正确理解电气设备中电源插头的剩余电压和剩余能量

１ 引言
目前电气设备会在电源 ＬＮ 线路之间跨接通过认证 的 Ｘ 电容，Ｘ 电容起到了抑制电磁干扰的作用。但是由 于 Ｘ 电容容量的选择不当，加上没有合理的放电电路， 当使用者拔出设备电源插头的时候，不小心触及到插头 的插脚，Ｘ 电容所贮存的剩余能量会对使用者造成触电 危险。
２ 测量部位的选择
来自电网的干扰会给电气设备的工作带来影响，同 时电气设备产生的开关脉冲也会给电网带来影响。为了 有效抑制来自电网的干扰和开关脉冲对电网的影响，电 气设备的电源线路的输入部分常使用滤波元件，包括 Ｘ 电容和滤波线圈。
电源插头的 ＬＮ 插脚之间剩余电压和剩余能量的测 量主要是考虑“差模干扰”的影响。而电源插头的 Ｌ （Ｎ） 插脚与保护地之间的剩余电压和剩余能量的测量主 要是考虑“共模干扰”的影响。电源电路中滤波线圈贮
存的电能量远远小于 Ｘ 电容贮存的电能量。在下面分析 相关电路的时候，忽略了滤波线圈的影响，重点考虑 Ｘ 电容的影响。
ＧＢ９７０６．１－２００７ 标准第 １５ 条 ｂ） 用插头与供电网 连接的设备，应设计成在拔断插头之后 １ｓ 时，各电源插 脚之间以及每一电源插脚于外壳之间的电压不超过 ６０Ｖ。
ＧＢ９７０６．１－２００７ 标准第 １５ 条 ｃ） 在设备电源切断 后立即打开在正常使用时用的调节孔盖就可触及的电容 器或与其相连的电路带电部件上的剩余电压，不得超过 ６０Ｖ，若电压超过此值，则剩余能量不得超过 ２ｍＪ。
依据 Ｊ＝０．５×ＣＵ２推倒出 Ｃ＝２Ｊ／ Ｕ２ 若产品的额定电压范围为 １００－２４０Ｖ，则电容的最 大电压 Ｕ＝１．４１４×２６４Ｖ＝３７３．３Ｖ 根据标准的规定，计算得出 Ｃ＝２×０．００２／３７３．３２＝ ２８７μＦ 可以得出电源两极之间的 Ｘ 电容容量不超过 ２８７μＦ，剩余能量就不超过 ２ｍＪ。 从上述计算可以得出当 Ｘ 电容的容量大于 ２８７μＦ 时，需要用示波器详细计算剩余能量。 开关 “闭 合 ”：电 源 两 极 之 间 的 Ｘ 电 容 容 量 超 过 ０．１μＦ，需要进行各电源插脚之间的剩余电压和剩余能 量测试。
ＧＢ／Ｔ１３８７０．１—１９９２． 《电流通过人体的效应》 （第 一部分：常用部分） 对流经人体的电流效应、人体的阻 抗做了详细的规定。影响人体阻抗的因素有很多，对人 体造成伤害的放电电压无法用简单的欧姆定律去计算。 不同标准对安全电压和安全能量的规定都有所不同。
ＧＢ４９４３－２００１ 《信息技术设备的安全》 第 ２．２ 条对安 全电压的规定为不应超过 ４２．４Ｖ 交流峰值或 ６０Ｖ 直流值。
５ 电源插头 ＬＮ 插脚之间剩余电压和剩余电量 的测量。
ＧＢ９７０６．１－２００７ 标准第 １５ 条对剩余电压和剩余电
量的测试有如下规定： 设备运行在额定电压或其上限电压。 用拔断插头的方法使设备与电网断开，且设备电源
开关置于“通”或“断”中最不利的位置上。 在断开电源后 １ｓ 时，用一个内阻抗不影响测量值的
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日用电器 ２００８．１０
