電容能量危險(xiǎn)限值的測(cè)試

【作 者】李雨明 ，王仁俊

江蘇省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，南京市，210042

0 引言

電氣設(shè)備中，防電擊和能量的危險(xiǎn)防護(hù)，各個(gè)行業(yè)都有不同的要求，測(cè)試方法也不同。電擊和能量的危險(xiǎn)防護(hù)，國(guó)標(biāo)中主要是針對(duì)電容的儲(chǔ)能造成危險(xiǎn)。電容器在電路的一次回路或電源插頭插拔時(shí)的危險(xiǎn)性檢測(cè)，一般以電容器的容量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，主要檢測(cè)放電后1 s或2 s時(shí)電容的剩余電壓值，5 s或10 s時(shí)設(shè)備外殼與內(nèi)部易觸碰的儲(chǔ)能器件間在這段時(shí)間內(nèi)所保持的電容殘余電荷量和電能量。

本文對(duì)電容存儲(chǔ)的電能量的危險(xiǎn)作一些分析，并提出相應(yīng)的簡(jiǎn)易檢測(cè)方法，供相關(guān)人員參考。

1 電容存儲(chǔ)能量的危險(xiǎn)表達(dá)規(guī)定

目前，對(duì)于的電容儲(chǔ)存能量會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，各國(guó)標(biāo)都要求強(qiáng)制檢測(cè)。但對(duì)于檢測(cè)的數(shù)值、要求和方式均有不同。

1.1 國(guó)標(biāo) GB9706.1-2007[1]規(guī)定

“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(guò)60 V。”

“在設(shè)備電源切斷后立即打開在正常使用時(shí)用的調(diào)節(jié)孔蓋就可觸及的電容器或與其相連的電路帶電部件上的剩余電壓不得超過(guò)60 V，若電壓超過(guò)此值，則剩余能量不得超過(guò)2 mJ?！?/p>

1.2 國(guó)標(biāo)GB4793-2007[2]規(guī)定

1）對(duì)電壓小于或等于峰值15 kV或直流15 kV，電荷為45 μC；

2）對(duì)電壓大于或等于峰值15 kV或直流15 kV，儲(chǔ)存能量為350 mJ。

其他國(guó)標(biāo)如：GB8898-2001 、GB4943-2001、GB4706.1-2005等都有類似的規(guī)定。

從國(guó)家發(fā)布的強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，測(cè)試是必須的。電容存儲(chǔ)的能量檢測(cè)要求規(guī)定：電壓小于15 kV，或者從內(nèi)部電容接受電荷的端子（任何零部件）檢測(cè)的是電荷量，不大于45 μC；電壓大于15 kV，檢測(cè)的是能量，不大于350 mJ。

2 電容存儲(chǔ)能量的特點(diǎn)和檢測(cè)方法

2.1 電容存儲(chǔ)能量的特點(diǎn)

(1) 能量微弱 線對(duì)地電容量為3000 pF時(shí)，其能量E=1/2×C×U2=1/2×0.03 uF×10-6×(60V)2=54×10-6=0.054 mJ，再經(jīng)過(guò)回路電阻1 s的放電，能量已很難測(cè)試。

(2) 存在的時(shí)間短暫 測(cè)試時(shí)間為1～10 s之間，存在時(shí)間根據(jù)回路阻抗的大小，也僅數(shù)秒鐘。

(3) 電壓形態(tài)特殊 測(cè)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。

(4) 電容存儲(chǔ)能量的表示不一致。有用剩余電壓(V)表示，有用庫(kù)倫( μC)表示，還有用焦耳(mJ)表示。

2.2 電容存儲(chǔ)能量的測(cè)試要求

(1) 很高的測(cè)試內(nèi)阻 用內(nèi)阻抗不影響測(cè)量值的儀表來(lái)測(cè)。按照GB9706.1-2007規(guī)定，線對(duì)地電容量為3000 pF，放電時(shí)間為1 s，電容放電電阻則為：R＝τ/C＝1 s/3000 pF＝333.3 MΩ。如果電容放電時(shí)間增加，要求測(cè)試阻抗更高。

(2) 精確的測(cè)試時(shí)間 拔出插頭之后，如果放電的電壓很高，放電的時(shí)間較短，則測(cè)試時(shí)間的準(zhǔn)確度決定了測(cè)試的誤差。

(3) 峰值斷電測(cè)試功能 斷電時(shí)的電容最高充電電壓為交流電的峰值，因此需要具備峰值斷電功能。這樣既保證了測(cè)試的準(zhǔn)確性，又保證了測(cè)試的一致性、重復(fù)性。

2.3 電容存儲(chǔ)的能量的測(cè)試方法

(1) 剩余電壓測(cè)試法

剩余電壓測(cè)試法是以測(cè)試設(shè)備斷電后的一段時(shí)間內(nèi)，設(shè)備中存有危險(xiǎn)能量的電容放電殘余電壓。這是目前測(cè)試電容能量危險(xiǎn)限值主要方法，主要測(cè)試設(shè)備在電路一次回路的電源插頭三個(gè)電極之間的剩余電壓。

