梁觀勝，何志輝，楊 杰（.廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東珠海，59000；.重慶出入境檢驗檢疫局，重慶，40000）

一種具備峰值斷電及能量測試的剩余電壓裝置研制

梁觀勝1，何志輝1，楊 杰2
（1.廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東珠海，519000；2.重慶出入境檢驗檢疫局，重慶，400020）

分析剩余電壓產(chǎn)生機理及其特點，討論現(xiàn)行剩余電壓測試方法的優(yōu)缺點，提出一套全新的測量剩余電壓及剩余能量的測量儀器方案，重點對峰值斷電及剩余能量計算進行研究。

剩余電壓；峰值斷電；剩余能量

剩余電壓是指設(shè)備斷電后，電源插頭各極間在一段時間內(nèi)保持的電壓；剩余能量指剩余電壓泄放所產(chǎn)生的能量。產(chǎn)生的機理是由于設(shè)備電源環(huán)路存在儲能器件。如果環(huán)路中儲能器件容量足夠大，同時釋放回路阻值遠大于人體阻值時，產(chǎn)生的剩余電壓及剩余能量就可能引起觸電事故，存在潛在的危險。

目前，現(xiàn)行的安全標準均對剩余電壓管控，例如家用電器安全標準GB4706.1-2005規(guī)定：器具在電壓峰值時從電源斷開，在斷開后的1s時，用一個不會對測量值產(chǎn)生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。此電壓不應(yīng)超過34V。信息技術(shù)設(shè)備安全標準GB 4943.1-2011指出：對A型可插式設(shè)備，放電時間常數(shù)應(yīng)大于1s，對永久性連接式設(shè)備和B型可插式設(shè)備，放電時間常數(shù)應(yīng)大于10s。醫(yī)療設(shè)備安全標準GB 9706.1-2007指出：電源插腳之間以及每一電源插腳與設(shè)備外殼之間的電壓斷電后1s應(yīng)不超過60 V，如果電壓超過60V，應(yīng)測量其剩余能量，不應(yīng)超過2mJ。

由上述標準可知，剩余電壓值及剩余能量測的是瞬時值，即在斷電的某時刻（如1s、2s、5s、10s）測量電源插頭或儲能元件上的殘余電壓及能量。其中家用電器安全標準要求在電壓峰值時刻斷開電源，目的是取得最不利情況下剩余電壓值。

目前，來自電網(wǎng)電源的干擾量越來越嚴重，為了過濾來自電網(wǎng)電源的干擾及抑制設(shè)備本身的騷擾，大部分設(shè)備會在電源輸入端設(shè)計濾波電路，典型的濾波電路如下圖1所示。

圖1?。旱湫碗娫礊V波器結(jié)構(gòu)圖

圖2?。菏静ㄆ鞣y試原理簡圖

該濾波電路主要由共模扼流圈LC，跨接在L、N兩極間的X電容CX，泄放電R，電感La、Lb及跨接在L與E間的Y電容CY1 及N與E間的Y電容CY2構(gòu)成。其中共模扼流圈LC，電容CY1、CY2主要抑制來自電源電網(wǎng)的共模干擾，電容CY1、CY2給共模干擾提供泄放回路，取相對的大的容量有利于提高抑制共模干擾的能力，同時，該電容跨接在L極或N極與地之間，用戶正常使用情況下可觸及，過大的容量會帶來觸電風險，通常該電容取值小于2200pF。X電容CX，電感La、Lb主要過濾來自電網(wǎng)電源的差模干擾，差模干擾通過X電容CX構(gòu)成泄放回路，該電容通常取值范圍0.01uF~0.47uF，適當增大該電容容量，可獲得較好的差模抑制性能，但會增加線路的無功損耗及觸電風險，為了泄放電容的儲存電壓，增加泄放電阻R。安全標準考核的剩余電壓及剩余能量來源于電容CX、CY1、CY2上的殘余電壓及電量。由以上分析可知，剩余電壓有以下特點：

①能量微弱。若L極對E的Y電容CY1容量為2200pF時，電網(wǎng)電源峰值時刻斷電，即儲存電量E=CU2/2≈0.1mJ，若1s后再測量，電容自身泄漏及對線路板放電，其電量已經(jīng)非常微弱。

②存在時間短。用接在L、N兩極間的X電容CX分析，若容量為0.47uF，泄放電阻阻值1M?，即時間常數(shù)τ=RC=0.47s。若1s后再測量，該電壓為0。