ｗｗｗ ． ｑｓｃｈｉｎａ ． ｃｏｍ
技术 创新
ＧＢ８８９８－２００１ 《音频、视频及类似电子设备 安全 要求》 第 ９．１．１ 条如果满足下列要求，则零部件或端子 的接触件是非危险带电的：ａ） 开路电压不超过交流 ３５Ｖ （峰值） 或直流 ６０Ｖ；ｃ） 存电压在 ６０Ｖ 到 １５ＫＶ 之间者， 放电量不超过 ４５μＣ；
熔断器
等效电容超过 ０．１μＦ 开关
Ｌ
后 级 电 路
Ｎ 图２
４．２ 电源两极之间的 Ｘ 电容容量超过 ０．１μＦ，且电 容在开关和熔断器之后，无放电电阻。 （见图 ２）
开关“断开”：人体触及插头，无法行程放电回路。 开关 “闭 合 ”：电 源 两 极 之 间 的 Ｘ 电 容 容 量 超 过 ０．１μＦ，需要进行各电源插脚之间的剩余电压和剩余能 量测试。
仪表来测量插头各电源插脚间及电源插脚与设备外壳间 电压。测得的电压不得超过 ６０Ｖ。试验必须进行 １０ 次。
可触及的电容器或与其相连的电路带电部件上的剩 余电压，不得超过 ６０Ｖ，若电压超过此值，则剩余能量 不得超过 ２ｍＪ。
下面用具体的案例说明：被测样品是医用口腔观察 仪，使用适配器供电，适配器为Ⅱ类设备，输入 １１０－２４０Ｖ￣， ５０／６０Ｈｚ，０．３Ａ 输出：＋５Ｖ ＤＣ， ２Ａ。测试连接 示意图见图 ７
示波器
控制按钮
２
２＇
Ｌ
１
Ｎ
１＇
全极开关
被测样品
图８
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技术 创新
全极开关在 １－１’处与稳压电源接通，被测样品按 照额度上限电压正常工作；按动控制按钮，全极开关与 稳压电源断开 （离开 １－１’位置），并在 ２－２’处与示波 器的测试端接通。示波器显示屏上会出现类似的插头放 电波形 （见图 ９）。
标准不确定
不确定度贡
灵敏系数 Ｃｉ
度 ｕ（ｘｉ）
献 ｕｉ（ｙ）
０．３６５ｍｓ
１
０．３６５ｍｓ
０．２０９ｍｓ
１
０．２０９ｍｓ
０．１４６ｍｓ
１
０．１４６ｍｓ
Ｋ＝姨 ３
４ 几种常见放电电路的放电原理和元器件参数 的选择
一次电路等效电容 Ｃ≤０．１μＦ Ｌ
Ｎ 图１
４．１ 电源两极之间的 Ｘ 电容容量≦０．１μＦ （见图 １）
根据 ＧＢ９７０６．１－２００７ 标准第 １５ｂ） “当线间接入的 干扰抑制电容器其电容量小于或等于 ０．１μＦ 时，也不应 进行线间试验。”可以直接判定电源插脚之间剩余电压和 剩余能量符合要求。
正确理解电气设备中电源插头的 剩余电压和剩余能量
文│陈永强 刘国荣
［摘 要］ 文章首先明确了电源插头 ＬＮ 插脚之间的剩余电压和剩余能量测量主要是考虑“差模干扰”的影响。而电 源插头 Ｌ （Ｎ） 插脚与保护地之间的剩余电压和剩余能量测量主要是考虑“共模干扰”的影响。接着解释了标准中 电源插头的剩余电压和剩余能量限值是如何确定的。再接着分析了几种常见放电电路的放电原理和元器件参数的 选择。文章还通过一个实际的案例详细介绍了电源插头 ＬＮ 插脚之间剩余电压和剩余能量是如何测量的。最后对 剩余电压测量中达到安全电压所需时间进行了不确定度分析。 ［关键词］ 电气设备、剩余电压、剩余能量
