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技術文章
GB9706.1剩余電壓測試儀的應用
GB9706.1--2007《醫用電氣設備 第一部分：安全通用要求》國家標準規定的測試要求進行分析，根據剩余電壓的形成及特點，列出了當前剩余電壓測試過程出現的相關峰值斷電、測試阻抗、測試時間和剩余電壓測試設備計量等測試問題并進行解析。對現有剩余電壓測試設備的生產、使用和計量提供參考。
剩余電壓是電氣設備斷電后，電源插頭各極間、各極對設備外殼間和用電設備內部易觸碰的儲能器件上，在一段時間內保持的殘余電壓。目前，剩余電壓的測試方法離國標的要求也存在一定的差距，設備計量也無規程可遵守，因此，再此提出分析。
一、剩余電壓的特點和測試要求
1、GB9706.1--2007《醫用電氣設備 第一部分：安全通用要求》規定：“用插頭與供電網連接的設備，必須設計成在拔斷插頭之后1s時，各電源插腳之間以及每一電源插腳與設備外殼之間的電壓不超過60V。”
國標GB4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第一部分：安全要求》規定：“器具以額定電壓供電，然后將其任何一個開關置于“斷開”位置，器具在電壓峰值時從電源斷開。在斷開電源后的1s時，用一個不會對測量值產生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。”
2、剩余電壓的特點：
⑴ 能量微弱。線對地電容量為3000pF時，其能量E﹦1/2×C×U2﹦1/2×0.03uF×10－-6×(60V)2﹦54×10－-6﹦0.054mJ，再經過回路電阻1秒的放電, 能量已很難測試；
⑵ 存在時間短。測試時間為1秒，存在時間根據回路電阻的大小,也僅有數秒鐘；
⑶ 電壓形態特殊。測試的既不是峰值電壓也不是有效值電壓，而是變化時的瞬時點電壓（見放電圖）。
3、剩余電壓測試要求：
⑴ 很高的測試內阻。用內阻抗不影響測量值的儀表來測；
⑵ 精確的測試時間。拔斷插頭之后1s時這一點的時間；
⑶ 瞬時采集測試數據能力。測試采集1s時這一點的電壓；
⑷ 峰值斷電測試功能。GB9706.1--2007規定：“在斷開電源后1秒時，…..測量……。試驗必須進行10次。”這是為了測試到最高剩余電壓，10次中選電壓斷電時的電容最高充電電壓。
二、峰值斷電測試
1、GB9706.1--2007規定：“若采用了干擾抑制電容器，且每一線對地電容量在額定電壓小于或等于250V時小于3000pF，額定電壓小于或等于125V時小于5000pF，則不必進行每一線與設備外殼之間的試驗”。電儲能器件的能量存儲多少決定于器件的容量和外部電源的電壓，在電源干擾電容容量一定的情況下，電源電壓高低決定了剩余電壓的高低。在電源額定電壓220伏時測試，其峰值電壓為311伏，儲能的能量和電壓為最高。應此，測試電器設備的剩余電壓應在電源電壓為峰值時斷電測試。
2、GB9706.1—2007又規定：剩余電壓“試驗必須進行10次”。由于在電源電壓隨機斷電狀態進行測試，所以，規定測試10次，選擇其測試最大值。這樣的測試會出現：⑴ 10次測試未必采集到最大值剩余電壓，⑵ 不能保證每一次測試的重復性。因此，只有在電源電壓為峰值時斷電，剩余電壓的測試才能保證采集到最大值和測試數據的一致性(見放電圖)。所以，國標《GB4706.1-2005家用和類似用途電器的安全 第一部分：安全要求》對剩余電壓測試作出規定：“器具在電壓峰值時從電源斷開”。
三、高阻抗測試
GB9706.1--2007規定：“在斷開電源后的1s時，用一個不會對測量值產生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。” 這個阻抗值為多少合適？標準中沒有具體規定，理論上是阻抗越高測試精度越高，但是，阻抗不可能無限的高，這里有一個適用的問題，既能在測試安全要求范圍之內，有能普遍推廣使用。
