電子產(chǎn)品接觸電流解析

朱乃榕

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福州 350002）

引言

電子產(chǎn)品內(nèi)置開關(guān)電源，常在相線、中性線與保護(hù)大地以及一次電路熱地與二次電路冷地間加裝Y 電容，用于抑制EMI 干擾。人體接觸電子產(chǎn)品的可觸及導(dǎo)電部分后，相當(dāng)于串聯(lián)在供電網(wǎng)對地回路中，Y 電容電荷得以釋放，產(chǎn)生經(jīng)由人體流回大地的電流。該電流是對地接觸電流的主要成分。

由正弦交流供電條件的容抗公式Xc=1/（2πfC），可得接觸電流I=U/Xc=（2πfC）*U，U 為供電電壓，f 為工作頻率，C 為電容容量。在既定的供電環(huán)境下，Y電容容量直接決定接觸電流大小。人體通常能夠敏銳地感知毫安級的接觸電流，若電流過高則易出現(xiàn)不自主的反應(yīng)，較大接觸電流會導(dǎo)致肌體抽搐或灼傷、心室纖維性顫動、心臟停跳等安全事故。

因此，電子產(chǎn)品在安全設(shè)計(jì)上必須將接觸電流放在首位。

1 接觸電流限值

GB 4943.1-2022《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)產(chǎn)品 第1 部分：安全要求》是目前我國使用最廣泛的消費(fèi)類電子產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)把接觸電流歸入電能量源（Electrical energy source）。電能量源限值詳見表1。

表1 穩(wěn)態(tài)ES1 和ES2 電能量源的限值

1 級電能量源是達(dá)到在正常工作條件下、異常工作條件下和非安全防護(hù)的部件/絕緣的單一故障條件下不超過ES1 限值，且在基本/附加安全防護(hù)的單一故障條件下不超過ES2 限值。ES1 為1 級電能量源。1 級能量源和一般人員之間不需要安全防護(hù)，1 級能量源對一般人員是可觸及的。制造商應(yīng)保證在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上，接觸電流始終處于1 級能量源范圍內(nèi)。

上述單一故障條件可區(qū)分為：

①非安全防護(hù)的部件/絕緣的單一故障條件，ES1 限值；

②基本/附加安全防護(hù)的單一故障條件，ES2 限值。

2 人體網(wǎng)絡(luò)選取

測量接觸電流應(yīng)采用GB/T 12113-2013《接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流的測量方法》標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。圖1 和圖2 基于以RS、RB和CS為主的人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，再加入對應(yīng)的加權(quán)電路。RB為人體內(nèi)部阻抗，RS和CS為接觸點(diǎn)間總皮膚阻抗，CS由皮膚接觸面積而定。

圖1 感知電流和反應(yīng)電流測量網(wǎng)絡(luò)

圖2 擺脫電流測量網(wǎng)絡(luò)

圖1為感知/反應(yīng)電流測量網(wǎng)絡(luò)，適用于50 Hz 和60 Hz 或更高頻率下電流限值高達(dá)擺脫電流限值，以及加權(quán)等效于50 Hz 和60 Hz 電流限值高達(dá)2 mA 有效值的情況。感知/反應(yīng)接觸電流等于U2峰值除以500 Ω。

圖2為擺脫電流測量網(wǎng)絡(luò)，額外加權(quán)以模擬人體對電流的頻率響應(yīng)，該電流能引起肌肉痙攣、喪失擺脫可握緊部件能力。擺脫接觸電流等于U3峰值除以500 Ω。

擺脫電流測量網(wǎng)絡(luò)的使用條件為：

——交流接觸電流且允許限值大于2 mA 有效值或2.8 mA 峰值；

——具有可握緊部件；

——電流流過手和胳膊時難以從可握緊部件上脫離。

其他情況應(yīng)使用感知電流和反應(yīng)電流測量網(wǎng)絡(luò)。

由此可見，文中第二章節(jié)所提到的單一故障情況，①應(yīng)使用圖1 網(wǎng)絡(luò)，②應(yīng)使用圖2 網(wǎng)絡(luò)。如果錯誤使用測量網(wǎng)絡(luò)，將無法得到真實(shí)的接觸電流值。

3 試驗(yàn)崗位搭建及測量方法

對電子產(chǎn)品開展接觸電流測量時，應(yīng)按圖3 進(jìn)行電氣連接。對于預(yù)期不接地產(chǎn)品，圖中的保護(hù)接地導(dǎo)體可以省略。試驗(yàn)進(jìn)行時所有n 和e 開關(guān)接通，網(wǎng)絡(luò)A 端依次施加到可觸及部件。A 端每次接入前，B 端先連接到地。

