插頭放電測量技術探討

PANG Cong JIA Chungeng SUN Yanyan

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1 引言

GB 4706.1-2005的22.5要求“通過插頭與電源連接的器具，其結構應能使在正常使用中當碰觸該插頭的插腳時，不會有電擊危險。通過測量插頭在電源峰值斷電，斷電1s時兩插腳間的殘留電壓是否超過34V來判斷”。為什么要求是34V，以及如何理解GB 4706.1-2005里提到的“額定電容量不大于0.1μF的電容器，不認為會引起電擊危險”。本文對上述問題進行了分析和討論，并總結出快速有效測量插頭放電的試驗方法。

2 標準理解

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其實GB 4706.1-2005中關于觸及帶電部件的條件依據主要來自GB/T 13870系列“電流對人和家畜的效應”研究，主要從電容器的放電量、電容器放電的感知閾和痛覺閾三方面來分析提供基礎數據。

2.1 放電量的計算

根據GB/T 13870.1-2008描述，就通過人體的一條給定的電流通路而言，人體的危險主要取決于電流值和通電時間。眾所周知，電流值乘以通電時間即為電荷量，Q=IT。對于一個充分充電的電容而言，其放電量就是電容的充電電壓乘以電容容值，Q=UC。再由GB 4706.1-2005的8.1.4提到“對峰值電壓大于42.4V小于等于450V的，其放電量不應超過0.1μF”、“對峰值電壓大于450V小于或等于15kV的，其放電量不應超過45μC”，可知插頭放電是否危險關鍵取決于額定電容的放電量是否大于45μC。眾所周知，國際最高電壓是240V，故最惡劣情況，電容兩端最大充電電壓 ，額定電容量C=0.1μF，則Q=UC=33.9μC＜45μC，不存在電擊危險。這正是GB 4706.1-2005中特別注明額定電容量0.1μF不認為會引起電擊危險的原因。另外，這里提到的額定電容量應該是一個等效電容，而不是特指跨接在L/N線之間的X電容。通常電路可等效視為圖1電路。

按圖1所示，當開關OFF時，額定電容值C=Cx；當開關ON時，額定電容值C=Cx+C’。因此判定22.5所提到的額定電容值需要根據實際回路，考慮是否需要算入除Cx電容之外的電容值。

2.2 電容器放電的感知閾和痛覺閾

根據GB/T 13870.2可知，人體對電容器放電會產生不同程度的痛覺感知，它由電容電壓、電容值燈因素決定的。圖2中“電容器放電的感知閾和痛覺閾”為經過研究得出的結論，其陰影部分為區域A，屬于疼痛感知閾，曲線A以下為沒有疼痛感覺的區域，曲線A至曲線B間為通常痛覺閾，曲線B以上為劇烈疼痛閾。當電壓≤34V，即使電容值≥0.1μF，手指接觸插腳的人或將經歷低于感知閾的電擊，即輕微甚至感覺不到電擊的效果，相對安全。

了解了這些內容，就能知道為什么GB 4706.1的22.5注解“額定電容值不大于0.1μF的電容器不認為會引起電擊危險”，以及要求插頭放電電壓是34V。

3 測量方法

根據標準關于該條款的描述“器具以額定電壓供電，然后將其任何一個開關置于“斷開”位置，器具在峰值時從電源斷開。在斷開后1s時，用一個不會對測量值產生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。”那么，在實際測試中，我們需注意兩點：

（1）如何實現器具電源在峰值時斷開；

（2）如何減小測量儀器對測量值產生影響。

基于這兩點考慮，我們基本首先確定是用示波器來觀察電壓波形，不僅可以觀察到是否在峰值斷開，還能精準捕捉到斷電1s時的電壓值。

3.1 電源峰值斷電的實現

通常我們通過在電源和器具間接一個雙刀雙擲的開關，隨機斷開開關，通過示波器觀察斷電位置是否在峰值。如果不在峰值斷電獲得的數據就是無效的。因此這就需要碰運氣，有時候為測得峰值斷電數據得花費很長時間，或許能達到幾個小時。好在現在市面上有峰值斷電裝置設備出售，基本可以滿足各種電壓頻率為50Hz/60Hz的電源需求。該峰值斷電是首先要找到峰值所在的時刻，即波峰或者波谷的位置。由于市電都是50Hz/60Hz的正弦波，在一個周期內，每一時刻對應的相位是不同的，因此可以利用移相電路來實現相位的調整，從而找到峰值對應的時刻。將正弦波整體向后移π/2的相位，這樣，此時正弦波的過零點對應的就是原波形峰值對應的位置。然后用過零比較模塊就可以得到矩形波，之后利用電壓保持電路在上升沿處得到持續的高電平，從而控制繼電器的動作。其原理框圖如圖3。

