電器產品電源插頭防觸電檢測方法研究

文/曹 寅 王哲宇

在接到的“12315”客戶投訴電話信息中，常有反映用戶在大商場購買電器產品后，在家庭使用過程中發現，拔出電源插頭的瞬間有電人的現象，用戶感到這會造成該電器產品使用不安全。出現這種現象，是由于電源的內部有X電容，在拔出插頭的瞬間會放電，這時若手碰到插頭，電容的容值足夠大的話，就會對人體產生電擊的危險。

電擊是由于電流通過人體而造成的，僅毫安（mA）級的電流就可能對人體產生危害，所以本文就插頭放電的防電擊設計要求及其檢驗方法進行分析，為產品的設計、生產、檢驗中符合標準的防電擊要求給予指導。

一、插頭放電線路分析

來自于電網的干擾會影響顯示器、電視機等電器產品的正常工作，而顯示器、電視機中電源的開關脈沖也會給電網帶來干擾影響。為了有效地抑制來自電網的干擾及顯示器、電視機的開關脈沖對電網的干擾，大部分開關電源都在交流（AC）輸入電路串接一個低通EMI（電磁干擾）電源濾波器及并聯濾波電容器組成，見圖1所示的電源實物照。

圖1 電源實物照

圖2給出了電源設計中的濾波線路，當產品正常工作時，電容器和線圈均貯有能量，將電器產品的電源插頭拔出后，這些貯能并不是馬上消失，而是要持續一段時間才能釋放殆盡，所以釋放電能時間的長短直接關系著用戶的人身安全。因此，跨線電容和電阻的選取一定要適當，選取過小的C和R起不到有效的濾波作用，選取過大的C和R就必然延長放電時間，這就可能引起拔出電視機電源插頭后，操作人因觸及插頭而增加觸電的危險性。

圖2 電源濾波線路圖

二、產品標準中對電源插頭防電擊的安全設計要求

1.信息技術設備的安全標準

在GB 4943-2001的第2.1.1.7條款中對設備內電容器的放電安全設計要求為：設備在設計上應保證在電網電源外部斷接處，盡量減小因接在設備內的電容器貯存由電荷而產生的電擊危險。除非電網電源的標稱電壓超過42.4 V交流峰值或60 V直流，否則不需要進行電擊危險的試驗。

如果設備中有任何電容器，其標明的或標稱的容量超過0.1 μF，而且在與電網電源連接的電路上，該電容器的放電時間常數不超過下列規定值，則應當認為該設備是合格的：

①對A型可插式設備（該設備是指預定要通過非工業用插頭和插座，或通過非工業用器具耦合器，或者通過這兩者與建筑物安裝配線連接的設備），1 s；

②對B型可插式設備（該設備是指預定要通過符合GB/T 11918或類似國家標準的工業用插頭、插座，或者是通過工業用器具耦合器、通過這兩者與建筑物安裝配線連接的設備），10 s。

2.音頻、視頻及類似電子設備安全要求標準

在GB 8898-2001的第9.1.6條款中對產品拔出電源插頭的安全設計要求為：對預定要用電源插頭與電網電源連接的設備，其設計應當確保當插頭從電源插座拔出后，當接觸插頭的插腳或插銷時，不得因電容器貯存的電荷而產生電擊危險。

拔出插頭后2 s，插頭的插腳不得危險帶電（GB 8898定義的危險電壓為交流峰值35 V）。

三、電源放電回路設計分析

我們先對如何進行放電時間常數的計算和測量進行分析，電容器按放電時間常數為τ：

放電曲線如圖3所示：

根據電容器放電原理，其放電過程可用下公式（2）表示：

（2）式中，U0為電容器放電之前電容器兩端的最高電壓；

U1為安全電壓，GB 4943標準中安全電壓的定義為：交流峰值不超過42.4 Vp或直流值不超過60 V的電壓；

τ：為放電時間常數；

t1：為顯示器的電源插頭拔出后，電容器上貯存能量按τ的放電時間常數放電并使插頭上的電壓降到安全電壓以下所需的時間。

也就是說若希望在拔出電源插頭2 s（GB 8898就是考慮插頭拔出2s后，插頭上的電壓應在安全電壓以下）后，插頭上的電壓從220 V降為安全電壓（42.4 Vp以下），那么τ依據公式（2）為：

