胡永樂　梁觀勝　王粵威　王　霄　葛　亮

（珠海出入境檢驗(yàn)檢疫局廣東珠海519015）

全新剩余電壓及剩余能量測量儀器的研制

胡永樂梁觀勝王粵威王霄葛亮

（珠海出入境檢驗(yàn)檢疫局廣東珠海519015）

歸納現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)剩余電壓及剩余能量的要求，分析剩余電壓及剩余能量的特點(diǎn)及產(chǎn)生的機(jī)理并對(duì)其測量方法進(jìn)行研究，提出一套全新的關(guān)于剩余電壓及剩余能量測量儀器的設(shè)計(jì)方案，并給出了樣機(jī)和實(shí)測數(shù)據(jù)及波形圖。

剩余電壓；剩余能量；峰值斷電

1　前言

由于設(shè)備電源環(huán)路存在儲(chǔ)能器件，因此設(shè)備斷電后，電源插頭各極間在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)保持一定電壓稱為剩余電壓，剩余電壓泄放所產(chǎn)生的能量稱為剩余能量。如果環(huán)路中儲(chǔ)能器件容量足夠大，同時(shí)釋放回路阻值遠(yuǎn)大于人體阻值時(shí)，產(chǎn)生的剩余電壓及剩余能量就可能引起觸電事故，存在潛在危險(xiǎn)。特別是醫(yī)療設(shè)備，潛在危險(xiǎn)會(huì)危及患者生命，具有極高風(fēng)險(xiǎn)。故必須對(duì)設(shè)備的剩余電壓及剩余能量進(jìn)行測量和控制。

2　剩余電壓及剩余能量測量方法的研究

2.1剩余電壓及剩余能量的特點(diǎn)及產(chǎn)生機(jī)理

2.1.1主要特點(diǎn)

（1）能量微弱。若線對(duì)地電容量為5000 pF時(shí)，其能量E=CU2/2；若再經(jīng)過泄放回路1 s的放電，能量已很難測試。

（2）存在時(shí)間短。常見標(biāo)準(zhǔn)要求測試時(shí)間至少為斷電后1 s時(shí)，剩余電壓存在時(shí)間與泄放回路電阻的大小有關(guān)，但也僅有數(shù)秒鐘。

（3）電壓形態(tài)特殊。測試的既不是峰值電壓也不是有效值電壓，而是變化時(shí)的瞬時(shí)點(diǎn)電壓。

2.1.2產(chǎn)生機(jī)理

來自電網(wǎng)的干擾會(huì)影響電器設(shè)備的正常工作，而電器設(shè)備的電源開關(guān)脈沖、高頻信號(hào)也會(huì)給電網(wǎng)帶來干擾。為了有效抑制來自電網(wǎng)的干擾及電器設(shè)備的高頻脈沖對(duì)電網(wǎng)的干擾，大部分開關(guān)電源都在交流輸入電路串接電源濾波器，典型電源濾波器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　典型電源濾波器結(jié)構(gòu)圖

來自電網(wǎng)的干擾及來自電器設(shè)備內(nèi)部的干擾類型可歸類為差模干擾及共模干擾，減小差模干擾的有效方法是在電源線上串聯(lián)差模扼流圈、并聯(lián)電容（X電容）來消除高頻干擾；減小共模干擾的有效方法是在電源線上串聯(lián)共模扼流圈，在相線、中線與地線之間并聯(lián)電容（Y電容）。

正常使用中，濾波電路中的電容和線圈中均存儲(chǔ)有能量，在插頭拔出后，這些存儲(chǔ)的能量并不馬上消失。由于線圈中存儲(chǔ)的能量遠(yuǎn)小于電容存儲(chǔ)的能量，所以在標(biāo)準(zhǔn)中剩余電壓的測試僅考慮電容的放電。

差模電容（圖1中電容Cx）在電路中可以有效衰減差模干擾，其電容值通常在0.1-0.47μF之間。為了獲得對(duì)差模干擾良好的抑制能力，通常希望在電路中增大差模電容的值，但是過大容量的差模電容往往會(huì)導(dǎo)致電路放電時(shí)間的延長，這樣在拔斷插頭之后相線和中線之間剩余的電量可能會(huì)造成人身傷害事故。

