插头放电测量技术探讨

PANG Cong JIA Chungeng SUN Yanyan

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1 引言

GB 4706.1-2005的22.5要求“通过插头与电源连接的器具，其结构应能使在正常使用中当碰触该插头的插脚时，不会有电击危险。通过测量插头在电源峰值断电，断电1s时两插脚间的残留电压是否超过34V来判断”。为什么要求是34V，以及如何理解GB 4706.1-2005里提到的“额定电容量不大于0.1μF的电容器，不认为会引起电击危险”。本文对上述问题进行了分析和讨论，并总结出快速有效测量插头放电的试验方法。

2 标准理解

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其实GB 4706.1-2005中关于触及带电部件的条件依据主要来自GB/T 13870系列“电流对人和家畜的效应”研究，主要从电容器的放电量、电容器放电的感知阈和痛觉阈三方面来分析提供基础数据。

2.1 放电量的计算

根据GB/T 13870.1-2008描述，就通过人体的一条给定的电流通路而言，人体的危险主要取决于电流值和通电时间。众所周知，电流值乘以通电时间即为电荷量，Q=IT。对于一个充分充电的电容而言，其放电量就是电容的充电电压乘以电容容值，Q=UC。再由GB 4706.1-2005的8.1.4提到“对峰值电压大于42.4V小于等于450V的，其放电量不应超过0.1μF”、“对峰值电压大于450V小于或等于15kV的，其放电量不应超过45μC”，可知插头放电是否危险关键取决于额定电容的放电量是否大于45μC。众所周知，国际最高电压是240V，故最恶劣情况，电容两端最大充电电压 ，额定电容量C=0.1μF，则Q=UC=33.9μC＜45μC，不存在电击危险。这正是GB 4706.1-2005中特别注明额定电容量0.1μF不认为会引起电击危险的原因。另外，这里提到的额定电容量应该是一个等效电容，而不是特指跨接在L/N线之间的X电容。通常电路可等效视为图1电路。

按图1所示，当开关OFF时，额定电容值C=Cx；当开关ON时，额定电容值C=Cx+C’。因此判定22.5所提到的额定电容值需要根据实际回路，考虑是否需要算入除Cx电容之外的电容值。

2.2 电容器放电的感知阈和痛觉阈

根据GB/T 13870.2可知，人体对电容器放电会产生不同程度的痛觉感知，它由电容电压、电容值灯因素决定的。图2中“电容器放电的感知阈和痛觉阈”为经过研究得出的结论，其阴影部分为区域A，属于疼痛感知阈，曲线A以下为没有疼痛感觉的区域，曲线A至曲线B间为通常痛觉阈，曲线B以上为剧烈疼痛阈。当电压≤34V，即使电容值≥0.1μF，手指接触插脚的人或将经历低于感知阈的电击，即轻微甚至感觉不到电击的效果，相对安全。

了解了这些内容，就能知道为什么GB 4706.1的22.5注解“额定电容值不大于0.1μF的电容器不认为会引起电击危险”，以及要求插头放电电压是34V。

3 测量方法

根据标准关于该条款的描述“器具以额定电压供电，然后将其任何一个开关置于“断开”位置，器具在峰值时从电源断开。在断开后1s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。”那么，在实际测试中，我们需注意两点：

（1）如何实现器具电源在峰值时断开；

（2）如何减小测量仪器对测量值产生影响。

基于这两点考虑，我们基本首先确定是用示波器来观察电压波形，不仅可以观察到是否在峰值断开，还能精准捕捉到断电1s时的电压值。

3.1 电源峰值断电的实现

通常我们通过在电源和器具间接一个双刀双掷的开关，随机断开开关，通过示波器观察断电位置是否在峰值。如果不在峰值断电获得的数据就是无效的。因此这就需要碰运气，有时候为测得峰值断电数据得花费很长时间，或许能达到几个小时。好在现在市面上有峰值断电装置设备出售，基本可以满足各种电压频率为50Hz/60Hz的电源需求。该峰值断电是首先要找到峰值所在的时刻，即波峰或者波谷的位置。由于市电都是50Hz/60Hz的正弦波，在一个周期内，每一时刻对应的相位是不同的，因此可以利用移相电路来实现相位的调整，从而找到峰值对应的时刻。将正弦波整体向后移π/2的相位，这样，此时正弦波的过零点对应的就是原波形峰值对应的位置。然后用过零比较模块就可以得到矩形波，之后利用电压保持电路在上升沿处得到持续的高电平，从而控制继电器的动作。其原理框图如图3。

