階低通濾波器的相關(guān)參數(shù)，為增大漏電流信號(hào)的放大倍數(shù)，選取R3=4.99 kΩ，R4=10 kΩ，則K2=3.3，通過(guò)電路仿真軟件，得到漏電流采樣電阻兩端的電壓波形通過(guò)二階低通濾波器后的幅頻和相頻曲線如圖5和圖6所示。

圖5 幅頻特性曲線

圖6 相頻特性曲線

從圖5和圖6仿真的結(jié)果來(lái)看，電網(wǎng)頻率為50 Hz，因此漏電流采樣電阻兩端因漏電流而產(chǎn)生的低頻波形經(jīng)過(guò)濾波器時(shí)，波形幅度沒(méi)有衰減，低頻波形頻率小于500 Hz時(shí)相位幾乎沒(méi)有變化。而脈沖尖峰的頻率等于振蕩電路的頻率，因此由圖5可以看出，6.6 kHz的脈沖尖峰，經(jīng)過(guò)濾波器后衰減了60 dB，即幅值變?yōu)樵瓉?lái)的1/1 000。振蕩電路在漏電流采樣電阻兩端的電壓達(dá)到2.07 V時(shí)翻轉(zhuǎn)，脈沖尖峰的幅值則為2.07 V，經(jīng)過(guò)二階低通濾波器衰減后，其幅值變?yōu)?.07 mV，漏電流采樣電阻兩端的脈沖尖峰被有效濾除。

綜上所述，磁通門漏電流采樣電阻兩端的電壓波形通過(guò)二階低通濾波電路后，振蕩電路產(chǎn)生的脈沖尖峰被濾除，脈沖尖峰被濾除后無(wú)須再通過(guò)平均值法減小尖峰影響，可直接通過(guò)AD采樣讀取漏電流值，當(dāng)檢測(cè)到電路中的漏電流大于設(shè)定值時(shí)，GFCI電路可以迅速切斷電源。加入二階低通濾波電路后，GFCI電路判斷的正確性和穩(wěn)定性、可靠性顯著提高。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于漏電流方向的不確定性，因此GFCI電路通過(guò)加偏置電壓的方法，給采樣值做一個(gè)3 V抬升，最終得到漏電流AD采樣電壓值UAD與實(shí)際漏電流值之間的關(guān)系：

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，無(wú)漏電流時(shí)采樣電路輸出波形如圖7所示，由圖7可以看出，磁通門最終輸出信號(hào)為恒定的電壓值，脈沖尖峰全部被濾除，二階低通濾波器濾波效果良好，此時(shí)輸出電壓為1.45 V，考慮到示波器微小讀數(shù)時(shí)的誤差，實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算結(jié)果相符。漏電流為120 mA時(shí)采樣電路輸出波形如圖8所示，實(shí)際測(cè)量結(jié)果為1.574 V與理論計(jì)算結(jié)果相符。

圖7 無(wú)漏電流時(shí)采樣電路輸出的波形

圖8 漏電流為120 mA左右時(shí)采樣電路輸出的波形

經(jīng)過(guò)1 000次測(cè)試，在漏電流采樣電阻側(cè)加入二階低通濾波電路后，GFCI電路的誤報(bào)率由原先的8.3%減小到0.2%，且有漏電流時(shí)，GFCI切斷回路的速度明顯加快。