濾波線路中共模電容（圖1中電容CY1、CY2）的作用受設(shè)備共模源阻抗影響較大，一般電容值在l000 pF以上。但由于共模電容串聯(lián)在安全地上，其容量不能過大，否則會(huì)引起設(shè)備對(duì)地漏電流超過安全標(biāo)準(zhǔn)限值。當(dāng)出于安全方面的考慮，共模電容不能再加大時(shí)，為了更有效消除共模干擾可以在電路中加共模扼流圈。

2.2現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)剩余電壓及剩余能量的要求

目前，現(xiàn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)剩余電壓及剩余能量進(jìn)行了限定。例如，醫(yī)療設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)GB 9706.1-2007指出：用插頭與供電網(wǎng)連接的設(shè)備，必須設(shè)計(jì)成在拔斷插頭之后1 s時(shí)，各電源插腳之間以及每一電源插腳與設(shè)備外殼之間的電壓不超過60V；設(shè)備電源切斷后立即打開正常使用時(shí)的調(diào)節(jié)孔蓋，可觸及的帶電部件剩余電壓不應(yīng)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。信息技術(shù)設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)GB 4943.1-2011指出：電容器的放電時(shí)間常數(shù)不超過下列規(guī)定值，則應(yīng)認(rèn)為設(shè)備合格：對(duì)A型可插式設(shè)備，1 s；對(duì)B型可插式設(shè)備，10 s。時(shí)間常數(shù)是指等效電容量和等效放電電阻值的乘積。如果測定等效電容量和電阻值有困難，則可以在外部斷接點(diǎn)測量電壓衰減，在經(jīng)過一段等于一個(gè)時(shí)間常數(shù)的時(shí)間，電壓將衰減到初始值的37%。音視頻設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)GB 8898-2011規(guī)定：a）開路電壓不超過交流35 V（峰值）或直流60 V；b）貯存電壓在60 V到15 kV之間者，放電量不超過45mC。家用電器安全標(biāo)準(zhǔn)GB4706.1-2005規(guī)定：器具在電壓峰值時(shí)從電源斷開，在斷開后的1 s時(shí)，用一個(gè)不會(huì)對(duì)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34 V。

通過對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)研究可以得知，剩余電壓值及剩余能量測的是瞬時(shí)值，即在關(guān)斷電源后的某時(shí)刻（如1 s時(shí)、2 s時(shí)、5 s時(shí)、10 s時(shí)），電源插頭或儲(chǔ)能元件上的殘余電壓及能量。音頻頻設(shè)備電源插頭上的剩余電壓規(guī)定為斷電2 s時(shí)的瞬時(shí)電壓，上述其他設(shè)備電源插頭上的剩余電壓規(guī)定為斷電1 s時(shí)的瞬時(shí)電壓。家用電器則要求在電壓峰值時(shí)斷開器具供電電源，其他標(biāo)準(zhǔn)為了找到最不利情況，一般要求試驗(yàn)進(jìn)行10次。測量插頭上的剩余電壓要在各插腳之間測量，測量儲(chǔ)能元件上的剩余電壓一般是指其對(duì)地的電壓。

2.3現(xiàn)行剩余電壓通用測量方法

基于以上的分析，目前安全標(biāo)準(zhǔn)均要求測量電源插頭各極間的剩余電壓。對(duì)帶保護(hù)地的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兩極間剩余電壓實(shí)測是差模電容的電壓，G-L兩極間及G-N兩極間剩余電壓實(shí)測是共模電容的電壓。

目前，大部分實(shí)驗(yàn)室一直使用示波器測試法測量剩余電壓。示波器法是指用插拔電源插頭的方式，以存儲(chǔ)示波器記錄斷電某時(shí)刻電源插頭各極間的剩余電壓，并從存儲(chǔ)示波器的屏幕上讀取記錄的剩余電壓波型幅值。在插頭的L-N之間，G-L之間，G-N之間測量（見圖2），選取最大值為其剩余電壓。

圖2　測試工裝

這種測試法隨機(jī)性太高，測試值往往相差很大，突然開關(guān)切換會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈火花干擾，而且，無法保證于其電壓峰值時(shí)切斷電源。為了保證實(shí)現(xiàn)峰值切斷電源的要求，部分實(shí)驗(yàn)室采用恒壓直流源給被測樣品供電的方法，若被測樣品的工作電壓為交流220 V，即用對(duì)應(yīng)于交流電壓峰值的直流電壓220V×1.414= 311.08 V給被測樣品供電。該方法可保證在峰值時(shí)刻切斷電源，但被測樣品工作電壓過高，容易燒毀被測樣品，測試具有極高的風(fēng)險(xiǎn)性。

