缪冬青，徐 亮，喻 晶，缪爱林，蒋志祥，赵玉立

（中天宽带技术有限公司，江苏 南通 226400）

0 引 言

漏电流达到一定值时会导致触电伤亡事故，漏电流检测电路（Ground Fault Circuit Interrupter，GFCI）可时刻监测电源回路的漏电流，确保在漏电流达到危险水平之前切断电源[1,2]。

磁通门技术可检测微弱磁场，利用磁通门输出信号的幅值与漏电流大小成比例关系，测量磁通门输出信号即可测得漏电流值。磁通门漏电流检测具有计值方式简单、电路结构简单、技术应用性强等特点[3]。但磁通门技术对磁通门输出幅值的稳定性要求很高，在实际的应用中，由于磁芯受巴克豪森效应以及制作过程带来的应变力等影响，磁通门输出的信号中含有脉冲尖峰[4-6]。

传统的RC滤波方式虽然简单，但对磁通门输出脉冲信号的尖峰的滤除效果有限，这使得GFCI电路很难检测出正确的漏电流值，经常出现误判[7]。因此本文设计了多阶低通滤波电路。

1 系统原理及脉冲尖峰产生原因分析

漏电流检测电路GFCI系统框架可分为4个部分，即方波振荡电路、可饱和电感电路、滤波比例放大电路、保护电路[8]。各部分之间的关系如图1所示。

图1 采用RC滤波的磁通门漏电流检测电路原理框图

方波振荡电路通过绕制在磁通门上的激励线圈产生激磁磁场，该激磁磁场使磁芯周期性地处于过饱和状态，当可饱和磁芯饱和时，两端的电压方向突变，根据基尔霍夫电压定律，回路各部分电压和为零，因此漏电流采样电阻两端会产生电压尖峰。由图2无漏电流时漏电流采样电阻两端的电压波形可以看出，正向和反向充电期间，采样电阻两端的电压恒定，可饱和磁芯正向和反向充电切换瞬间，产生电压尖峰，该波形频率6.6 kHz，尖峰幅值为2.07 V。

图2 无漏电流时漏电流采样电阻两端电压波形

当火线和零线的电流差不为零，即电路中存在漏电流时，通过电磁感应，73匝的线圈感应到漏电流信号后，漏电流采样电阻两端产生电动势，该电动势与漏电流值之间存在比例关系，通过信号处理电路将该电动势检测并提取出来，转换成模拟直流信号，并传输给处理芯片进行数据分析，即可判断出漏电流的大小。但根据前面的分析可以知道，漏电流采样电阻两端还存在因可饱和电感充放电而产生的电压尖峰，常用的漏电流值读取方法为待信号经过图1中的RC滤波电路之后再通过平均值法读取出漏电流值，但这样很容易因为脉冲尖峰引起的AD采样电压钳位而产生误判，且平均值法是对一段时间内的信号进行平均处理，对于一些突发情况，系统无法快速做出反应，因此为了提高检测方案的测量精度以及系统的反应速度，需要通过滤波电路对脉冲尖峰信号进行衰减并对耦合的漏电流信号进行比例放大。

2 二阶滤波电路设计

多阶低通滤波电路可以有效滤除磁通门输出脉冲信号的尖峰，且通过调节硬件参数，可以调节滤波器的滤波特性[9]。

2.1 节点电压法分析

本文设计的滤波电路为二阶低通滤波器，由如图3所示的两个一阶低通滤波器串联组成。因为需要对经过二阶低通滤波器的脉冲尖峰信号进行衰减，当信号频率f≥f0时（f0为截止频率）时，在运放输出到运放同相输入之间引入负反馈，使二阶低通滤波器的幅频特性曲线中的高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。从相频特性角度，需要使电路的输出电压与输入电压的相位相反，从而要求二阶滤波器的相移趋于-180°，则一阶滤波器的相移趋于-90°。

