全新剩余电压及剩余能量测量仪器的研制

胡永乐　梁观胜　王粤威　王　霄　葛　亮

（珠海出入境检验检疫局广东珠海519015）

全新剩余电压及剩余能量测量仪器的研制

胡永乐梁观胜王粤威王霄葛亮

（珠海出入境检验检疫局广东珠海519015）

归纳现行标准对剩余电压及剩余能量的要求，分析剩余电压及剩余能量的特点及产生的机理并对其测量方法进行研究，提出一套全新的关于剩余电压及剩余能量测量仪器的设计方案，并给出了样机和实测数据及波形图。

剩余电压；剩余能量；峰值断电

1　前言

由于设备电源环路存在储能器件，因此设备断电后，电源插头各极间在一段时间内会保持一定电压称为剩余电压，剩余电压泄放所产生的能量称为剩余能量。如果环路中储能器件容量足够大，同时释放回路阻值远大于人体阻值时，产生的剩余电压及剩余能量就可能引起触电事故，存在潜在危险。特别是医疗设备，潜在危险会危及患者生命，具有极高风险。故必须对设备的剩余电压及剩余能量进行测量和控制。

2　剩余电压及剩余能量测量方法的研究

2.1剩余电压及剩余能量的特点及产生机理

2.1.1主要特点

（1）能量微弱。若线对地电容量为5000 pF时，其能量E=CU2/2；若再经过泄放回路1 s的放电，能量已很难测试。

（2）存在时间短。常见标准要求测试时间至少为断电后1 s时，剩余电压存在时间与泄放回路电阻的大小有关，但也仅有数秒钟。

（3）电压形态特殊。测试的既不是峰值电压也不是有效值电压，而是变化时的瞬时点电压。

2.1.2产生机理

来自电网的干扰会影响电器设备的正常工作，而电器设备的电源开关脉冲、高频信号也会给电网带来干扰。为了有效抑制来自电网的干扰及电器设备的高频脉冲对电网的干扰，大部分开关电源都在交流输入电路串接电源滤波器，典型电源滤波器结构见图1。

图1　典型电源滤波器结构图

来自电网的干扰及来自电器设备内部的干扰类型可归类为差模干扰及共模干扰，减小差模干扰的有效方法是在电源线上串联差模扼流圈、并联电容（X电容）来消除高频干扰；减小共模干扰的有效方法是在电源线上串联共模扼流圈，在相线、中线与地线之间并联电容（Y电容）。

正常使用中，滤波电路中的电容和线圈中均存储有能量，在插头拔出后，这些存储的能量并不马上消失。由于线圈中存储的能量远小于电容存储的能量，所以在标准中剩余电压的测试仅考虑电容的放电。

差模电容（图1中电容Cx）在电路中可以有效衰减差模干扰，其电容值通常在0.1-0.47μF之间。为了获得对差模干扰良好的抑制能力，通常希望在电路中增大差模电容的值，但是过大容量的差模电容往往会导致电路放电时间的延长，这样在拔断插头之后相线和中线之间剩余的电量可能会造成人身伤害事故。

滤波线路中共模电容（图1中电容CY1、CY2）的作用受设备共模源阻抗影响较大，一般电容值在l000 pF以上。但由于共模电容串联在安全地上，其容量不能过大，否则会引起设备对地漏电流超过安全标准限值。当出于安全方面的考虑，共模电容不能再加大时，为了更有效消除共模干扰可以在电路中加共模扼流圈。

