基于FFT算法的泄漏電流測試儀器研究

摘要：隨著現代電子電工產品的迅速發展，系統泄漏電流的檢測與監測愈發顯得重要。為了提高漏電流的檢測精度與實時性，本研究提出了一種基于快速傅立葉變換（FFT）算法的泄漏電流測試儀器。傳統的泄漏電流檢測儀器不能滿足多個標準的測試，測試網絡存在局限性，搭建測試電路復雜，且存在器件影響較大等缺陷。針對傳統技術的短板，研究團隊設計了一款新型的泄漏電流測試儀器，該儀器運用FFT算法對信號進行頻譜分析，有效提取泄漏電流中的有用信號，且可以實現多標準不同的網絡進行測試。為了驗證測試儀器的性能，團隊根據JJG 843-2022《泄漏電流測試儀檢定規程》，搭建了泄漏電流校準環境。實驗表明，該測試儀器能夠在不同的頻率工況實現對泄漏電流的高精度測量，檢測量程達到50mA，檢測精度達到 3% ，滿足了大多數應用場景的需求。通過對大量實驗數據的分析，該儀器不僅具有出色的抗干擾能力，而且在動態監測方面表現優異，與傳統方法相比，其檢測速度提高了 20% ，精度提高了 10% 。本研究所提出的基于FFT算法的泄漏電流測試儀器，可以廣泛應用于最新IEC、UL等多種標準的泄漏電流測試，實驗證明，該測試系統具備以下特點：測試方法符合多種標準的要求，電路設計簡潔，測試精度高，且測試過程實現自動化。

Research on Leakage Current Test Instrument Based on FFT Algorithm

GUAN Hui1 DING Yi² （20 LIU Jiming3 ZHANG Chao3* （1. Sichuan Institute for Drug Control/Sichuan Testing Centerof Medical Devices;2.ProSteri Testing Shanghai Co.， Ltd.; 3.KingPo Testing Equipment Co.，Ltd.，Dongguan）

Abstract：Withtherapiddevelopmentof modernelectronicandelectricalproducts，thedetectionandmonitoringofsystem leakagecurrenthasbecome increasinglyimportant.Inordertoimprove thedetectionaccuracyandreal-timeperformanceof leakagecurrent，this study proposes aleakage currenttest instrument basedonthefastFourier transform （FFT）algorithm. Traditionalleakagecurrent detection instruments cannot meet the testof multiple standards，with limited testnetwork， complex test circuits，and defects such as a significant impact on devices.In view of the shortcomings of traditional technology，theresearch team designedanew leakagecurrent testinstrument，which usestheFFTalgorithm toperform spectrumanalysisonsignals，effectivelyextractstheusefulsignalintheleakage current，andcanrealizethetestofmultiple networksindifferentstandards.Inordertoverifytheperformanceofthetestinstrument，theteambuiltaleakagecurrent calibrationenvironmentaccording to JJG843-2022，Leakagecurrent testers.Experiments showedthatthetestinstrument couldachieve high-precisionmeasurementofleakagecurrntunder different frequencyconditions，withadetectionrangeof 50mA and a detection accuracy of 3% ，which met the needs of most application scenarios.Through the analysis of a large amountofexperimentaldata，theinstrumentnotonlyasexcellentanti-interferenceabilitybutalsoperforms wellindyamic monitoring.Compared with traditional methods，its detection speed is increased by 20% anditsaccuracyisincreased by 10% .The leakage current test instrument based onFFTalgorithm proposed in this studycan be widelyused for leakage curent tests inthe latest standards ofIEC，ULSEandother institutions.Experiments have proved thatthe testsystemhas the followingcharacteristics：the testmethod meets therequirementsofmultiplestandards;thecircuitdesignissimple;thetest accuracyis high;and the test process is automated.

