電器產品電容放電測試方法和自動測試設備研究

陳帆 張光輝 吳欽才 馮譯徵 林華南（1、深圳出入境檢驗檢疫局 廣東深圳 518045；2、艾默生網絡能源（深圳）有限公司 廣東深圳 518057）

1 概述

在使用、維護或維修電器產品時，使用人員或維修人員在電器設備下電后，由于設備內部電容的儲能，使得電路在斷電后人可接觸到的導體部分的電壓（如電源插頭的火線、零線、地之間的任意兩兩組合）不能立刻下降到人體可承受的電壓值以下。從人員防電擊保護的目的出發，對使用人員可能接觸到產品的供電端子、或維修人員打開機器外殼后接觸到內部的電路導體，要求在產品斷電后的規定的時間內，使用人員或維修人員能夠接觸到的導體部分的殘余電壓需要滿足相關產品安全標準要求。目前市場上應用較廣的產品對斷電后的殘余電壓要求見表1。

2 測試方法和測試精度分析

在測試實驗室，通常用來測試殘余電壓的設備為示波器，測試示意圖如圖1所示，測量電路的內部分析電路簡圖如圖2所示。

產品內部電路端口的電壓計算公式為：

當示波器探頭并聯到電路上后，由于示波器探頭具有一定的內阻R2，所以，實際測量電路的放電電阻為，就會造成電路實際的放電電阻減小，測量的放電速度加快，實際結果存在一定的誤差，而且測量所使用的探頭的內阻越小，測量誤差越大。由于目前市場出售的絕大多數的測試探頭內阻較低，通常不超過10MΩ，因此使用普通探頭對測量結果存在一定的誤差。

標準委員會在很早之前已經發現測試工具對電容放電殘余電壓測試誤差的影響，因此在標準升級過程中，更改了對于測量設備的要求，如GB 4706.1—2005對于測量殘余電壓的設備要求為“不會對測量值產生明顯影響的儀器”，GB 4943.1-2011對測試設備要求為“輸入阻抗100±5MΩ、輸入電容量為25pF或更小的測量設備”，以盡量減小測量設備的內阻對放電時間的影響。

標準規定，對于電容量小于0.1μF的電路，可認為不存在電擊危險，無需進行測試。由此，我們可以根據公式1反推出，當電容量為0.1μF或更大時，產品內部的放電電阻的最大值?？紤]到家電產品測試要求最為嚴格，本次計算以家電產品的要求為主。

圖1 殘余電壓測試示意圖

圖2 測量電路分析簡圖

圖3 自動測試設備結構圖

在1秒時，U為34V，U0考慮電網波動到230V有效值，峰值為325V，計算出在C為0.1μF時，放電電阻的最大值為4.43MΩ，通常為了確保安全，放電電阻的設計會比這個理論計算的最大值小很多。

我們對送檢家電產品端口濾波電容和放電電阻進行了統計，并調查了一些國內家電廠家，目前家電產品濾波電容多在0.1-1μF，放電電阻阻值通常不超過500kΩ，這樣可以保證在電源插頭被拔出后，可以在極短的時間內將殘余電壓泄放到安全限值。

對于電容量為1μF的輸入電路，當電路放電電阻阻值為500k、330k、180k、100kΩ時，斷電1秒后，隨著示波器探頭的內阻變化時，對實際測量結果的理論計算值誤差分析如表2：

A：放電電阻阻值為500kΩ時的計算結果；

B：放電電阻阻值為330kΩ時的計算結果；

表1 各類產品電容放電殘余電壓要求

C：放電電阻阻值為180kΩ時的計算結果；

D：放電電阻阻值為100kΩ時的計算結果。

從計算結果可以看出，隨著探頭內阻的增大，測試誤差會逐步的減小。IECEE對于CB體系實驗室的測量設備的精度在《Measure accuracy and tolerances》的要求中，對于電壓測量在1000V以內時，頻率1kHz以下時，允許的測量誤差為實際值的±1.5%，從表1計算結果可以看出，當探頭在100MΩ時，真實值和測量計算值之間的誤差滿足誤差范圍在1.5%之內，因此使用內阻為100MΩ的探頭進行測試滿足實際要求。

