电器产品电源插头防触电检测方法研究

文/曹 寅 王哲宇

在接到的“12315”客户投诉电话信息中，常有反映用户在大商场购买电器产品后，在家庭使用过程中发现，拔出电源插头的瞬间有电人的现象，用户感到这会造成该电器产品使用不安全。出现这种现象，是由于电源的内部有X电容，在拔出插头的瞬间会放电，这时若手碰到插头，电容的容值足够大的话，就会对人体产生电击的危险。

电击是由于电流通过人体而造成的，仅毫安（mA）级的电流就可能对人体产生危害，所以本文就插头放电的防电击设计要求及其检验方法进行分析，为产品的设计、生产、检验中符合标准的防电击要求给予指导。

一、插头放电线路分析

来自于电网的干扰会影响显示器、电视机等电器产品的正常工作，而显示器、电视机中电源的开关脉冲也会给电网带来干扰影响。为了有效地抑制来自电网的干扰及显示器、电视机的开关脉冲对电网的干扰，大部分开关电源都在交流（AC）输入电路串接一个低通EMI（电磁干扰）电源滤波器及并联滤波电容器组成，见图1所示的电源实物照。

图1 电源实物照

图2给出了电源设计中的滤波线路，当产品正常工作时，电容器和线圈均贮有能量，将电器产品的电源插头拔出后，这些贮能并不是马上消失，而是要持续一段时间才能释放殆尽，所以释放电能时间的长短直接关系着用户的人身安全。因此，跨线电容和电阻的选取一定要适当，选取过小的C和R起不到有效的滤波作用，选取过大的C和R就必然延长放电时间，这就可能引起拔出电视机电源插头后，操作人因触及插头而增加触电的危险性。

图2 电源滤波线路图

二、产品标准中对电源插头防电击的安全设计要求

1.信息技术设备的安全标准

在GB 4943-2001的第2.1.1.7条款中对设备内电容器的放电安全设计要求为：设备在设计上应保证在电网电源外部断接处，尽量减小因接在设备内的电容器贮存由电荷而产生的电击危险。除非电网电源的标称电压超过42.4 V交流峰值或60 V直流，否则不需要进行电击危险的试验。

如果设备中有任何电容器，其标明的或标称的容量超过0.1 μF，而且在与电网电源连接的电路上，该电容器的放电时间常数不超过下列规定值，则应当认为该设备是合格的：

①对A型可插式设备（该设备是指预定要通过非工业用插头和插座，或通过非工业用器具耦合器，或者通过这两者与建筑物安装配线连接的设备），1 s；

②对B型可插式设备（该设备是指预定要通过符合GB/T 11918或类似国家标准的工业用插头、插座，或者是通过工业用器具耦合器、通过这两者与建筑物安装配线连接的设备），10 s。

2.音频、视频及类似电子设备安全要求标准

在GB 8898-2001的第9.1.6条款中对产品拔出电源插头的安全设计要求为：对预定要用电源插头与电网电源连接的设备，其设计应当确保当插头从电源插座拔出后，当接触插头的插脚或插销时，不得因电容器贮存的电荷而产生电击危险。

拔出插头后2 s，插头的插脚不得危险带电（GB 8898定义的危险电压为交流峰值35 V）。

三、电源放电回路设计分析

我们先对如何进行放电时间常数的计算和测量进行分析，电容器按放电时间常数为τ：

放电曲线如图3所示：

根据电容器放电原理，其放电过程可用下公式（2）表示：

（2）式中，U0为电容器放电之前电容器两端的最高电压；

U1为安全电压，GB 4943标准中安全电压的定义为：交流峰值不超过42.4 Vp或直流值不超过60 V的电压；

τ：为放电时间常数；

t1：为显示器的电源插头拔出后，电容器上贮存能量按τ的放电时间常数放电并使插头上的电压降到安全电压以下所需的时间。

也就是说若希望在拔出电源插头2 s（GB 8898就是考虑插头拔出2s后，插头上的电压应在安全电压以下）后，插头上的电压从220 V降为安全电压（42.4 Vp以下），那么τ依据公式（2）为：