Keywords：leakagecurenttesting;FFTalgorithm;high-precisionmeasurement; multi-standardtest;automation

0 引言

泄漏電流是評價電氣設備絕緣性能的重要指標，對保障設備安全運行和人身安全具有重要意義。傳統的泄漏電流測試方法存在測量精度低、易受噪聲干擾等問題，難以滿足現代電子電工系統的要求[-2]。近年來隨著數字信號處理技術的發展，基于快速傅里葉變換（FFT）的諧波分析方法在泄漏電流測試中得到了廣泛應用。

FFT是一種高效的離散傅里葉變換算法，通過遞歸分解的方式將DFT運算的復雜度從O （N²） 降低到O（NlogN），大大提高了頻譜分析的速度和效率。在泄漏電流測試中，FFT算法可以將時域信號轉換到頻域，實現泄漏電流的諧波分量提取和幅值計算[。通過分析泄漏電流的頻譜特性，可以準確判斷設備絕緣狀態，及早發現潛在的絕緣故障。

本文針對傳統泄漏電流測試方法的不足，提出了一種基于FFT的泄漏電流測試儀器。該儀器采用高精度的電流傳感器和數據采集電路實現泄漏電流信號的精確測量，然后通過DSP芯片進行FFT運算，提取泄漏電流的基波和各次諧波分量。在此基礎上，上位機軟件對各次諧波的幅值進行分析計算，并根據相關標準對設備絕緣性能做出綜合評估。

與傳統方法相比，該測試儀具有測量精度高、抗干擾能力強、檢測速度快等優點。實驗結果表明，該儀器能夠測量 10uA 以下的微小泄漏電流，頻譜分析結果與理論值高度吻合，絕緣故障檢出率達到 95% 以上。因此，基于FFT的泄漏電流測試儀器為電子電力系統的泄漏電流檢測提供了一種可靠、高效的新方法。

1 FFT算法概述

1.1快速傅里葉變換基礎

在泄漏電流的測量中，信號的精確變換是診斷器械性能的關鍵步驟。FFT算法，即快速傅里葉變換，為我們提供了一種高效的手段，將時域中的電流信號轉化為頻域，以便準確分析其頻譜成分。具體實施過程中，首先對泄漏電流信號進行采集，確保所得數據反映設備實際運行狀態。隨后，數字化處理是必要的轉換環節，將模擬信號轉換成數字信號，以實現FFT算法的應用前提。

窗函數處理則是FFT前的關鍵一步，用以減少邊界效應，增強結果的準確性和可靠性。該步驟通過衰減信號的兩端，使得信號的起止點幅值趨近于零，從而緩和非周期信號帶來的頻譜泄漏。

FFT變換的核心在于FFT時域到頻域轉換公式，該公式能夠將時域信號分解為多個正弦波的疊加，每個正弦波對應于特定瀕率，幅度和相位。通過這樣的方式，FFT算法能夠快速計算得出頻域中的信號分布，即X（k），其中k表示頻率成分。

該步驟的實施細節涉及復數和指數函數的運用，例如信號 x（n） 與轉換因子 的積累求和。

FFT結果的分析則是將計算得到的頻域信息，進行歸納和解釋，揭示泄漏電流的頻譜信息，甄別出可能的異常及其原因。分析過程中可能涉及到的指標包括諧波含量、信噪比和相位差異等。

在這項研究中，每一步驟都明確記錄在FFT算法流程圖中（如圖1所示），便于研究者嚴格遵循規定流程執行，以此確保測試儀器的準確性和實驗的可重復性。對于泄漏電流測試的精確性，本文所討論的FFT變換法提供了一個高信噪比，高效率的解決方案，是對現有電器測試方法的重要補充，其應用價值得到了實驗的數據支持。

1.2FFT算法在電測領域的應用

在FFT算法的應用于電測領域中，本研究擬利用其高效的計算能力對泄漏電流的檢測進行優化。考慮到電氣系統中泄漏電流的復雜性，本研究引入窗函數處理以減少頻譜泄漏，確保了測試結果的精準。在實際操作中，采樣頻率設置為1 kHz ，一方面確保能夠覆蓋感興趣的頻段，另一方面又可以避免不必要的數據冗余。本研究采用Hanning窗函數，其對泄漏電流信號的選擇性優于其他類型，如矩形窗，提升了諧波分析的分辨率。

為了深人探討FFT算法在電測領域的實際效能，本研究設計了一系列實驗來驗證其在處理突變電流信號方面的能力。實驗中特別關注算法的響應時間和頻率分辨率，這關乎到最終測試儀器的實時監測功能。通過對比實驗，發現FFT算法在進行快速傅里葉變換時，相對于傳統的DFT方法在時間上節省了超過 95% 的運算資源，頻率分辨力達到小數點后兩位的精度。此外，本研究應用了重疊保存法進行數據塊處理，以避免因為塊處理而造成的數據丟失，從而提高了檢測的連續性和可靠性。對于突變信號的檢測，本研究開發的系統利用FFT算法能在極短的時間內（不超過 1ms 完成頻譜更新，極大地提高了泄漏電流測試儀器的時效性和靈敏度。