2.2现行标准对剩余电压及剩余能量的要求

目前，现行的安全标准均对剩余电压及剩余能量进行了限定。例如，医疗设备安全标准GB 9706.1-2007指出：用插头与供电网连接的设备，必须设计成在拔断插头之后1 s时，各电源插脚之间以及每一电源插脚与设备外壳之间的电压不超过60V；设备电源切断后立即打开正常使用时的调节孔盖，可触及的带电部件剩余电压不应超过60 V，如果电压超过60V，应测量其剩余能量，不应超过2mJ。信息技术设备安全标准GB 4943.1-2011指出：电容器的放电时间常数不超过下列规定值，则应认为设备合格：对A型可插式设备，1 s；对B型可插式设备，10 s。时间常数是指等效电容量和等效放电电阻值的乘积。如果测定等效电容量和电阻值有困难，则可以在外部断接点测量电压衰减，在经过一段等于一个时间常数的时间，电压将衰减到初始值的37%。音视频设备安全标准GB 8898-2011规定：a）开路电压不超过交流35 V（峰值）或直流60 V；b）贮存电压在60 V到15 kV之间者，放电量不超过45mC。家用电器安全标准GB4706.1-2005规定：器具在电压峰值时从电源断开，在断开后的1 s时，用一个不会对测量值产生明显影响的仪器，测量插头各插脚间的电压，此电压不应超过34 V。

通过对上述标准研究可以得知，剩余电压值及剩余能量测的是瞬时值，即在关断电源后的某时刻（如1 s时、2 s时、5 s时、10 s时），电源插头或储能元件上的残余电压及能量。音频频设备电源插头上的剩余电压规定为断电2 s时的瞬时电压，上述其他设备电源插头上的剩余电压规定为断电1 s时的瞬时电压。家用电器则要求在电压峰值时断开器具供电电源，其他标准为了找到最不利情况，一般要求试验进行10次。测量插头上的剩余电压要在各插脚之间测量，测量储能元件上的剩余电压一般是指其对地的电压。

2.3现行剩余电压通用测量方法

基于以上的分析，目前安全标准均要求测量电源插头各极间的剩余电压。对带保护地的I类设备，要求测量L-N两极间、G-L两极间及G-N两极间剩余电压值。L-N两极间剩余电压实测是差模电容的电压，G-L两极间及G-N两极间剩余电压实测是共模电容的电压。

目前，大部分实验室一直使用示波器测试法测量剩余电压。示波器法是指用插拔电源插头的方式，以存储示波器记录断电某时刻电源插头各极间的剩余电压，并从存储示波器的屏幕上读取记录的剩余电压波型幅值。在插头的L-N之间，G-L之间，G-N之间测量（见图2），选取最大值为其剩余电压。

图2　测试工装

这种测试法随机性太高，测试值往往相差很大，突然开关切换会产生强烈火花干扰，而且，无法保证于其电压峰值时切断电源。为了保证实现峰值切断电源的要求，部分实验室采用恒压直流源给被测样品供电的方法，若被测样品的工作电压为交流220 V，即用对应于交流电压峰值的直流电压220V×1.414= 311.08 V给被测样品供电。该方法可保证在峰值时刻切断电源，但被测样品工作电压过高，容易烧毁被测样品，测试具有极高的风险性。

况且，示波器法测试数值是测试人员从存储示波器的屏幕上读取剩余电压波型幅值来确定，所以峰值断电时刻的判断和拔断时间的控制易造成不可忽视的误差。另外由于受到毛刺等诸多因素的影响，从示波器屏幕上读取剩余电压值，精度受到一定的限制。示波器法实际测试图形见图3，从该图可以看出，实际操作需要频繁移动标尺，毛刺较多，较难得到精确结果。

图3　示波器法实测曲线

3　全新剩余电压及剩余能量测量仪器研制

3.1设计方案

为了解决上述问题，本研究提出了一套全新的剩余电压及剩余能量测量仪器设计方案，原理如图4所示，分为STM32控制电路、AD7606采样电路、液晶显示及继电器模组。

图4　原理框图

继电器模组与ARM处理器IO端口连接，所以继电器驱动电路由控制器发出信号控制，控制继电器闭合或断开电路。当继电器处于工作状态时，常开触点闭合，给待测设备供电，与此同时，常闭触点断开，没有测量信号，测量电路不工作。从电源电压过零点起延时5ms（此时为电源电压理论上的峰值时刻）后，延时电路发出代表峰值时刻的电压脉冲，继电器的驱动电路工作，切断继电器电源，此时，继电器的常开触点打开，使待测仪器断电，同时，常闭触点闭合，使剩余电压信号输入到测量电路。