剩余電壓測(cè)試有使用示波器加附加裝置和專用的剩余電壓測(cè)試儀兩種測(cè)試方法。用示波器加附加裝置測(cè)試是一種傳統(tǒng)測(cè)試方法，測(cè)試精度主要看示波器的精度和測(cè)試探頭。專用的剩余電壓測(cè)試儀可以做到很高的測(cè)試精度，測(cè)試阻抗也很高，并且具有峰值斷電功能，理論上只要測(cè)試一次就可以完成剩余電壓的測(cè)試，測(cè)試一致性好，重復(fù)性高。

(2) 示波器動(dòng)態(tài)能量測(cè)試法

示波器能量測(cè)試法是基于TEK公司提供的TDS1000/2000/3000 B系列示波器的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試系統(tǒng)，主要由電壓、電流探頭，TDS系列示波器，應(yīng)用測(cè)試軟件，計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備等組成。電壓與電流在對(duì)應(yīng)時(shí)刻上相乘得到功率后再對(duì)時(shí)間積分，對(duì)捕捉到的信息必須及時(shí)存儲(chǔ)，然后分析、處理并獲得電壓、電流、功率和能量的時(shí)域波形。

電壓、電流探頭主要完成電壓變比、阻抗變換、差分輸入、電壓/電流變換、初次級(jí)隔離等功能。從而給示波器提供保真度高、幅值適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)。測(cè)試精度取決于電壓、電流探頭精度和示波器的精度。但是，根據(jù)測(cè)試要求，必須自制時(shí)間可控的峰值斷電裝置。由于電壓、電流探頭的阻抗問(wèn)題，較小能量無(wú)法測(cè)試，如： 3000 pF電容量的線地之間或零地之間的微小能量的不能測(cè)試，且設(shè)備價(jià)格較高。

(3) 專用儀器測(cè)試法

目前沒(méi)有現(xiàn)成的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試設(shè)備可供選擇，需要自己根據(jù)國(guó)標(biāo)要求及動(dòng)態(tài)能量測(cè)試的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)和制造專用測(cè)試設(shè)備。

3 電容存儲(chǔ)能量的簡(jiǎn)易測(cè)試方法

目前，三種動(dòng)態(tài)能量測(cè)試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果推廣使用，有的方法會(huì)出現(xiàn)較大的局限性。專用儀器測(cè)試不具備第三方的計(jì)量檢定，無(wú)法得到認(rèn)可；示波器動(dòng)態(tài)能量測(cè)試的一套設(shè)備價(jià)格不菲，一般單位也不具備條件，計(jì)量也存在問(wèn)題。在此推薦兩種簡(jiǎn)易的測(cè)試方法，通過(guò)簡(jiǎn)單條件、簡(jiǎn)單計(jì)算，就可得到動(dòng)態(tài)能量。

3.1 剩余電壓測(cè)試儀測(cè)試電容存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)能量

首先，利用具備峰值斷電功能、有著高回路阻抗的剩余電壓測(cè)試儀測(cè)出相應(yīng)的剩余電壓值(U)；然后，用電容測(cè)試儀測(cè)出帶電部位的電容量(C)。

根據(jù)電荷計(jì)算公式：Q＝C×U ，就可以計(jì)算出電荷量。只要計(jì)算出的電荷量不超過(guò)45 μC，可視為安全。

同理，根據(jù)能量計(jì)算公式E＝1/2×U×Q＝1/2×C×U2，只要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)測(cè)試出兩端子間電壓(U)，然后測(cè)出電容量(C)，就可以算出電能量。只要計(jì)算出的能量不超過(guò)國(guó)標(biāo)GB9706.1-2007規(guī)定的2 mJ ，或者其他國(guó)標(biāo)規(guī)定的350 mJ，可視為合格。

3.2 用簡(jiǎn)易測(cè)試法測(cè)試計(jì)算電容存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)能量

首先，在被測(cè)設(shè)備通電正常工作時(shí),用萬(wàn)用表測(cè)出帶電的兩端子間電壓（U）；然后，被測(cè)設(shè)備斷電，用電容測(cè)試儀測(cè)試出帶電部位的電容量（C）；第三，用高阻測(cè)試儀測(cè)試出帶電部位電容的回路放電阻抗；第四，確定國(guó)標(biāo)規(guī)定的放電時(shí)間（s）。根據(jù)電容放電公式計(jì)算出剩余電壓。

例如，工作電壓為220 V(峰值電壓311 V)，帶電部位的電容量3000 pF，回路放電阻抗1000 MΩ，經(jīng)過(guò)1 s時(shí)，用電容放電公式計(jì)算，剩余電壓為：Us＝

依據(jù)計(jì)算出的剩余電壓值，采用電荷計(jì)算公式就可以計(jì)算出動(dòng)態(tài)電荷量；根據(jù)能量計(jì)算公式就可以計(jì)算出動(dòng)態(tài)電能量。

以上只是通過(guò)高阻抗、峰值斷電功能的剩余電壓測(cè)試儀的研制，以及根據(jù)現(xiàn)狀與相關(guān)測(cè)試部門人員對(duì)相應(yīng)國(guó)標(biāo)的理解、交流后提出的想法，供參考。

[1] 俞西萍, 何駿, 何愛(ài)琴, 等. GB9706.1-2007醫(yī)用電氣設(shè)備 第一部分: 安全通用要求[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008

[2] 賈真, 郭建宇, 肖向榮. GB4793-2007測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求 第一部分: 通用要求[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007