一種具備峰值斷電及能量測(cè)試的剩余電壓裝置研制

梁觀勝，何志輝，楊 杰（.廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東珠海，59000；.重慶出入境檢驗(yàn)檢疫局，重慶，40000）

一種具備峰值斷電及能量測(cè)試的剩余電壓裝置研制

梁觀勝1，何志輝1，楊 杰2
（1.廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東珠海，519000；2.重慶出入境檢驗(yàn)檢疫局，重慶，400020）

分析剩余電壓產(chǎn)生機(jī)理及其特點(diǎn)，討論現(xiàn)行剩余電壓測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一套全新的測(cè)量剩余電壓及剩余能量的測(cè)量?jī)x器方案，重點(diǎn)對(duì)峰值斷電及剩余能量計(jì)算進(jìn)行研究。

剩余電壓；峰值斷電；剩余能量

剩余電壓是指設(shè)備斷電后，電源插頭各極間在一段時(shí)間內(nèi)保持的電壓；剩余能量指剩余電壓泄放所產(chǎn)生的能量。產(chǎn)生的機(jī)理是由于設(shè)備電源環(huán)路存在儲(chǔ)能器件。如果環(huán)路中儲(chǔ)能器件容量足夠大，同時(shí)釋放回路阻值遠(yuǎn)大于人體阻值時(shí)，產(chǎn)生的剩余電壓及剩余能量就可能引起觸電事故，存在潛在的危險(xiǎn)。

目前，現(xiàn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)剩余電壓管控，例如家用電器安全標(biāo)準(zhǔn)GB4706.1-2005規(guī)定：器具在電壓峰值時(shí)從電源斷開(kāi)，在斷開(kāi)后的1s時(shí)，用一個(gè)不會(huì)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生明顯影響的儀器，測(cè)量插頭各插腳間的電壓。此電壓不應(yīng)超過(guò)34V。信息技術(shù)設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)GB 4943.1-2011指出：對(duì)A型可插式設(shè)備，放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于1s，對(duì)永久性連接式設(shè)備和B型可插式設(shè)備，放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于10s。醫(yī)療設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)GB 9706.1-2007指出：電源插腳之間以及每一電源插腳與設(shè)備外殼之間的電壓斷電后1s應(yīng)不超過(guò)60 V，如果電壓超過(guò)60V，應(yīng)測(cè)量其剩余能量，不應(yīng)超過(guò)2mJ。

由上述標(biāo)準(zhǔn)可知，剩余電壓值及剩余能量測(cè)的是瞬時(shí)值，即在斷電的某時(shí)刻（如1s、2s、5s、10s）測(cè)量電源插頭或儲(chǔ)能元件上的殘余電壓及能量。其中家用電器安全標(biāo)準(zhǔn)要求在電壓峰值時(shí)刻斷開(kāi)電源，目的是取得最不利情況下剩余電壓值。

目前，來(lái)自電網(wǎng)電源的干擾量越來(lái)越嚴(yán)重，為了過(guò)濾來(lái)自電網(wǎng)電源的干擾及抑制設(shè)備本身的騷擾，大部分設(shè)備會(huì)在電源輸入端設(shè)計(jì)濾波電路，典型的濾波電路如下圖1所示。

圖1　：典型電源濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖2　：示波器法測(cè)試原理簡(jiǎn)圖

該濾波電路主要由共模扼流圈LC，跨接在L、N兩極間的X電容CX，泄放電R，電感La、Lb及跨接在L與E間的Y電容CY1 及N與E間的Y電容CY2構(gòu)成。其中共模扼流圈LC，電容CY1、CY2主要抑制來(lái)自電源電網(wǎng)的共模干擾，電容CY1、CY2給共模干擾提供泄放回路，取相對(duì)的大的容量有利于提高抑制共模干擾的能力，同時(shí)，該電容跨接在L極或N極與地之間，用戶(hù)正常使用情況下可觸及，過(guò)大的容量會(huì)帶來(lái)觸電風(fēng)險(xiǎn)，通常該電容取值小于2200pF。X電容CX，電感La、Lb主要過(guò)濾來(lái)自電網(wǎng)電源的差模干擾，差模干擾通過(guò)X電容CX構(gòu)成泄放回路，該電容通常取值范圍0.01uF~0.47uF，適當(dāng)增大該電容容量，可獲得較好的差模抑制性能，但會(huì)增加線路的無(wú)功損耗及觸電風(fēng)險(xiǎn)，為了泄放電容的儲(chǔ)存電壓，增加泄放電阻R。安全標(biāo)準(zhǔn)考核的剩余電壓及剩余能量來(lái)源于電容CX、CY1、CY2上的殘余電壓及電量。由以上分析可知，剩余電壓有以下特點(diǎn)：