圖3 接到星型TN 或TT 系統(tǒng)的單相產(chǎn)品的試驗(yàn)配置

開關(guān)n 模擬中性線故障，開關(guān)e 模擬地線故障，開關(guān)p 模擬相線和中性線逆轉(zhuǎn)。

在正常/異常工作條件和單一故障條件下（安全防護(hù)故障除外），使用圖1 感知電流和反應(yīng)電流測量網(wǎng)絡(luò)，從所有未接地的可觸及導(dǎo)電部分測量接觸電流。在基本/附加安全防護(hù)的單一故障條件下，使用圖2 擺脫電流測量網(wǎng)絡(luò)，從所有未接地的可觸及導(dǎo)電部分測量接觸電流。

對于可觸及的非導(dǎo)電部分，使用10×20 cm 尺寸的金屬箔，以代表人手。使用金屬箔膠粘劑時，膠粘劑應(yīng)導(dǎo)電，此時非導(dǎo)電部分視同導(dǎo)電部分。

任意接地的可觸及導(dǎo)電部分在電源連接故障（按GB/T 12113 中6.2 規(guī)定設(shè)置）后測試接觸電流，不得超過ES2 限值。

就測量接觸電流而言，在測量U2和U3時，所使用的儀器應(yīng)指示峰值電壓，應(yīng)注意，DSH 2195 號決議顯示，國際電工委員會（IEC）已公示的OD-5013 文件中7.1 條不適用于一體式泄漏電流測試儀。如果接觸電流的波形是正弦波形，則可以使用指示有效值的儀器。

值得注意，保護(hù)接地屬于附加安全防護(hù)措施，斷開保護(hù)接地對應(yīng)文中第二章節(jié)②的單一故障條件。

4 單一故障條件分析

OSM-EE 18/5 號決議要求，任意接地的可觸及導(dǎo)電部分在電源連接故障（按GB/T 12113 中6.2 規(guī)定設(shè)置斷開開關(guān)e）后測試接觸電流。認(rèn)為在這種情況下，雖然出現(xiàn)“接地故障”和“電源連接故障”，不認(rèn)為屬于雙重故障，仍然屬于單一故障概念。而如果產(chǎn)品有單極電源開關(guān)，則要在產(chǎn)品運(yùn)行和關(guān)閉時分別進(jìn)行測量。

以TN 系統(tǒng)的單相產(chǎn)品為例，GB/T 12113 中6.2.2.2、6.2.2.3 條款對應(yīng)故障詳見表2。其他條款適用于非TN 系統(tǒng)或三相產(chǎn)品，受篇幅限制，本文暫不展開討論。

表2 GB/T 12113 中6.2.2.2、6.2.2.3 條款對應(yīng)故障

同時出現(xiàn)“接地故障”和“電源連接故障”的典型情況至少有以下兩種：

情況1：可觸及導(dǎo)電部分接地，測量接觸電流必須斷開開關(guān)e。中性線裝配熔斷器，不用于安全防護(hù)的元器件的單一故障（例如一次電路中整流濾波電路元器件短路）造成熔斷器動作斷開，同時出現(xiàn)“接地故障”和“電源連接故障”；

情況2：可觸及導(dǎo)電部分接地，測量接觸電流必須斷開開關(guān)e。產(chǎn)品單極開關(guān)位于中性線一極，開關(guān)往電源一側(cè)無其他器件，斷開開關(guān)相當(dāng)于斷開中性線，同時出現(xiàn)“接地故障”和“電源連接故障”。

根據(jù)GB/T 12113 標(biāo)準(zhǔn)，測量接觸電流主要考慮電源連接故障，即電源連接中的中性線通斷或極性逆轉(zhuǎn)，并沒有涉及由產(chǎn)品內(nèi)部元器件單一故障導(dǎo)致的電源連接故障。由此，從標(biāo)準(zhǔn)制定角度出發(fā)，基于GB/T 12113 情況1 的開關(guān)e 斷開可以不予考慮，GB/T 12113 的6.2.2.3 條款亦可佐證。

然而，我國早期民用房裝修中常見的地線漏裝缺陷是客觀事實(shí)，必須正視類似的歷史遺留問題。建議制造商應(yīng)有責(zé)任和擔(dān)當(dāng)，將同時出現(xiàn)“接地故障”和“電源連接故障”的故障情況納入產(chǎn)品安全防護(hù)設(shè)計(jì)，預(yù)留接觸電流余量。

5 結(jié)語

電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)順序上，通常優(yōu)先考慮EMI 而后考慮安全。等效Y電容容量越大，抑制EMI干擾效果越明顯，相應(yīng)地也會帶來更高的對地接觸電流。制造商應(yīng)在可接受范圍內(nèi)降低Y容量容量，以控制接觸電流，避免出現(xiàn)“高性能、高風(fēng)險”的產(chǎn)品。