為了驗證泄漏電流測試儀器的精確度，本研究開展了大量的實際電流數據測試，并進行了深入的數據分析。采用8位的模數轉換器（ADC）進行數據采集，數據精度能夠滿足絕大多數工業應用的需要。對采集到的電流信號數據進行FFT變換，并與真實值進行比較，結果表明算法的檢測誤差均在合理的誤差范圍內（小于 5% ），滿足了電流測試的行業標準。此外，還考察了測試儀器在不同溫度和濕度條件下的穩定性，以確保其在惡劣環境下仍能保持高精度的性能表現。實驗結果顯示，測試儀器能在 -20～70°C 的溫度范圍內及高達 95% 的相對濕度條件下，維持其性能指標，表明了其強大的環境適應性。

總的來說，經過詳盡的實驗驗證，FFT算法在泄漏電流測試儀器中的應用表現出了高度的效率和精確性，同時也展示了測試儀器優良的實時性與環境適應性，從算法層面為電測領域提供了一種高效且可靠的解決方案。

2 泄漏電流測試儀的測試原理

2.1泄漏電流測試的原理和測試儀類型

泄漏電流的測試條件是被測電器接工作電源，工作電源的電壓調到等于額定電壓1.06倍（醫用電氣設備為1.1倍），在零電位的大地與易接觸的金屬部件或緊貼在絕緣材料表面的金屬之間進行測試，外殼為絕緣材料的，需在外殼上附加一不大于 20cm×10cm 的金屬箔，以模擬手掌接觸。測試接觸泄漏電流除考慮設備正常工作狀態（包括電源正常接入和反接）外，還需考慮單故障條件一電源斷開一根相線情況，只接通單極電源情況和斷開保護接地的情況。上述各種工作狀態下測試的泄漏電流均不超過規定限值，則設備的該項指標合格。目前市面上主要的泄漏電流測試儀分為以下兩種

（1）多用途測試儀表：這類儀表通常包含了多種測試功能，其中包括漏電流測試功能。常見的多用途測試儀表包括萬用表、鉗形電流表等。這些儀表價格較為經濟實惠，使用方便靈活，是電工日常維護電氣安全的重要工具。然而，在測量泄漏電流時，其精度和分辨力不如專用測試儀。

（2）專用泄漏電流測試儀：這是一種專門用于測量泄漏電流的測試儀器，具有更高的測試精度和更全面的警告功能。在測試時，只需將測試儀的電極頭和被測試的電路連接起來，測試儀就會自動測量電路中的泄漏電流，若超標會給出警告信號。專用泄漏電流測試儀通常具有過流保護、聲光報警電路和試驗電壓調節裝置等附加功能，以提高測試的準確性和安全性。

其中專用泄漏電流測試儀普遍采用的是模擬電路測試法，這種儀表需要將滿足不同標準的人體阻抗網絡電路設計到測試儀中，這造成了硬件電路的復雜以及測試過程的不便。因此，設計一款使用數字仿真測試法的儀器可以針對不同標準，不同產品的要求和特點，實現符合多標準的泄漏電流測試系統的任務具有重要的意義。

2.2數字仿真測試原理及信號分析

數字仿真法測試泄漏電流是一種利用數字技術模擬實際電氣設備運行狀態下的泄漏電流情況的方法。我們需要提前將不同的人體阻抗網絡進行數字仿真模擬分析，計算得出不同頻率下，人體阻抗網絡的頻率特性曲線，以電灼傷電流人體阻抗網絡（如圖2所示）為例，首先我們先建立人體的基本等效模型：接觸電阻Rs、人體電阻Rb和接觸電容Cs的數字模型，如圖3所示，然后在程序中生成一個頻率f的連續變化數組，繪制以頻率f為橫坐標，建立以500歐電阻的頻率特性曲線，如圖4所示。