①能量微弱。若L極對(duì)E的Y電容CY1容量為2200pF時(shí)，電網(wǎng)電源峰值時(shí)刻斷電，即儲(chǔ)存電量E=CU2/2≈0.1mJ，若1s后再測(cè)量，電容自身泄漏及對(duì)線路板放電，其電量已經(jīng)非常微弱。

②存在時(shí)間短。用接在L、N兩極間的X電容CX分析，若容量為0.47uF，泄放電阻阻值1M?，即時(shí)間常數(shù)τ=RC=0.47s。若1s后再測(cè)量，該電壓為0。

③電壓形態(tài)特殊。剩余既不是峰值電壓也不是有效值電壓，而是變化的瞬時(shí)電壓，且由于電容與電感諧振，諧波含量豐富。

基于以上的分析，目前安全標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量電源插頭各極間的剩余電壓，即對(duì)I類(lèi)設(shè)備，要求測(cè)量L-N兩極間；G-L兩極間及G-N兩極間剩余電壓值，L-N兩極間剩余電壓測(cè)量的是差模電容的電壓；G-L兩極間及G-N兩極間剩余電壓測(cè)量的是共模電容的電壓。

目前，部分實(shí)驗(yàn)室用插拔電源插頭的方式斷開(kāi)電源，用數(shù)字萬(wàn)用表甚至指針表測(cè)量插頭間剩余電壓，數(shù)字萬(wàn)用表電壓檔直流電阻通常10MΩ，指針表直流內(nèi)阻更低，被測(cè)設(shè)備的剩余電壓通過(guò)儀表內(nèi)阻構(gòu)成泄放回路，測(cè)量不到剩余電壓。部分實(shí)驗(yàn)室用儲(chǔ)存示波器記錄剩余電壓，為了便于測(cè)量，示波器探頭與被測(cè)設(shè)備并聯(lián)，用雙刀開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備與供電電源斷開(kāi)或接通連接，測(cè)量原理圖如圖2所示，若開(kāi)關(guān)置于位置1，被測(cè)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)置于位置2，示波器記錄被測(cè)設(shè)備剩余電壓。示波器通常使用衰減比為×1000，內(nèi)阻100MΩ，輸入電容小于25pF的高壓探頭，為了保證檢驗(yàn)人員的安全，需用使用浮地示波器或使用隔離變壓器給示波器或樣品供電。

這種測(cè)試方法隨機(jī)性太高，測(cè)試結(jié)果偏差較大，開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)性能直接影響測(cè)量結(jié)果，而且無(wú)法保證峰值時(shí)刻斷開(kāi)電源，試驗(yàn)通常需要重復(fù)多次才得獲得接近峰值斷電的測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性低，況且，該方法是測(cè)試人員從存儲(chǔ)示波器的屏幕上讀取剩余電壓波型幅值來(lái)確定的，所以峰值斷電的時(shí)刻的判斷和斷電時(shí)間的控制易造成誤差。另外從示波器屏幕上讀取剩余電壓值由于受到毛刺等諸多因素的影響，精度不高。