６ 剩余电压测量中达到安全电压所需时间的不 确定度分析
６．１ 不确定度汇总
对插头剩余电压的测量按照分析方法 １ 进行，达到 安全电压所需时间的进行不确定度分析，未计入测试装 置损耗、环境温度变化、电源频率等因素的影响。
图９
将示波器通过网线连接上计算机，连续按动 １０ 次 控制按钮，并在计算机上存储下 １０ 次插头放电的波形， 选择放电电压最大，衰减时间最长的图形进行分析。
熔断器 开关 Ｌ
放电电阻
此等效电容 超过 ０．１μＦ
Ｎ 图４
４．４ 电源两极之间的 Ｘ 电容容量超过 ０．１μＦ，有放 电电阻 （电阻通过相关认证或测试），且电容和电 阻在开关和熔断器之前。 （见图 ４）
开关“断开”：人体触及插头，人体阻抗和放电电阻 形成了并联关系，一般情况下，人体电阻可按 １０００－ ２０００ 欧姆考虑。根据电阻并联定律可知，为了保证 Ｘ 电 容贮存的大部分能量是通过放电电阻释放掉，减少对人 体的伤害。放电电阻的阻值不应过大，建议放电电阻的 阻值在 １－５ 欧姆之间。
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开关“闭合”：Ｘ 电容所贮存的大部分能量通过放电 电阻和后级电路释放掉了。
此等效电容 超过 ０．１μＦ 熔断器 开关 Ｌ
放电电阻
后
级
电
路
Ｎ 图５
４．５ 电源两极之间的 Ｘ 电容容量超过 ０．１μＦ，有放 电电阻 （电阻通过相关认证或测试），且电容和电 阻在开关和熔断器之后。 （见图 ５）
开关“断开”：人体触及插头，无法行程放电回路。 开关“闭合”：Ｘ 电容所贮存的大部分能量通过放电 电阻和后级电路释放掉了。
市电
市电
适配器
稳压电源
放
电
示波器
Fra Baidu bibliotek
测 试
测
被 测 样 品
试
探
头
放电开关
图７
被测样品使用稳压电源供电：电压设定在 ２４０Ｖ。测 试主要设备是 ＴＤＳ３０５２Ｂ 数字存贮示波器。环境温度保 持在 （２３±２） ℃。
由于标准要求的是设备断电 １ｓ 后的插头剩余电压。 手动拔出插头的速度对剩余电压测试的影响，为了保证 测试的准确性，设计了一套“插头放电”测试装置。其 工作原理见图 ８
分析方法 １：从波形最大电压值处对应的时间点作 为时间座标的起点，一直到波形安全电压 ６０Ｖ 对应的时 间点作为时间座标的终点。终点与起点之间的时间差看 是 否 小 于 １ｓ。 上 述 案 例 中 终 点 与 起 点 的 时 间 差 为 ３４ｍｓ＜１ｓ，１ｓ 后插头的剩余电压符合要求。
６．２ 标准不确定度
３ 安全电压和安全能量的限值
当人体接触带电体时，人就被当作一电路元件接入 回路。人体阻抗通常包括外部阴抗 （与触电才当时所穿 衣服、鞋袜以及身体的潮湿情况有关，从几千欧至几十 兆欧不等） 和内部阻抗 （与触电者的皮肤阻抗和体内阻 抗有关）。