τ=-t/（lnU1/U0）

其中：U0=220×≈311 V

則：τ=-2/（ln42.4/311）=1 s

經上述分析，在電源插頭拔出2 s后，插頭上的電壓要降到安全電壓以下，電容器的放電方式所構成的時間常數應不大于1 s。這一結論正與GB 4943標準中2.1.1.7條款（一次電路電容器的放電）的要求完全一致。GB 4943標準中2.1.1.7條款，即：對額定容量超過0.1 μF，而且接在外部電源電路上，該電容器的放電方式所構成的時間常數定為不大于1 s（對A類可插式設備）。

由于GB 4943標準與GB 8898標準對安全電壓的定義有些小差異（前者為42.4 Vp，后者為35 Vp），但總的原則是一致的：跨線電容及電阻所構成的放電時間常數τ應保證電源插頭能在很短的時間內（通常要求2 s）從其工作時插在電網電源上的最高峰值電壓降到安全電壓以下。對圖3所示的電器產品電源部分線路圖，跨線電容和電阻應滿足：（C901+C904）×R901<1s.

四、插頭放電測試方法分析

1.電器產品依靠自身放電回路進行放電后的剩余電壓計算值

選取電器產品的額定輸入電壓為交流220 V，輸入端X電容的容量為0.47 μF，放電電阻2.2 MΩ。

U0為：U0=220×≈311 V。

若依據理論上計算，電路依靠自身放電回路進行放電，則τ=R×C=0.47×2.2=1.03 s。根據公式（2）

U(t)=311e-t/1.03

t=1 s時，被測樣品插頭上的電壓值為117.8 V；t=2 s時，被測樣品插頭上的電壓值為44.6 V。

2.對電器產品進行剩余電壓的實際測試（分別使用探頭阻抗10 MΩ、66.7 MΩ和100 MΩ）的電壓值

①使用示波器探頭阻抗10 MΩ

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為95.2 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為29.1 V。

②使用示波器探頭阻抗66.7 MΩ

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為112.8 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為41.3 V。

③使用示波器探頭阻抗100 MΩ

t=1 s時，被測樣品上的電壓值為117.0 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為44.5 V。

對上述在使用不同的示波器探頭阻抗、樣品上剩余電壓的理論計算值及實際測量結果進行匯總，如表1所示。

表1 樣品上剩余電壓測量數據與理論值比較

從表1測試結果看出，使用10 MΩ阻抗探頭的示波器，樣品上的剩余電壓測試結果與理論值之間存在很大的誤差，使用這種檢測方法，不能準確地判斷產品設計或使用時的安全性（使用示波器時，使用探頭的阻抗越低，對測試結果準確性影響愈大）；同樣，使用100 MΩ阻抗探頭的示波器，在產品設計的放電回路中，放電電阻小于2.2 MΩ時，使用100 MΩ的探頭對測試結果的影響是可以忽略的。當產品設計的放電回路中放電電阻大于2.2 MΩ，即使使用100 MΩ阻抗探頭的示波器，也將會對測試結果產生影響（回路中放電電阻愈大，對測試結果的真實性影響也愈大）。

3.剩余電壓實測值與理論值存在偏差的原因分析

實際上，在對被測樣品進行剩余電壓測試時，放電電阻不僅僅是產品本身的放電電阻，真正的放電回路放電電阻是產品本身的放電電阻并聯了示波器探頭的阻抗，下面將計算出的已考慮示波器探頭阻抗對放電測試回路影響后，被測樣品上的剩余電壓理論值：

①計算：當選用示波器探頭阻抗為10 MΩ進行插頭放電試驗時，被測樣品上的剩余電壓

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時，被測樣品上的電壓值為95.9 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為29.6 V。