為了滿(mǎn)足峰值斷電要求，部分實(shí)驗(yàn)室采用高壓恒壓源給被測(cè)設(shè)備供電，恒壓源模擬交流電峰值時(shí)刻電壓。若被測(cè)設(shè)備供電電壓220V，即恒壓源設(shè)置輸出電壓為交流電對(duì)應(yīng)的峰值電壓220V×1.414。即可有效保證斷電瞬間被測(cè)設(shè)備供電電壓為交流電峰值。該方法主要缺點(diǎn)有：若被測(cè)設(shè)備帶有感性單元部件，比如電動(dòng)機(jī)，變壓器等，存在燒毀感性單元部件風(fēng)險(xiǎn)；且高壓恒壓源應(yīng)有足夠功率容量，應(yīng)能滿(mǎn)足被測(cè)設(shè)備正常使用的功耗需求。高壓大容量的恒壓源價(jià)格昂貴，測(cè)試成本高。

為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套具備峰值斷電及能量測(cè)試的剩余電壓測(cè)量方案，該方案測(cè)量?jī)x器的原理如圖3所示，主要由STM32控制電路及測(cè)量電路、AD7606采樣電路、測(cè)量探頭，液晶顯示及繼電器模組構(gòu)成。

圖3　：測(cè)量?jī)x器原理框圖

圖4　：繼電器模組電路圖

測(cè)量?jī)x器與STM32為控制核心，STM32是基于Contex M4的內(nèi)核的微處理，具備72MHz的運(yùn)行速度，搭配2MB容量的SRAM，16BIT的AD模塊，可實(shí)現(xiàn)200kHz的高速采樣，對(duì)于不超過(guò)314V峰值的電壓信號(hào)，可達(dá)到5mV的分辨率。測(cè)量探頭選用衰減率×100的高壓高壓探頭，耐壓±2kV，頻率帶寬75MHz，直流內(nèi)阻100MΩ，輸入電容6pF。該高壓高阻探頭對(duì)測(cè)量信號(hào)基本無(wú)影響。測(cè)量?jī)x器選用7寸16：9的寬屏液晶屏，便于觀察波形的細(xì)節(jié)，繼電器模組選擇測(cè)量線對(duì)，即實(shí)現(xiàn)分別測(cè)量L與N，L與G及N與G間的剩余電壓。滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè)量插頭每極間電壓的要求。

繼電器模組電路圖如圖4所示，繼電器K1、K2、K3選擇探頭正端測(cè)量極，繼電器K4、K5、K6選擇探地端測(cè)試極，若測(cè)量?jī)x器當(dāng)前狀態(tài)設(shè)置于測(cè)量L、N兩極間剩余電壓，即STM32的PA2、輸入輸出端口應(yīng)輸出高電平，繼電器K4得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，探頭地端選擇被測(cè)樣品N極；STM32的PA4、PA0、PA1、PA3、PA4端口輸出低電平，繼電器K1、K2、K3、K5、K6均處于不得電狀態(tài)，常閉觸點(diǎn)閉合，探頭正端選擇L極。同理，可分析測(cè)量?jī)x器設(shè)置于測(cè)量L、G兩極或N、G兩極的剩余電壓狀態(tài)。繼電器K1、K2、K3、K4、K5、K6用于選擇測(cè)試電極，應(yīng)保證觸點(diǎn)斷開(kāi)絕緣電阻遠(yuǎn)大于100MΩ，繼電器K7、K8、K9決定被測(cè)樣品是否得電及斷開(kāi)電源的時(shí)刻，由于繼電器是機(jī)械結(jié)構(gòu)，吸合時(shí)間長(zhǎng)，釋放時(shí)間短，所示被測(cè)樣品供電回路選擇繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)，測(cè)量開(kāi)始前STM32控制端口PA5、PA6、PA7輸出高電平，繼電器K7、K8、K9得電，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，被測(cè)樣品得電，若STM32判斷應(yīng)斷開(kāi)供電電源接入測(cè)量系統(tǒng)，即端口PA5、PA6、PA7輸出低電平，繼電器K7、K8、K9常開(kāi)觸點(diǎn)迅速斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)吸合。達(dá)到較高測(cè)量精度。

