胡永樂　梁觀勝　王粵威　王　霄　葛　亮

（珠海出入境檢驗檢疫局廣東珠海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

（珠海出入境檢驗檢疫局廣東珠海519015）

歸納現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對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及產(chǎn)生的機理并對其測量方法進行研究，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)計方案，并給出了樣機和實測數(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)路存在儲能器件，因此設(shè)備斷電后，電源插頭各極間在一段時間內(nèi)會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，存在潛在危險。特別是醫(yī)療設(shè)備，潛在危險會危及患者生命，具有極高風(fēng)險。故必須對設(shè)備的剩余電壓及剩余能量進行測量和控制。

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及產(chǎn)生機理

2.1.1主要特點

（1）能量微弱。若線對地電容量為5000 pF時，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）存在時間短。常見標(biāo)準(zhǔn)要求測試時間至少為斷電后1 s時，剩余電壓存在時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，而是變化時的瞬時點電壓。

2.1.2產(chǎn)生機理

來自電網(wǎng)的干擾會影響電器設(shè)備的正常工作，而電器設(shè)備的電源開關(guān)脈沖、高頻信號也會給電網(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有能量，在插頭拔出后，這些存儲的能量并不馬上消失。由于線圈中存儲的能量遠小于電容存儲的能量，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導(dǎo)致電路放電時間的延長，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，否則會引起設(shè)備對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，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)均對剩余電壓及剩余能量進行了限定。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)計成在拔斷插頭之后1 s時，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A型可插式設(shè)備，1 s；對B型可插式設(shè)備，10 s。時間常數(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測量電壓衰減，在經(jīng)過一段等于一個時間常數(shù)的時間，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：器具在電壓峰值時從電源斷開，在斷開后的1 s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34 V。

通過對上述標(biāo)準(zhǔn)研究可以得知，剩余電壓值及剩余能量測的是瞬時值，即在關(guān)斷電源后的某時刻（如1 s時、2 s時、5 s時、10 s時），電源插頭或儲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時的瞬時電壓，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時的瞬時電壓。家用電器則要求在電壓峰值時斷開器具供電電源，其他標(biāo)準(zhǔn)為了找到最不利情況，一般要求試驗進行10次。測量插頭上的剩余電壓要在各插腳之間測量，測量儲能元件上的剩余電壓一般是指其對地的電壓。

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。對帶保護地的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兩極間剩余電壓實測是共模電容的電壓。

目前，大部分實驗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，以存儲示波器記錄斷電某時刻電源插頭各極間的剩余電壓，并從存儲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

這種測試法隨機性太高，測試值往往相差很大，突然開關(guān)切換會產(chǎn)生強烈火花干擾，而且，無法保證于其電壓峰值時切斷電源。為了保證實現(xiàn)峰值切斷電源的要求，部分實驗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)險性。

況且，示波器法測試數(shù)值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，所以峰值斷電時刻的判斷和拔斷時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。示波器法實際測試圖形見圖3，從該圖可以看出，實際操作需要頻繁移動標(biāo)尺，毛刺較多，較難得到精確結(jié)果。

圖3　示波器法實測曲線

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)動電路由控制器發(fā)出信號控制，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，常開觸點閉合，給待測設(shè)備供電，與此同時，常閉觸點斷開，沒有測量信號，測量電路不工作。從電源電壓過零點起延時5ms（此時為電源電壓理論上的峰值時刻）后，延時電路發(fā)出代表峰值時刻的電壓脈沖，繼電器的驅(qū)動電路工作，切斷繼電器電源，此時，繼電器的常開觸點打開，使待測儀器斷電，同時，常閉觸點閉合，使剩余電壓信號輸入到測量電路。

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

儀器輸入阻抗是指輸入端電壓和電流之比。當(dāng)連接儀器進行測量時，需考慮阻抗對測量準(zhǔn)確度的影響。在理想情況下，對被測儀器進行測試時不應(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會受到影響，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。

該設(shè)計方案的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

（1）采用高壓探頭檢測電源電壓過零點、控制器延時的方案，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（圖5）時控制器開始計時，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，繼電器動作，斷開負(fù)載電源接入測試信號，如圖6所示。

圖5　電源電壓峰值點

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，實際該放電曲線非常陡。剩余能量即為實際放電曲線與X軸及Y軸所形成的面積。計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時不再測量。將在這段時間內(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)運算放大器作信號補償，有效避免因測量儀器輸入阻抗造成的測量誤差，從而實現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的高精度測量；

（4）實時顯示放電曲線。

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

3.2樣機

根據(jù)該設(shè)計方案制作的樣機外觀見圖8，采用樣機實際進行測試，測試數(shù)據(jù)及波形見圖9。

該樣機主要的性能特點有：

（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)），可自動接入2000Ω無感電阻，實現(xiàn)剩余能量的測量；

（4）顯示模塊X軸及Y軸能自動適應(yīng)測量波形，波形自動充滿屏幕，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告。

（6）具有過流保護功能，當(dāng)檢測到負(fù)載電流大于16 A，可自動斷開負(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，提出了一套全新的剩余電壓及剩余能量測量儀器設(shè)計方案，并給出了樣機和實測數(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)，作者可遠程在線提交稿件，不用打電話即可了解稿件實時狀態(tài)。為實現(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

珠海出入境檢驗檢疫局科技計劃項目（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.