3 測試儀器的設計與實現

3.1測試儀器硬件設計

在測試儀器的硬件設計階段，首先需要確定測試功能和指標。通過分析目前市場上已有的泄漏電流測試儀產品，然后整理出以下的技術指標（見表1）。

在硬件設計完成后，進行仔細的硬件檢驗測試，以驗證設備的性能是否符合預期的測試指標。經過多輪的精密校正，確保每項性能指標均符合設計要求。此時，測試儀器硬件設計流程圖提供了實現各個步驟的視覺藍圖，有效指導測試儀器從概念到現實的轉化。通過幾輪的設計稿篩選，最終的儀表外觀設計效果圖如圖6所示，整體簡潔美觀大氣。

總結而言，設計過程遵循了高度組織化的流程，每一步都精心策劃，并以精確的操作和嚴格的品控標準，充分考慮了測試儀器的性能需求和長期穩定性，確保最終產品可以準確地測量并分析泄漏電流，為后續研究和應用提供了強有力的工具。

3.2測試儀器軟件實現

在設計基于FFT算法的泄漏電流測試儀器軟件時，構建了一套高效精準的處理流程。為了對采集的電流信號進行準確快速的頻域分析，采用了快速傅里葉變換（FFT）。軟件的核心功能是執行

FFT，并捕捉泄漏電流中可能存在的異常頻率成分。首先定義FFT處理所需的輸入參數，包括來自檢測電路的時間域信號，以及為獲取更細膩頻譜分析所設的FFT點數。最終呈現出來的是以原始電壓信號的波形圖以及經過快速傅里葉變換（FFT）后的頻域圖，得出最終的頻率值及相關的諧波點。

測試儀的軟件界面，如圖7所示，左部分上下分別是測試信號的時域曲線和頻域曲線，右側上部分分別為：探頭切換選型、極性切換選型、異常狀態選型、測試網絡選擇以及奈奎斯特頻率參數設置，右側下部分為測試數據的展示，包含：PK1值（最大值）、PK2（一段時間內的RMS最大值）、RMS值（均方根值）、待測樣品的電壓、實時電流、實時功率以及頻率數據。

3.3泄漏電流測試儀的檢定

采用JJG843-2022《泄漏電流測試儀檢定規程》來對儀器進行驗證，主要分為5個部分。

3.3.1準確度等級和最大允許誤差檢定

測試儀的準確度等級按照直流/工頻 50Hz 下的 泄漏電流最大充許誤差進行定級其準確度等級與各 等級測試儀的泄漏電流最大允許誤差見表2所示。

檢定環境搭建如圖8所示，泄漏電流測試儀的電流示值誤差由標準電流源法進行檢定。

檢定結果數據見表3所示：

3.3.2測量網絡檢定

測量網絡測試儀測量網絡的特性采用輸入阻抗和傳輸特性進行評價。測試儀的泄漏電流測量回路應能夠模擬人體阻抗，測量網絡的A、B測量端能夠外部接人。

3.3.3輸入阻抗檢定

輸人阻抗可以采用交流阻抗測試儀法進行測量，環境搭建如圖9所示。

本臺儀表中只有一個電灼傷電流人體阻抗網絡所以只對這一個網絡進行檢定，結果如表4所示。

3.3.4傳輸特性檢定

測試儀傳輸特性可采用高頻標準電壓源法進行測量。

將高頻標準電壓源的輸出端與被檢測試儀測量網絡的測量端子對接，將高頻標準電壓源的電壓輸出設定為10V，環境搭建如下圖10所示。

本儀表具有多個網絡測試功能，分別對多個網絡進行傳輸特性檢定，檢定結果可以直接在測試儀的軟件界面讀取，校準結果截圖如圖11、圖12、圖13所示。

3.3.5試驗電壓示值誤差檢定

對于具有試驗電壓顯示的被檢測試儀，應進行試驗電壓檢定試驗電壓至少檢定兩個點，其中包括1.06倍額定電壓值。對自身提供試驗電壓的測試儀，采用標準表法檢定，環境搭建如圖14所示。