③電壓形態(tài)特殊。剩余既不是峰值電壓也不是有效值電壓，而是變化的瞬時電壓，且由于電容與電感諧振，諧波含量豐富。

基于以上的分析，目前安全標準要求測量電源插頭各極間的剩余電壓，即對I類設(shè)備，要求測量L-N兩極間；G-L兩極間及G-N兩極間剩余電壓值，L-N兩極間剩余電壓測量的是差模電容的電壓；G-L兩極間及G-N兩極間剩余電壓測量的是共模電容的電壓。

目前，部分實驗室用插拔電源插頭的方式斷開電源，用數(shù)字萬用表甚至指針表測量插頭間剩余電壓，數(shù)字萬用表電壓檔直流電阻通常10MΩ，指針表直流內(nèi)阻更低，被測設(shè)備的剩余電壓通過儀表內(nèi)阻構(gòu)成泄放回路，測量不到剩余電壓。部分實驗室用儲存示波器記錄剩余電壓，為了便于測量，示波器探頭與被測設(shè)備并聯(lián)，用雙刀開關(guān)實現(xiàn)被測設(shè)備與供電電源斷開或接通連接，測量原理圖如圖2所示，若開關(guān)置于位置1，被測設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，開關(guān)置于位置2，示波器記錄被測設(shè)備剩余電壓。示波器通常使用衰減比為×1000，內(nèi)阻100MΩ，輸入電容小于25pF的高壓探頭，為了保證檢驗人員的安全，需用使用浮地示波器或使用隔離變壓器給示波器或樣品供電。

這種測試方法隨機性太高，測試結(jié)果偏差較大，開關(guān)的觸點性能直接影響測量結(jié)果，而且無法保證峰值時刻斷開電源，試驗通常需要重復(fù)多次才得獲得接近峰值斷電的測試數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果重現(xiàn)性低，況且，該方法是測試人員從存儲示波器的屏幕上讀取剩余電壓波型幅值來確定的，所以峰值斷電的時刻的判斷和斷電時間的控制易造成誤差。另外從示波器屏幕上讀取剩余電壓值由于受到毛刺等諸多因素的影響，精度不高。

為了滿足峰值斷電要求，部分實驗室采用高壓恒壓源給被測設(shè)備供電，恒壓源模擬交流電峰值時刻電壓。若被測設(shè)備供電電壓220V，即恒壓源設(shè)置輸出電壓為交流電對應(yīng)的峰值電壓220V×1.414。即可有效保證斷電瞬間被測設(shè)備供電電壓為交流電峰值。該方法主要缺點有：若被測設(shè)備帶有感性單元部件，比如電動機，變壓器等，存在燒毀感性單元部件風險；且高壓恒壓源應(yīng)有足夠功率容量，應(yīng)能滿足被測設(shè)備正常使用的功耗需求。高壓大容量的恒壓源價格昂貴，測試成本高。

為了解決上述問題，設(shè)計了一套具備峰值斷電及能量測試的剩余電壓測量方案，該方案測量儀器的原理如圖3所示，主要由STM32控制電路及測量電路、AD7606采樣電路、測量探頭，液晶顯示及繼電器模組構(gòu)成。

圖3　：測量儀器原理框圖

圖4?。豪^電器模組電路圖

測量儀器與STM32為控制核心，STM32是基于Contex M4的內(nèi)核的微處理，具備72MHz的運行速度，搭配2MB容量的SRAM，16BIT的AD模塊，可實現(xiàn)200kHz的高速采樣，對于不超過314V峰值的電壓信號，可達到5mV的分辨率。測量探頭選用衰減率×100的高壓高壓探頭，耐壓±2kV，頻率帶寬75MHz，直流內(nèi)阻100MΩ，輸入電容6pF。該高壓高阻探頭對測量信號基本無影響。測量儀器選用7寸16：9的寬屏液晶屏，便于觀察波形的細節(jié)，繼電器模組選擇測量線對，即實現(xiàn)分別測量L與N，L與G及N與G間的剩余電壓。滿足標準分別測量插頭每極間電壓的要求。