由于继电器是机械结构，所以继电器吸合时间长，且释放时间极短，故采用让继电器先工作而在必要时刻以极短的时间快速断电，以使继电器达到该设计的要求。这一特性使得继电器的使用对测量精度的影响很小。同时，设计中仪器的延时时间可调整，这样可以对系统中某些环节造成的误差进行补偿。

仪器输入阻抗是指输入端电压和电流之比。当连接仪器进行测量时，需考虑阻抗对测量准确度的影响。在理想情况下，对被测仪器进行测试时不应影响它的正常工作，测量值也应和未接测试仪器时相同。然而，由于测试仪器和被测仪器之间不可避免的能量交换，在一定程度上会改变被测仪器的工作状态。如果用较低阻抗的仪表测量电压时会受到影响，导致电压读数降低，所以，测量电路必须保证较高的输入阻抗。

本测量仪器设计方案采用高压探头作为分压模块，该电压探头具有100∶1的电压变比，内阻100M，输入电容6 pF，带宽100M，输出阻抗1M，搭配16位AD7606作为AD转换，具有分辨率高特点。

该设计方案的关键技术主要有：

（1）采用高压探头检测电源电压过零点、控制器延时的方案，电路简单，方法可靠，检测结果准确。

探头监测到供电电压过零点（图5）时控制器开始计时，经过1/4周期T（如T=20ms，则为5ms），向继电器模组发送信号，继电器动作，断开负载电源接入测试信号，如图6所示。

图5　电源电压峰值点

图6　控制原理简图

（2）具有剩余能量测量功能。

若检测到电压大于设定值，自动接入2000Ω无感电阻，测量2000Ω无感电阻放电的能量，理论放电波形见图7，实际该放电曲线非常陡。剩余能量即为实际放电曲线与X轴及Y轴所形成的面积。计量剩余能量的方法为：

每隔△t（△t取0.1 ms）测量一次无感电阻R两端的电压Un，直至Un=0时不再测量。将在这段时间内测得的U值按以下方式求和

图7　放电波形示意图

（3）高输入阻抗。

采用内阻为100M的高压探头采样，高绝缘电阻的继电器作切换开关，高品质运算放大器作信号补偿，有效避免因测量仪器输入阻抗造成的测量误差，从而实现符合标准要求的高精度测量；

（4）实时显示放电曲线。

釆用ARM做控制与数据处理单元，利用7寸液晶屏实时显示放电电压波形。

3.2样机

根据该设计方案制作的样机外观见图8，采用样机实际进行测试，测试数据及波形见图9。

该样机主要的性能特点有：

（1）可分别测试负载L-N或L-G或N-G之间的剩余电压；

（2）断开电源后，开始测量时间在0-10 s之间可调，符合不同标准要求；

（3）若测量到的电压大于限值（0-60 V可调），可自动接入2000Ω无感电阻，实现剩余能量的测量；

（4）显示模块X轴及Y轴能自动适应测量波形，波形自动充满屏幕，方便读取结果；

（5）具备USB口数据（显示屏截屏图片，保存到U盘）输出功能，方便测试工程师出具报告。

（6）具有过流保护功能，当检测到负载电流大于16 A，可自动断开负载。

4　结语

本研究详细归纳了现行标准对剩余电压及剩余能量的要求，分析了剩余电压及剩余能量的特点及产生机理，提出了一套全新的剩余电压及剩余能量测量仪器设计方案，并给出了样机和实测数据及波形图。

［1］GB 9706.1-2007医用电气设备第一部分：安全通用要求［S］.

［2］GB 4943.1-2011信息技术设备安全第1部分：通用要求［S］.

［3］GB 8898-2011音频、视频及类似电子设备安全要求［S］.

［4］GB 4706.1-2005家用和类似用途电器的安全第1部分：通用要求［S］.

通知

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《检验检疫学刊》编辑部

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

珠海出入境检验检疫局科技计划项目（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.