τ=-t/（lnU1/U0）

其中：U0=220×≈311 V

则：τ=-2/（ln42.4/311）=1 s

经上述分析，在电源插头拔出2 s后，插头上的电压要降到安全电压以下，电容器的放电方式所构成的时间常数应不大于1 s。这一结论正与GB 4943标准中2.1.1.7条款（一次电路电容器的放电）的要求完全一致。GB 4943标准中2.1.1.7条款，即：对额定容量超过0.1 μF，而且接在外部电源电路上，该电容器的放电方式所构成的时间常数定为不大于1 s（对A类可插式设备）。

由于GB 4943标准与GB 8898标准对安全电压的定义有些小差异（前者为42.4 Vp，后者为35 Vp），但总的原则是一致的：跨线电容及电阻所构成的放电时间常数τ应保证电源插头能在很短的时间内（通常要求2 s）从其工作时插在电网电源上的最高峰值电压降到安全电压以下。对图3所示的电器产品电源部分线路图，跨线电容和电阻应满足：（C901+C904）×R901<1s.

四、插头放电测试方法分析

1.电器产品依靠自身放电回路进行放电后的剩余电压计算值

选取电器产品的额定输入电压为交流220 V，输入端X电容的容量为0.47 μF，放电电阻2.2 MΩ。

U0为：U0=220×≈311 V。

若依据理论上计算，电路依靠自身放电回路进行放电，则τ=R×C=0.47×2.2=1.03 s。根据公式（2）

U(t)=311e-t/1.03

t=1 s时，被测样品插头上的电压值为117.8 V；t=2 s时，被测样品插头上的电压值为44.6 V。

2.对电器产品进行剩余电压的实际测试（分别使用探头阻抗10 MΩ、66.7 MΩ和100 MΩ）的电压值

①使用示波器探头阻抗10 MΩ

t=1 s时，被测样品上的电压值为95.2 V；

t=2 s时，被测样品上的电压值为29.1 V。

②使用示波器探头阻抗66.7 MΩ

t=1 s时，被测样品上的电压值为112.8 V；

t=2 s时，被测样品上的电压值为41.3 V。

③使用示波器探头阻抗100 MΩ

t=1 s时，被测样品上的电压值为117.0 V；

t=2 s时，被测样品上的电压值为44.5 V。

对上述在使用不同的示波器探头阻抗、样品上剩余电压的理论计算值及实际测量结果进行汇总，如表1所示。

表1 样品上剩余电压测量数据与理论值比较

从表1测试结果看出，使用10 MΩ阻抗探头的示波器，样品上的剩余电压测试结果与理论值之间存在很大的误差，使用这种检测方法，不能准确地判断产品设计或使用时的安全性（使用示波器时，使用探头的阻抗越低，对测试结果准确性影响愈大）；同样，使用100 MΩ阻抗探头的示波器，在产品设计的放电回路中，放电电阻小于2.2 MΩ时，使用100 MΩ的探头对测试结果的影响是可以忽略的。当产品设计的放电回路中放电电阻大于2.2 MΩ，即使使用100 MΩ阻抗探头的示波器，也将会对测试结果产生影响（回路中放电电阻愈大，对测试结果的真实性影响也愈大）。

3.剩余电压实测值与理论值存在偏差的原因分析

实际上，在对被测样品进行剩余电压测试时，放电电阻不仅仅是产品本身的放电电阻，真正的放电回路放电电阻是产品本身的放电电阻并联了示波器探头的阻抗，下面将计算出的已考虑示波器探头阻抗对放电测试回路影响后，被测样品上的剩余电压理论值：