3 自動測試設備研究

從不同產品標準分析，絕大多數標準斷電后的殘余電壓測量要求在一定的時間內下降到安全電壓之內，由于產品內部電容和放電電阻的參數固定，放電的時間常數固定，從公式1可知，在進行測試時，放電的起始電壓U0對于最終的測量結果U有至關重要的影響。因此測試時放電的起始位置要求在電壓峰值處。而在實際測試中，為了確保放電電壓從電壓峰值處開始，通常需要多次手動分斷測試供電開關，測試過程麻煩、不確定度大。

為提高測試效率、降低人為影響因素、提高測試精度，我們在對測量電路分析的基礎上，設計了一種高精度的放電測試設備，該設備為箱體結構，主要由電源部分、控制部分、驅動部分、采樣部分、人機交互部分構成，如圖3所示。

測量設備的工作原理如下：

(1)啟動工作后，設備對輸入電源電壓進行高頻采樣，內部電路對測量數據進行處理和分析，確定電壓的波形、頻率、峰值電壓等參數；

(2)在測量按鍵手動動作后，根據設備輸入采樣系統分析的波形，分析計算得到繼電器驅動撤銷時間點，并在該時間點撤銷繼電器驅動使得繼電器恰好在電壓峰值點斷開，記錄峰值電壓，測試時鐘開始計時；

(3)高輸入阻抗（兩個測量探頭到采樣運算放大器之間的阻抗和至少為100MΩ、無電容回路）電壓測量電路開始計時測量所選擇電路的電壓，并將計時時間和測試電壓數據存儲，測量波形、斷電一定時間后的測試電壓值（如1秒，2秒，10秒等）顯示在屏幕上。

設備電路程序框圖如圖4所示。

為了驗證測試設備的準確度，我們選取了近兩年國內、國際實驗室對比測試的樣品進行了測試，并和權威機構給出的測量結果進行了對比。

我們在2012年IFM能力驗證12E27Plug Discharge Test樣品上進行了測量，摘錄了能力驗證報告的中位值、NIQR等數據，用我們設計的自動測試設備進行了測量，并計算了Z比分數。（見表3）|Z|<3.0是可以接受的結果，而我們的測量結果|Z|最大為0.539593。

另一項能力驗證是2011年由國家認證認可監督管理委員會（以下簡稱CNCA）組織，中國家用電器研究院協調并具體實施的電器產品插頭放電試驗（CNCA-11-B09），摘錄了能力驗證報告的中位值、NIQR等數據，用我們設計的自動測試設備進行了測量，并計算了Z比分數。（見表4）|Z|≤2為滿意結果，而我們的測量結果|Z|最大為0.93。

表2 不同內阻探頭測量放電的理論數據和實際數據對比表

圖4 自動測試設備程序框圖

通過與這兩項能力驗證的比對，驗證了設備具有較高的準確性和精度，能滿足電容放電的檢測要求。

表3 與IFM 12E27 Plug Discharge Test能力驗證比對

4 總結

產品的電氣安全要求是否合格，關系到消費者的人身安全，因此使用高精度、對測量結果影響最小的設備成為合格性檢測的保障。本文所研制的自動測量設備，適用范圍廣，通用性強，可以滿足IT、AV、家電、工業產品等眾多標準測試要求，可以達到單個設備測量不同電路放電殘余電壓的能力，降低了測量設備對測試的影響。實現測試自動化，測試結果讀取的數字化顯示，提高了測試效率。測量精度滿足 IECEE CTL決議對測量電壓的誤差要求，提高測試結果準確率高，誤差較小，有效避免人員、環境對測量結果的影響，適合在廣大檢測機構和工廠進行專業測量和自檢推廣應用。

表4 與CNCA電器產品插頭放電試驗CNCA-11-B09能力驗證比對