本設(shè)計(jì)方案的技術(shù)難點(diǎn)在于峰值斷電的實(shí)現(xiàn)。被測(cè)樣品供電為50Hz或60Hz工頻電源，假設(shè)為50Hz，即電源周期20ms，從過(guò)零點(diǎn)計(jì)時(shí)間，應(yīng)每隔5ms出現(xiàn)電源峰值，考慮繼電器斷開(kāi)的反應(yīng)速度，方案中選擇檢測(cè)供電電源正向過(guò)零點(diǎn)，延時(shí)一段時(shí)間后斷開(kāi)供電源，延時(shí)的時(shí)間由STM32根據(jù)繼電器的斷開(kāi)特性自動(dòng)適應(yīng)計(jì)算。

交流電信號(hào)時(shí)域模型為：

式中，fn為供電電源50H或60Hz的頻率，A為供電電源的峰值電壓，fs為采樣率，t為采樣時(shí)刻。

圖5　：電源電壓峰值點(diǎn)

控制器STM32檢測(cè)的電壓波形應(yīng)如圖5所示，電源斷開(kāi)瞬間測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到的電壓應(yīng)為供電電源對(duì)應(yīng)的峰值電壓，若兩者相對(duì)誤差大于1%，程序根據(jù)式（1）調(diào)節(jié)采樣時(shí)刻t，即可知繼電器斷開(kāi)時(shí)刻foff=20ms-t。

上述過(guò)程由程序自動(dòng)完成，多次調(diào)整參數(shù)后，可自動(dòng)適應(yīng)不同繼電器斷開(kāi)時(shí)間特性，保證測(cè)試精度，系統(tǒng)具有一定的魯棒性。

圖6　：理論放電波形示意圖

測(cè)量?jī)x器若1s后檢測(cè)到被測(cè)設(shè)備剩余電壓大于60V，根據(jù)醫(yī)療設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)GB 9706，對(duì)2K無(wú)感電阻的放電電量不得超過(guò)2mJ。測(cè)量?jī)x器自動(dòng)接入2K無(wú)感電阻，STM32檢測(cè)到理論放電波形如圖6所示，實(shí)際放電曲線非常陡，剩余能量即為實(shí)際放電曲線與X軸及Y軸所形成面積，面積不方便計(jì)算，采用積分的方法求面積，每隔△t（對(duì)200kHz的采樣率，△t取5us）時(shí)間，采樣一組數(shù)據(jù)，測(cè)量2K無(wú)感電阻R兩端的電壓Un，直至Un=0即測(cè)量完成。由下式（2）計(jì)算剩余能量。

式中：E為剩余能量，Un為每次采樣的電壓值，R為無(wú)感電阻阻值，△t采樣時(shí)間間隔。

本文詳細(xì)歸納了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)剩余電壓及剩余能量的要求，分析了剩余電壓及剩余能量的特點(diǎn)及產(chǎn)生機(jī)理。提出了滿(mǎn)足峰值斷電、斷電后測(cè)量時(shí)間可調(diào)及適用時(shí)能測(cè)量剩余能量的一套全新的剩余電壓及剩余能量測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)方案。

［1］ GB 4706.1-2005家用和類(lèi)似用途電器的安全第1部分：通用要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005

［2］ GB 4943.1-2011信息技術(shù)設(shè)備 安全 第1部分：通用要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011

［3］ GB 9706.1-2007醫(yī)用電氣設(shè)備第一部分：安全通用要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

［4］ GB 8898-2011音頻、視頻及類(lèi)似電子設(shè)備安全要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011

The Peak Voltage And Energy Testing Of Residual Voltage Device is Developed

Liang Guansheng1，He Zhihui1，Yang Jie2
（1.Zhuhai of guangdong province quality measurement supervision and inspection，Zhuhai，Guangdo ng，519000；
（2.Chongqing Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau，Chongqing，400020）

Analysis the mechanism of the generation of residual voltage and its characteristic，discusses the advantages and disadvantages of current residual voltage test，put forward a new kind of on the residual voltage and residual energy measuring instrument design，focus on the peak voltage and conduct the thoroughresearch to the remaining energy calculation.

residual voltage；Peak voltage off；residual energy