在峰值斷電裝置里還用到移相電路、反相電路、電壓保持電路、過零比較電路和繼電器驅動電路。另外，該峰值斷電裝置還需要滿足絕緣內阻：DC500V＞100MΩ，寄生電容＜25pF。圖4所示為使用峰值斷電裝置的插頭放電波形，圖5所示為使用普通雙擲開關的插頭放電波形，測量插頭電壓降至34V時所需時間均為270ms，測量結果一致，說明使用峰值斷電裝置對測量結果沒有影響。

3.2 測量儀器的選擇和設置

3.2.1 示波器測量探頭選擇

插頭放電測量過程中，探頭與EUT是并聯的，那么探頭的阻抗和EUT的阻抗、探頭的寄生電容和EUT的電容都是并聯關系。那么根據并聯電阻R=R1?R2/(R1+R2)，當探頭的內阻越大，等效阻值越接近EUT自身的阻值。同樣，并聯電容C=C1+C2，因此探頭的寄生電容越小，等效容值越接近EUT的容值。再由插頭L/N兩端電壓在斷開電源插頭的電壓：Ut=U(電網)e(-t/RC)可知，并聯入探頭的阻抗和容值，會使得1s時，測量電壓值會偏小，就是說當降至電壓34V時，所需要的時間就會減少，那么當樣品處于臨界狀態時易出現誤判。所以，測量探頭的阻抗越大越好，等效電容值越小越好，這也正是CTL-DSH-0716決議明確用于插頭放電測試的探頭阻抗要≥100MΩ、等效電容≤25pF的原因所在。下面就使用普通無源探頭（內阻1MΩ，容值）和使用高壓探頭（內阻100MΩ，容值25pF）來做比較，同樣EUT插頭放電至34V，普通無源探頭測量時間為260ms（如圖6所示），高壓探頭測量時間為274ms（如圖7所示）。

圖1 等效電路

圖2 電容器放電的感知閾和痛覺閾(摘自GB/T 13870.2的圖19)

圖3 原理框圖

圖4 用峰值斷電裝置斷電

圖6 無源探頭測量

圖8 直流耦合測量

圖5 用雙擲開關斷電

圖7 高壓探頭測量

圖9 交流耦合測量

3.2.2 示波器耦合方式的選擇

示波器輸入耦合方式有交流耦合和直流耦合兩種，示波器的直流耦合就是直通，交流直流一起過，并不是去除交流分量；交流耦合就是通過隔直電容耦合，去掉了直流分量。也就是說直流耦合方式采集的波形更全面、更真實，因此測量插頭放電時宜選擇直流耦合方式。圖8和圖9分別是插頭放電過程用直流耦合和交流耦合方式獲取的波形，直流耦合方式會比交流耦合方式測量結果更嚴苛，也更真實。

4 結論

GB 4706.1的22.5要求插頭放電電壓34V以下以及放電電容額定值0.1uF的主要原因就是考慮到電容器放電的人體電流效應以及電流對人的效應，都是基于IEC 60479系列的研究數據。為了快速測量插頭放電，建議使用合格的峰值斷電裝置。另外直接影響測量結果的還有測量探頭和示波器的輸入耦合方式，經過本文得出結論，測量探頭的內阻越大、等效電容越小，測量值越精準，通常選擇至少要保證滿足CTL-DSH-0716決議要求：探頭阻抗要≥100MΩ，等效電容≤25pF；示波器的輸入耦合方式必須選擇直流耦合，測量值才真實可靠。

參考文獻

[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.

[2] GB/T 13870.1-2008 電流對人和家畜的效應 第1部分：通用部分.

[3] GB/T 13870.2-2016 電流對人和家畜的效應 第2部分：特殊情況.

[4] 馮建軍. GB 8898-2001 拔除電源插頭測試方法討論.

[5] 張艷秋, 魏明然, 李紅偉. 峰值斷電裝置設計與實現.