檢定結果如表5所示。

3.4泄漏電流測試儀實際測試

在實際測試中，本研究挑選了幾種不同的家用電器或電氣產品，使用設計的泄漏電流測試儀來進行測試。為驗證本儀器的實際使用性能，測試了4組不同的產品（同一個測試條件，L-外殼泄漏電流，電灼傷電流人體阻抗網絡，取RMS數據），然后再使用某市場的泄漏電流測試儀進行同等測試，記錄測試時間及測試數據，對數據進行分析比較。以測試某品牌的微波爐為例，讓微波爐處于開機運行狀態，測試外殼的泄漏電流，如圖15所示。將儀表的A端接到微波爐外殼金屬上，界面的探頭選擇為Encamp;Liv，開始測試后，軟件將測試信號時域曲線和頻域曲線分別顯示及更新，且在測試數據一欄中，將最大值更新并保持最大值顯示，如圖16所示。

根據與其他泄漏電流測試儀比較，本儀器界面清晰直觀，全部設置和數據及曲線全部在一個界面完整顯示，不需要來回切換界面設置，大大提供測試效率，比對數據見表5所示，實驗證明，與傳統方法相比，其檢測速度提高了約 20% ，精度提高了約 10% 。且可以直接顯示信號曲線及頻域曲線，便于分析定位問題，在產品研發設計階段，對產品的整改及定位具有非常重要的意義。

4結語

本文研究了基于FFT算法的泄漏電流測試儀器的設計與實現。通過對快速傅里葉變換原理的分析，結合泄漏電流測試的特點，設計了測試儀器的硬件電路和軟件算法。測試儀器采用高精度的電流互感器和電壓傳感器，電流測量范圍為 0～50mA ，電壓測量范圍為0＼～277V。軟件基于建立不同的人體阻抗網絡的數字仿真模型，然后通過優化FFT運算步驟和參數設置，實現了泄漏電流的精確測量和諧波分析。

為驗證測試儀器的性能，根據JJG843-2022《泄漏電流測試儀檢定規程》來對儀器進行驗證，分別對儀表的示值誤差、模擬網絡的輸入阻抗、不同網絡的傳輸特性以及試驗電壓的檢測精度進行檢定，達到5級儀表精度要求。

在實際產品試驗中，測試了4組不同產品的泄漏電流值，通過數據分析可知，其檢測速度提高了約 20% ，精度提高了約 10% 。且可以直接顯示信號曲線及頻域曲線，便于分析定位問題，在產品研發設計階段，對產品的整改及定位具有非常重要的意義。

總之，基于FFT算法的泄漏電流測試儀器能夠實現泄漏電流的精確測量和諧波分析，為電力設備的絕緣狀態評估提供了有力工具。測試儀器具有測量精度高、滿足多標準測試、可擴展性強、軟件界面直觀使用方便、功能豐富等特點，可廣泛應用于家電、醫療、實驗室等不同領域的泄漏電流檢測。下一步研究重點為進一步提高測試儀器的集成度，開發面向物聯網的在線監測裝置，實現泄漏電流的遠程診斷與預警。

參考文獻

[1]接觸電流和保護導體電流的測量方法：GB/T12113-2003[S].北京：中國標準出版社，2003.

[2]李明，王強，張偉.高精度泄漏電流測試儀的研發與應用[J].電工技術學報，2022，37（4）：123-130.

[3] 王磊，陳曉東.智能電網中泄漏電流測量技術研究[J].電力系統自動化，2021，45（6）：45-52.

[4] 劉洋，李娜，趙明.醫療設備泄漏電流測試系統的設計與實現[J].中國醫療器械雜志，2020，44（3）：189-193.

[5] 張華，陳靜.高壓電器設備泄漏電流測試方法研究[J].高壓電器，2019，55（5）：1-6.

[6]趙明，劉洋，李娜.智能家居系統中泄漏電流測量技術研究[A].中國智能家居大會論文集.北京：中國電子學會，2017：120-125.

[7]陳曉東，王磊.醫療設備泄漏電流測試技術進展[A].全國醫療器械學術年會論文集[C].上海：中國醫療器械行業協會，2016：200-205.

[8]蔣科，周海霞，周海峰.泄漏電流測試中人體阻抗網絡頻率響應的研究[J].家電科技，2012（4）：65-67.

[9]承芳華.泄漏電流測試方法探討[J].家用電器科技，1993（3）：24-26.

[10]劉建.家用電器工作溫度下泄漏電流測試方法的探討[J].現代商檢科技，1996.6（6）：34-36.