人体阻抗不是纯电阻，主要由人体电阻决定。人体 电阻也不是一个固定的数值。一般认为干燥的皮肤在低 电压下具有相当高的电阻，约 １０ 万欧。当电压在 ５００－ １０００ 伏时，这一电阻便下降为 １０００ 欧。表皮具有这样 高的的电阻是因为它没有毛细血管。手指某部位的皮肤 还有角质层，角质层的电阻值更高，而不经常磨擦部位 的皮肤的电阻值是最小的。皮肤电阻还同人体与体的接 触面积及压力有关。通常情况下，人体电阻可按 １０００－ ２０００ 欧考虑。
１） 测量重复性分量 计 算 机 上 存 储 下 １０ 次插头放电的波形，选择 放电电压最大，衰减时间 最长的图形进行分析，重 复进行相同测量产生的不 确定度，检测中进行 ８ 次 测量，取平均值。 根据贝塞尔公式，不
次数 第１次 第２次 第３次 第４次 第５次 第６次 第７次 第８次
平均
测量时间 （ｍｓ） ３６ ３７ ３５ ３５ ３８ ３７ ３６ ３６
３６．２５
表 １ 达到安全电压所需时间的不确定度汇总表
标准不确定
不确定
度分量 ｕｉ
度来源
ｕ１
重复性
ｕ２
仪器测量准确度
ｕ３
电源电压波动
“插头放电”测
Ｕ４
试装置动作偏差
类型 Ａ Ｂ Ｂ
Ｂ
误差量 ０．３６５ｍｓ ０．２０９ｍｓ ０．１４６ｍｓ
０．１０５ｍｓ
概率分布 正态 矩形 矩形
矩形
分布系数
－ Ｋ＝姨 ３ Ｋ＝姨 ３
熔断器
开关
Ｌ
此等效电容 超过 ０．１μＦ
Ｎ 图３
４．３ 电源两极之间的 Ｘ 电容容量超过 ０．１μＦ，且电 容在开关和熔断器之前，无放电电阻。 （见图 ３）
开关“断开”：Ｘ 电容的最大电压值为网电源的最大 峰值超过安全电压限值，需要测量剩余能量，根据 ＧＢ９７０６．１－２００７ 第 １５ ｃ） 若电压超过此值，则剩余能量 不得超过 ２ｍＪ。
分析方法 ２：从波形最大电压值处对应的时间点作 为时间座标的起点，沿着时间座标一直到 １ｓ 后对应波形 的电压值，看 １ｓ 后波形的电压参数是否小于 ６０Ｖ。上述 案例中 １ｓ 后对应的电压参数为 ２．４Ｖ＜６０Ｖ，１ｓ 后插头 的剩余电压符合要求。
分析方法 ３：从计算原理可知，剩余电量实际上是 衰减波形与时间座标之间的面积。要精确计算 １ｓ 后插头 的剩余电量，可以利用 ＴＤＳ３０５２Ｂ 数字存贮示波器的相 关功能。上述案例中插头剩余电量为 ０．８７ｍＪ。
电气设备的电源线、通信线，与其它设备或外围设 备相互交换的通讯线路，至少有两根 ＬＮ 导线作为往返 线路输送电力或信号，但在 ＬＮ 两根导线之外通常还有 “地线”。干扰电压和电流分为两种：一种是 ＬＮ 导线分 别做为往返线路传输；另一种是 ＬＮ 导线做去路，地线 做返回路传输。前者叫“差模干扰”，后者叫“共模干 扰”。
此等效电容
熔断器
超过 ０．１μＦ 开关
Ｌ
后 级 电 路
Ｎ 放电电阻 图６
４．６ 电源两极之间的 Ｘ 电容容量超过 ０．１μＦ，有两 个放电电阻并联在电源两极之间 （电阻通过相关认 证或测试），且电容和电阻在开关和熔断器之后。 （见图 ６）
开关“断开”：人体触及插头，无法行程放电回路。 开关“闭合”：根据电阻并联定律，等效电阻的阻值 小于任何一个放电电阻的阻值，使用两个放电电阻并联 在电源两极之间，通常是考虑到 Ｘ 电容容量参数比较 大，加上后级电路的阻值比较大，需要放电电阻承受 Ｘ 电容所贮存的大部分能量。