繼電器模組電路圖如圖4所示，繼電器K1、K2、K3選擇探頭正端測量極，繼電器K4、K5、K6選擇探地端測試極，若測量儀器當前狀態(tài)設(shè)置于測量L、N兩極間剩余電壓，即STM32的PA2、輸入輸出端口應(yīng)輸出高電平，繼電器K4得電，常開觸點閉合，探頭地端選擇被測樣品N極；STM32的PA4、PA0、PA1、PA3、PA4端口輸出低電平，繼電器K1、K2、K3、K5、K6均處于不得電狀態(tài)，常閉觸點閉合，探頭正端選擇L極。同理，可分析測量儀器設(shè)置于測量L、G兩極或N、G兩極的剩余電壓狀態(tài)。繼電器K1、K2、K3、K4、K5、K6用于選擇測試電極，應(yīng)保證觸點斷開絕緣電阻遠大于100MΩ，繼電器K7、K8、K9決定被測樣品是否得電及斷開電源的時刻，由于繼電器是機械結(jié)構(gòu)，吸合時間長，釋放時間短，所示被測樣品供電回路選擇繼電器的常開觸點，測量開始前STM32控制端口PA5、PA6、PA7輸出高電平，繼電器K7、K8、K9得電，常開觸點吸合，被測樣品得電，若STM32判斷應(yīng)斷開供電電源接入測量系統(tǒng)，即端口PA5、PA6、PA7輸出低電平，繼電器K7、K8、K9常開觸點迅速斷開，常閉觸點吸合。達到較高測量精度。

本設(shè)計方案的技術(shù)難點在于峰值斷電的實現(xiàn)。被測樣品供電為50Hz或60Hz工頻電源，假設(shè)為50Hz，即電源周期20ms，從過零點計時間，應(yīng)每隔5ms出現(xiàn)電源峰值，考慮繼電器斷開的反應(yīng)速度，方案中選擇檢測供電電源正向過零點，延時一段時間后斷開供電源，延時的時間由STM32根據(jù)繼電器的斷開特性自動適應(yīng)計算。

交流電信號時域模型為：

式中，fn為供電電源50H或60Hz的頻率，A為供電電源的峰值電壓，fs為采樣率，t為采樣時刻。

圖5?。弘娫措妷悍逯迭c

控制器STM32檢測的電壓波形應(yīng)如圖5所示，電源斷開瞬間測量系統(tǒng)檢測到的電壓應(yīng)為供電電源對應(yīng)的峰值電壓，若兩者相對誤差大于1%，程序根據(jù)式（1）調(diào)節(jié)采樣時刻t，即可知繼電器斷開時刻foff=20ms-t。

上述過程由程序自動完成，多次調(diào)整參數(shù)后，可自動適應(yīng)不同繼電器斷開時間特性，保證測試精度，系統(tǒng)具有一定的魯棒性。

圖6?。豪碚摲烹姴ㄐ问疽鈭D

測量儀器若1s后檢測到被測設(shè)備剩余電壓大于60V，根據(jù)醫(yī)療設(shè)備安全標準GB 9706，對2K無感電阻的放電電量不得超過2mJ。測量儀器自動接入2K無感電阻，STM32檢測到理論放電波形如圖6所示，實際放電曲線非常陡，剩余能量即為實際放電曲線與X軸及Y軸所形成面積，面積不方便計算，采用積分的方法求面積，每隔△t（對200kHz的采樣率，△t取5us）時間，采樣一組數(shù)據(jù)，測量2K無感電阻R兩端的電壓Un，直至Un=0即測量完成。由下式（2）計算剩余能量。

式中：E為剩余能量，Un為每次采樣的電壓值，R為無感電阻阻值，△t采樣時間間隔。

本文詳細歸納了現(xiàn)行標準對剩余電壓及剩余能量的要求，分析了剩余電壓及剩余能量的特點及產(chǎn)生機理。提出了滿足峰值斷電、斷電后測量時間可調(diào)及適用時能測量剩余能量的一套全新的剩余電壓及剩余能量測量儀器設(shè)計方案。

［1］ GB 4706.1-2005家用和類似用途電器的安全第1部分：通用要求［S］.北京：中國標準出版社，2005

［2］ GB 4943.1-2011信息技術(shù)設(shè)備 安全 第1部分：通用要求［S］.北京：中國標準出版社，2011

［3］ GB 9706.1-2007醫(yī)用電氣設(shè)備第一部分：安全通用要求［S］.北京：中國標準出版社，2007

［4］ GB 8898-2011音頻、視頻及類似電子設(shè)備安全要求［S］.北京：中國標準出版社，2011

The Peak Voltage And Energy Testing Of Residual Voltage Device is Developed

Liang Guansheng1，He Zhihui1，Yang Jie2
（1.Zhuhai of guangdong province quality measurement supervision and inspection，Zhuhai，Guangdo ng，519000；
（2.Chongqing Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau，Chongqing，400020）

Analysis the mechanism of the generation of residual voltage and its characteristic，discusses the advantages and disadvantages of current residual voltage test，put forward a new kind of on the residual voltage and residual energy measuring instrument design，focus on the peak voltage and conduct the thoroughresearch to the remaining energy calculation.

residual voltage；Peak voltage off；residual energy