图3 一阶低通滤波放大电路

采用节点电压法对节点1和节点2列节点方程推导出信号输入输出的传递函数为

由节点2的方程得：

根据运算放大器“虚短”“虚断”原理，可以得到运放同相端的电压为

最终可以得到电路的转移函数为

式中：K＝1+(R3/R4）。

根据式（4），将传递函数转化为

本文采用两阶滤波电路，由式（5）可以得到滤波器的增益K和转折角频率ω，通过两阶低通滤波器，脉冲尖峰被完全滤掉，留下的漏电流感应电流值也被滤波电路本身的增益进行了放大。增益系数K=K1K2，其中K1为第一阶滤波器的增益，K2为第二阶滤波器的增益。

2.2 幅频和相频特性曲线

由式（5）可以知道，二阶低通滤波器的输出与R1与R2的比值、C1与C2的比值以及增益K之间存在直接联系，而R3和R4的比值与K成正比，K值越大输出波形的选择性越好，但通频带变窄。当R3和R4的比值在0～2.5范围内变化，即K在1～3.5内变化时，幅频、相频特性比较理想，当K大于3.5时幅频、相频特性开始变差，振荡加强，波形出现失真。当C1、C2较大时转折频率小，输出波形出现失真，同时为减少元件的分散性，综合考虑选择C1=C2=10 nF，R1=22.7 kΩ，R3=4.99 kΩ，R4=10 kΩ。当R2阻值变化范围1～15 kΩ，变化量3 kΩ时，通过电路仿真软件得到信号通过一阶滤波器之后的幅度和相位曲线如图4所示。

图4 不同电阻比值下的幅频和相频特性曲线

由图4可以看出，此时输出波形的通频带较宽，转折频率在1 kHz左右，当R2=10 kΩ时，幅频和相频特性曲线变化均匀，波形经过滤波器后的幅度和相位与波形频率呈近似线性关系，此时滤波器的滤波特性最平滑，因此实际选取R2=10 kΩ。

根据前面的分析，选取第二阶低通滤波器的相关参数，为增大漏电流信号的放大倍数，选取R3=4.99 kΩ，R4=10 kΩ，则K2=3.3，通过电路仿真软件，得到漏电流采样电阻两端的电压波形通过二阶低通滤波器后的幅频和相频曲线如图5和图6所示。

图5 幅频特性曲线

图6 相频特性曲线

从图5和图6仿真的结果来看，电网频率为50 Hz，因此漏电流采样电阻两端因漏电流而产生的低频波形经过滤波器时，波形幅度没有衰减，低频波形频率小于500 Hz时相位几乎没有变化。而脉冲尖峰的频率等于振荡电路的频率，因此由图5可以看出，6.6 kHz的脉冲尖峰，经过滤波器后衰减了60 dB，即幅值变为原来的1/1 000。振荡电路在漏电流采样电阻两端的电压达到2.07 V时翻转，脉冲尖峰的幅值则为2.07 V，经过二阶低通滤波器衰减后，其幅值变为2.07 mV，漏电流采样电阻两端的脉冲尖峰被有效滤除。

综上所述，磁通门漏电流采样电阻两端的电压波形通过二阶低通滤波电路后，振荡电路产生的脉冲尖峰被滤除，脉冲尖峰被滤除后无须再通过平均值法减小尖峰影响，可直接通过AD采样读取漏电流值，当检测到电路中的漏电流大于设定值时，GFCI电路可以迅速切断电源。加入二阶低通滤波电路后，GFCI电路判断的正确性和稳定性、可靠性显著提高。

3 实验验证

由于漏电流方向的不确定性，因此GFCI电路通过加偏置电压的方法，给采样值做一个3 V抬升，最终得到漏电流AD采样电压值UAD与实际漏电流值之间的关系：

通过实际测试，无漏电流时采样电路输出波形如图7所示，由图7可以看出，磁通门最终输出信号为恒定的电压值，脉冲尖峰全部被滤除，二阶低通滤波器滤波效果良好，此时输出电压为1.45 V，考虑到示波器微小读数时的误差，实际测量值与理论计算结果相符。漏电流为120 mA时采样电路输出波形如图8所示，实际测量结果为1.574 V与理论计算结果相符。

图7 无漏电流时采样电路输出的波形

图8 漏电流为120 mA左右时采样电路输出的波形

经过1 000次测试，在漏电流采样电阻侧加入二阶低通滤波电路后，GFCI电路的误报率由原先的8.3%减小到0.2%，且有漏电流时，GFCI切断回路的速度明显加快。