況且，示波器法測試數(shù)值是測試人員從存儲(chǔ)示波器的屏幕上讀取剩余電壓波型幅值來確定，所以峰值斷電時(shí)刻的判斷和拔斷時(shí)間的控制易造成不可忽視的誤差。另外由于受到毛刺等諸多因素的影響，從示波器屏幕上讀取剩余電壓值，精度受到一定的限制。示波器法實(shí)際測試圖形見圖3，從該圖可以看出，實(shí)際操作需要頻繁移動(dòng)標(biāo)尺，毛刺較多，較難得到精確結(jié)果。

圖3　示波器法實(shí)測曲線

3　全新剩余電壓及剩余能量測量儀器研制

3.1設(shè)計(jì)方案

為了解決上述問題，本研究提出了一套全新的剩余電壓及剩余能量測量儀器設(shè)計(jì)方案，原理如圖4所示，分為STM32控制電路、AD7606采樣電路、液晶顯示及繼電器模組。

圖4　原理框圖

繼電器模組與ARM處理器IO端口連接，所以繼電器驅(qū)動(dòng)電路由控制器發(fā)出信號(hào)控制，控制繼電器閉合或斷開電路。當(dāng)繼電器處于工作狀態(tài)時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合，給待測設(shè)備供電，與此同時(shí)，常閉觸點(diǎn)斷開，沒有測量信號(hào)，測量電路不工作。從電源電壓過零點(diǎn)起延時(shí)5ms（此時(shí)為電源電壓理論上的峰值時(shí)刻）后，延時(shí)電路發(fā)出代表峰值時(shí)刻的電壓脈沖，繼電器的驅(qū)動(dòng)電路工作，切斷繼電器電源，此時(shí)，繼電器的常開觸點(diǎn)打開，使待測儀器斷電，同時(shí)，常閉觸點(diǎn)閉合，使剩余電壓信號(hào)輸入到測量電路。

由于繼電器是機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以繼電器吸合時(shí)間長，且釋放時(shí)間極短，故采用讓繼電器先工作而在必要時(shí)刻以極短的時(shí)間快速斷電，以使繼電器達(dá)到該設(shè)計(jì)的要求。這一特性使得繼電器的使用對(duì)測量精度的影響很小。同時(shí)，設(shè)計(jì)中儀器的延時(shí)時(shí)間可調(diào)整，這樣可以對(duì)系統(tǒng)中某些環(huán)節(jié)造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

儀器輸入阻抗是指輸入端電壓和電流之比。當(dāng)連接儀器進(jìn)行測量時(shí)，需考慮阻抗對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響。在理想情況下，對(duì)被測儀器進(jìn)行測試時(shí)不應(yīng)影響它的正常工作，測量值也應(yīng)和未接測試儀器時(shí)相同。然而，由于測試儀器和被測儀器之間不可避免的能量交換，在一定程度上會(huì)改變被測儀器的工作狀態(tài)。如果用較低阻抗的儀表測量電壓時(shí)會(huì)受到影響，導(dǎo)致電壓讀數(shù)降低，所以，測量電路必須保證較高的輸入阻抗。

本測量儀器設(shè)計(jì)方案采用高壓探頭作為分壓模塊，該電壓探頭具有100∶1的電壓變比，內(nèi)阻100M，輸入電容6 pF，帶寬100M，輸出阻抗1M，搭配16位AD7606作為AD轉(zhuǎn)換，具有分辨率高特點(diǎn)。

該設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

（1）采用高壓探頭檢測電源電壓過零點(diǎn)、控制器延時(shí)的方案，電路簡單，方法可靠，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。

探頭監(jiān)測到供電電壓過零點(diǎn)（圖5）時(shí)控制器開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過1/4周期T（如T=20ms，則為5ms），向繼電器模組發(fā)送信號(hào)，繼電器動(dòng)作，斷開負(fù)載電源接入測試信號(hào)，如圖6所示。

圖5　電源電壓峰值點(diǎn)

圖6　控制原理簡圖

（2）具有剩余能量測量功能。

若檢測到電壓大于設(shè)定值，自動(dòng)接入2000Ω無感電阻，測量2000Ω無感電阻放電的能量，理論放電波形見圖7，實(shí)際該放電曲線非常陡。剩余能量即為實(shí)際放電曲線與X軸及Y軸所形成的面積。計(jì)量剩余能量的方法為：