在峰值断电装置里还用到移相电路、反相电路、电压保持电路、过零比较电路和继电器驱动电路。另外，该峰值断电装置还需要满足绝缘内阻：DC500V＞100MΩ，寄生电容＜25pF。图4所示为使用峰值断电装置的插头放电波形，图5所示为使用普通双掷开关的插头放电波形，测量插头电压降至34V时所需时间均为270ms，测量结果一致，说明使用峰值断电装置对测量结果没有影响。

3.2 测量仪器的选择和设置

3.2.1 示波器测量探头选择

插头放电测量过程中，探头与EUT是并联的，那么探头的阻抗和EUT的阻抗、探头的寄生电容和EUT的电容都是并联关系。那么根据并联电阻R=R1•R2/(R1+R2)，当探头的内阻越大，等效阻值越接近EUT自身的阻值。同样，并联电容C=C1+C2，因此探头的寄生电容越小，等效容值越接近EUT的容值。再由插头L/N两端电压在断开电源插头的电压：Ut=U(电网)e(-t/RC)可知，并联入探头的阻抗和容值，会使得1s时，测量电压值会偏小，就是说当降至电压34V时，所需要的时间就会减少，那么当样品处于临界状态时易出现误判。所以，测量探头的阻抗越大越好，等效电容值越小越好，这也正是CTL-DSH-0716决议明确用于插头放电测试的探头阻抗要≥100MΩ、等效电容≤25pF的原因所在。下面就使用普通无源探头（内阻1MΩ，容值）和使用高压探头（内阻100MΩ，容值25pF）来做比较，同样EUT插头放电至34V，普通无源探头测量时间为260ms（如图6所示），高压探头测量时间为274ms（如图7所示）。

图1 等效电路

图2 电容器放电的感知阈和痛觉阈(摘自GB/T 13870.2的图19)

图3 原理框图

图4 用峰值断电装置断电

图6 无源探头测量

图8 直流耦合测量

图5 用双掷开关断电

图7 高压探头测量

图9 交流耦合测量

3.2.2 示波器耦合方式的选择

示波器输入耦合方式有交流耦合和直流耦合两种，示波器的直流耦合就是直通，交流直流一起过，并不是去除交流分量；交流耦合就是通过隔直电容耦合，去掉了直流分量。也就是说直流耦合方式采集的波形更全面、更真实，因此测量插头放电时宜选择直流耦合方式。图8和图9分别是插头放电过程用直流耦合和交流耦合方式获取的波形，直流耦合方式会比交流耦合方式测量结果更严苛，也更真实。

4 结论

GB 4706.1的22.5要求插头放电电压34V以下以及放电电容额定值0.1uF的主要原因就是考虑到电容器放电的人体电流效应以及电流对人的效应，都是基于IEC 60479系列的研究数据。为了快速测量插头放电，建议使用合格的峰值断电装置。另外直接影响测量结果的还有测量探头和示波器的输入耦合方式，经过本文得出结论，测量探头的内阻越大、等效电容越小，测量值越精准，通常选择至少要保证满足CTL-DSH-0716决议要求：探头阻抗要≥100MΩ，等效电容≤25pF；示波器的输入耦合方式必须选择直流耦合，测量值才真实可靠。

参考文献

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

[2] GB/T 13870.1-2008 电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分.

[3] GB/T 13870.2-2016 电流对人和家畜的效应 第2部分：特殊情况.

[4] 冯建军. GB 8898-2001 拔除电源插头测试方法讨论.

[5] 张艳秋, 魏明然, 李红伟. 峰值断电装置设计与实现.