②計算：當選用示波器探頭阻抗為66.7 MΩ進行插頭放電試驗時，被測樣品上的剩余電壓：

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時，被測樣品上的電壓值為113.3 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為41.2 V。

③計算：當選用示波器探頭阻抗為100 MΩ進行插頭放電試驗時，被測樣品上的剩余電壓

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時，被測樣品上的電壓值為117.8 V；

t=2 s時，被測樣品上的電壓值為44.6 V。

將上述考慮了實際放電回路的放電電阻（考慮示波器探頭阻抗對放電測試回路的影響）后，獲得的產品剩余電壓值插入到表1中，獲得表2的數據對照表：

表2 剩余電壓理論值和實測值比較（在考慮及不考慮示波器探頭阻抗對測試結果有影響時）

將表2中理論值2（考慮示波器探頭阻抗對放電測試回路的影響）的理論分析值與被測樣品上剩余電壓值的實測值相比較，兩者存在較小的誤差，也就證實了被測樣品在實際進行放電過程中，示波器探頭阻抗與產品本身的放電電阻一起參與了放電，所以示波器阻抗的不同，將直接影響檢測結果的準確性。

4.改進測試方法實現高精度測量

為了解決上述由于使用不同示波器探頭阻抗而產生的測量誤差，確保測試結果的準確性，我們設計了具有定時切換功能的定時器參與整個測試過程，實現示波器探頭在每個標準測試所定義的放電時間后再連接到設備的測試回路（見圖4），而不是示波器探頭從產品插頭進行放電試驗的開始時就連接，插頭上的部分電壓也會通過示波器探頭的阻抗進行放電，影響檢測結果的準確性。

①對樣品進行插頭斷接1 s后，其插頭上的電壓值測量

a）我們先將定時器設置在1 s，當將定時器面板上的開關從“off”設定到“on”時，定時器開始工作，開關“K1”從“A”點切換到“E”點連接點，同時開關“K2”從“B”點連接點切換到“D”點連接點。

b）當定時器計時1 s后，開關“K1”從“E”點連接點切換到“C”點連接點。在1 s時間內的插頭放電過程中，插頭放電是通過設備自身的放電回路（在設備中的放電電阻）進行放電的。

c）在1 s時顯示在示波器上的測試電壓是非常精確的測試結果（見圖5及表2），使用了這種測試方法，不論示波器的阻抗為何值，都不會影響測試結果。

d）同樣，若要觀察在2 s或10 s時被測樣品上的電壓值，只要在定時器上設定需要的時間，進行上述程序即可得到相應的測試結果。

圖4 具有定時切換功能的定時器參與整個測試回路圖

圖5 在1 s時顯示在示波器上的測試電壓是非常精確的測試結果顯示圖

④高精度測量方法樣品上剩余電壓測量數據與理論值比較（見表3）

表3 高精度測量方法樣品上剩余電壓測量數據與理論值比較

從表3測試結果可以看出，使用了定時器進行插頭放電電壓的測試，即使使用不同阻抗的示波器探頭，檢測結果幾乎不受示波器探頭阻抗的影響，且與理論計算值也非常接近，從而證明使用定時器后的測量方法，即使使用不同阻抗的示波器探頭，也能反映產品實際使用時插頭上電壓放電的實際情況，有利于產品制造商及實驗室真實客觀地評價產品的安全，提供給用戶安全的電器產品。

五、結束語

本文通過對電器產品電子線路設計及測試方法的分析，給出了進行插頭放電合格性測試中會產生較大測量誤差的原因，提出了正確判斷產品安全性的測量方法；通過對音視頻產品及信息技術設備在插頭放電的防電擊設計要求及檢驗其合格性測試方法的分析和研究，給出了要保證產品設計的安全性需考慮的產品結構設計要求及測試方法，對于在產品的設計、生產、檢驗中保證產品符合防電擊要求具有重要指導意義。

[1]李蘭芬,王瑩,賈真.GB 4943-2001信息技術設備的安全[S].中國標準出版社,2001.

[2]邢衛兵,席樹存,羅組蔚.GB 8898-2001音頻、視頻及類似電子設備安全要求[S].中國標準出版社,2001.