每隔△t（△t取0.1 ms）測量一次無感電阻R兩端的電壓Un，直至Un=0時(shí)不再測量。將在這段時(shí)間內(nèi)測得的U值按以下方式求和

圖7　放電波形示意圖

（3）高輸入阻抗。

采用內(nèi)阻為100M的高壓探頭采樣，高絕緣電阻的繼電器作切換開關(guān)，高品質(zhì)運(yùn)算放大器作信號(hào)補(bǔ)償，有效避免因測量儀器輸入阻抗造成的測量誤差，從而實(shí)現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的高精度測量；

（4）實(shí)時(shí)顯示放電曲線。

釆用ARM做控制與數(shù)據(jù)處理單元，利用7寸液晶屏實(shí)時(shí)顯示放電電壓波形。

3.2樣機(jī)

根據(jù)該設(shè)計(jì)方案制作的樣機(jī)外觀見圖8，采用樣機(jī)實(shí)際進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)及波形見圖9。

該樣機(jī)主要的性能特點(diǎn)有：

（1）可分別測試負(fù)載L-N或L-G或N-G之間的剩余電壓；

（2）斷開電源后，開始測量時(shí)間在0-10 s之間可調(diào)，符合不同標(biāo)準(zhǔn)要求；

（3）若測量到的電壓大于限值（0-60 V可調(diào)），可自動(dòng)接入2000Ω無感電阻，實(shí)現(xiàn)剩余能量的測量；

（4）顯示模塊X軸及Y軸能自動(dòng)適應(yīng)測量波形，波形自動(dòng)充滿屏幕，方便讀取結(jié)果；

（5）具備USB口數(shù)據(jù)（顯示屏截屏圖片，保存到U盤）輸出功能，方便測試工程師出具報(bào)告。

（6）具有過流保護(hù)功能，當(dāng)檢測到負(fù)載電流大于16 A，可自動(dòng)斷開負(fù)載。

4　結(jié)語

本研究詳細(xì)歸納了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(diǎn)及產(chǎn)生機(jī)理，提出了一套全新的剩余電壓及剩余能量測量儀器設(shè)計(jì)方案，并給出了樣機(jī)和實(shí)測數(shù)據(jù)及波形圖。

［1］GB 9706.1-2007醫(yī)用電氣設(shè)備第一部分：安全通用要求［S］.

［2］GB 4943.1-2011信息技術(shù)設(shè)備安全第1部分：通用要求［S］.

［3］GB 8898-2011音頻、視頻及類似電子設(shè)備安全要求［S］.

［4］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］.

通知

為了適應(yīng)期刊網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的需要，《檢驗(yàn)檢疫學(xué)刊》編輯部聯(lián)合中國知網(wǎng)開發(fā)了期刊采編系統(tǒng)（http://xdsj.cbpt.cnki.net），將于2017年1月1日正式上線運(yùn)行。該系統(tǒng)包含網(wǎng)刊發(fā)布系統(tǒng)、作者在線投稿系統(tǒng)、專家在線審稿系統(tǒng)、編輯在線采編系統(tǒng)、在線訂閱系統(tǒng)、期刊發(fā)行系統(tǒng)等，方便與作者、讀者溝通；通過作者在線投稿系統(tǒng)，作者可遠(yuǎn)程在線提交稿件，不用打電話即可了解稿件實(shí)時(shí)狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)期刊采編系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡，編輯部在2016年7月1日至2016年12月31日將使用郵箱與采編系統(tǒng)雙收稿程序，2017年1月1日，將停止郵箱收稿。

《檢驗(yàn)檢疫學(xué)刊》編輯部

A New Study on the Development of Measurement Instrument of Residual Voltage and Residual Energy

HU Yongle，LIANG Guansheng，WANG Yuewei，WANG Xiao，GE Liang
（Zhuhai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Zhuhai，Guangdong，519015）

This article concludes requirements of current standards on residual voltage and residual energy，

Residual Voltage；Residual Energy；Disconnection at the Instant of Voltage Peak

TM93

E-mail：574458379@qq.com

珠海出入境檢驗(yàn)檢疫局科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZH2012-8）

2016-02-19

analyzes the characteristicsandmechanism of residualvoltage and residualenergy and researcheson itsmeasuring method，proposing a new set of suggestions on the residual voltage and residual energy measuring instrument design togetherw ith prototype，measured dataand thewaveform graph.