①计算：当选用示波器探头阻抗为10 MΩ进行插头放电试验时，被测样品上的剩余电压

C=0.47 μF；R=10×2.2/（10+2.2）≈1.8 MΩ

τ=R×C=0.47×1.8=0.85 s

U(t)=311e-t/0.85

t=1 s时，被测样品上的电压值为95.9 V；

t=2 s时，被测样品上的电压值为29.6 V。

②计算：当选用示波器探头阻抗为66.7 MΩ进行插头放电试验时，被测样品上的剩余电压：

C=0.47μF；R=66.7×2.2/（66.7+2.2）≈2.1 MΩ

τ=R×C=0.47×2.1=0.89 s

U(t)=311e-t/0.99

t=1 s时，被测样品上的电压值为113.3 V；

t=2 s时，被测样品上的电压值为41.2 V。

③计算：当选用示波器探头阻抗为100 MΩ进行插头放电试验时，被测样品上的剩余电压

C=0.47μF；R=100x2.2/（100+2.2）≈2.2MΩ

τ=R x C=0.47 x 2.2=1.03 s

U(t)=311e-t/1.03

t=1 s时，被测样品上的电压值为117.8 V；

t=2 s时，被测样品上的电压值为44.6 V。

将上述考虑了实际放电回路的放电电阻（考虑示波器探头阻抗对放电测试回路的影响）后，获得的产品剩余电压值插入到表1中，获得表2的数据对照表：

表2 剩余电压理论值和实测值比较（在考虑及不考虑示波器探头阻抗对测试结果有影响时）

将表2中理论值2（考虑示波器探头阻抗对放电测试回路的影响）的理论分析值与被测样品上剩余电压值的实测值相比较，两者存在较小的误差，也就证实了被测样品在实际进行放电过程中，示波器探头阻抗与产品本身的放电电阻一起参与了放电，所以示波器阻抗的不同，将直接影响检测结果的准确性。

4.改进测试方法实现高精度测量

为了解决上述由于使用不同示波器探头阻抗而产生的测量误差，确保测试结果的准确性，我们设计了具有定时切换功能的定时器参与整个测试过程，实现示波器探头在每个标准测试所定义的放电时间后再连接到设备的测试回路（见图4），而不是示波器探头从产品插头进行放电试验的开始时就连接，插头上的部分电压也会通过示波器探头的阻抗进行放电，影响检测结果的准确性。

①对样品进行插头断接1 s后，其插头上的电压值测量

a）我们先将定时器设置在1 s，当将定时器面板上的开关从“off”设定到“on”时，定时器开始工作，开关“K1”从“A”点切换到“E”点连接点，同时开关“K2”从“B”点连接点切换到“D”点连接点。

b）当定时器计时1 s后，开关“K1”从“E”点连接点切换到“C”点连接点。在1 s时间内的插头放电过程中，插头放电是通过设备自身的放电回路（在设备中的放电电阻）进行放电的。

c）在1 s时显示在示波器上的测试电压是非常精确的测试结果（见图5及表2），使用了这种测试方法，不论示波器的阻抗为何值，都不会影响测试结果。

d）同样，若要观察在2 s或10 s时被测样品上的电压值，只要在定时器上设定需要的时间，进行上述程序即可得到相应的测试结果。

图4 具有定时切换功能的定时器参与整个测试回路图

图5 在1 s时显示在示波器上的测试电压是非常精确的测试结果显示图

④高精度测量方法样品上剩余电压测量数据与理论值比较（见表3）

表3 高精度测量方法样品上剩余电压测量数据与理论值比较

从表3测试结果可以看出，使用了定时器进行插头放电电压的测试，即使使用不同阻抗的示波器探头，检测结果几乎不受示波器探头阻抗的影响，且与理论计算值也非常接近，从而证明使用定时器后的测量方法，即使使用不同阻抗的示波器探头，也能反映产品实际使用时插头上电压放电的实际情况，有利于产品制造商及实验室真实客观地评价产品的安全，提供给用户安全的电器产品。

五、结束语

本文通过对电器产品电子线路设计及测试方法的分析，给出了进行插头放电合格性测试中会产生较大测量误差的原因，提出了正确判断产品安全性的测量方法；通过对音视频产品及信息技术设备在插头放电的防电击设计要求及检验其合格性测试方法的分析和研究，给出了要保证产品设计的安全性需考虑的产品结构设计要求及测试方法，对于在产品的设计、生产、检验中保证产品符合防电击要求具有重要指导意义。

[1]李兰芬,王莹,贾真.GB 4943-2001信息技术设备的安全[S].中国标准出版社,2001.

[2]邢卫兵,席树存,罗组蔚.GB 8898-2001音频、视频及类似电子设备安全要求[S].中国标准出版社,2001.