GB9706.1--2007《醫用電氣設備 第一部分：安全通用要求》規定：“當線間接入的干擾抑制電容器其容量小于或等于0.1uF時，也可不必進行線間試驗。”根據電容放電相關公式：R＝τ/C＝1s/0.1uF＝10MΩ，測試儀要求的測試阻抗必需大于10MΩ。
“若采用了干擾抑制電容器，且每一線對地電容量在額定電壓小于或等于250V時小于3000pF，額定電壓小于或等于125V時小于5000pF，則不必進行每一線與設備外殼之間的試驗”。通過電容放電公式計算，在時間為1秒, 電容為3000pF，放電電阻則為：R＝τ/C＝1s/3000pF＝333.3MΩ。
線間剩余電壓合格判斷標準為60V時，他的剩余能量：
E﹦1/2×C×U2﹦1/2×0.1uF×10－6×(60V)2﹦0.05×10－6×3600
﹦180×10－6﹦0.18 mJ
在存儲的能量為0.18 mJ時，線對地額定電壓等于250V（峰值電壓為354V），其電容量為：
C=2×E/U2=2×180×10－6/(354)2=0.00287×10－6≈3000 pF
為何線對地與線間電容量規定的差別相差如此的大，我們認為主要是考慮被測設備的阻抗大小和人體承受的電能決定的。
線間額定電壓等于250V（峰值電壓為354V）時，354V峰值電壓，1秒后電壓降為60V時的電壓的降幅為294V，能量由6.27 mJ降為0.18 mJ。可見，線間的阻抗較小，放電的速度較快；而線對地間的阻抗較高，有數百兆至數千兆，1秒時的電容能量釋放很少，按照電容存儲的能量多少來判定：線間電容0.1uF時60V剩余電壓的能量與線對電容3000 pF，額定電壓等于250V時存儲的能量對人體的危害應該是相等的。從兩者的危險程度來看，線間阻抗較低，電容的能量與人體能形成較大的分流作用；而線對地間的阻抗較高，電容的能量基本從人體經過，形成較大的危險。因此，線對地剩余電壓的測試阻抗要求也就更高。
四、準確測試時間和精確數據采集顯示能力
1、準確的測試時間
GB9706.1--2007規定：“用插頭與電源連接的設備，必須設計成在拔斷插頭之后1s時，各電源插腳之間或每一電源插腳與設備機身間電壓不超過60V。”國標GB4706.1-2005規定：“在斷開電源后的1s時，用一個不會對測量值產生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。”
剩余電壓的存在形式是儲能器件的能量釋放，是一個能量衰減漸變過程，每一時間段的電壓值均不一樣，特別是能量震蕩衰減過程，在震蕩的上升和下降沿，很短的時間內，電壓變化非常大（見測試圖）。因此，要求測試的時間準確度在“1s時”，這個1秒時決定了測試時間在1秒的點上，誤差不能太大，否則，誤差太大也就失去了測試的意義。
2、精確的數據采集和數字顯示能力
剩余電壓存在的時間短，變化快，要求數據采集
速度也要快。特別是電壓突變時的數據采集（見放電圖）。
測試時采樣的速率快，⑴保證了采樣精度高，⑵震蕩衰減電壓的波頂與波的上下沿采樣誤差小。
五、計量測試方法
目前，剩余電壓的測試與測試設備的計量存在著無規程可遵守，因此，必須根據剩余電壓的測試要求和特點制定計量方法。剩余電壓是一個能量微弱不斷衰減變化的瞬時點電壓，僅計量測試單個指標是沒有意義的，必須結合峰值電壓、測試時間和阻抗等確定剩余電壓值。
1、剩余電壓的電壓幅值計量：首先，將剩余電壓測試儀“外測”按鍵按下，把剩余電壓的測試端口從電源插頭的電極上切換到專用外測端口，并在外測端口接入平穩、標準直流電壓源，調節標準直流電壓源電壓，在10V～150V之間選擇幾個測試點進行測試比較，尤其是60V判定合格與否的報警電壓；然后，操作剩余電壓測試儀，觀察L—N間剩余電壓的電壓幅值與儀器顯示電壓值進行對比，就能確定儀器顯示電壓的精度。
2、測試時間和峰值斷電電壓計量：使用剩余電壓測試儀專用負載測試盒，接入剩余電壓測試儀“測試電源輸出”，并將具有1000/1阻抗為500MΩ的示波器探頭的示波器同時接入剩余電壓測試儀“測試電源輸出”，將記憶示波器設定直流，時間為200ms﹐電壓為500mV，觀察L—N間1秒時的時標和變動的剩余電壓的電壓幅值，測試一次，記錄一次后復位，并且在1秒時的時點與儀器顯示電壓值相比較，特別是在電壓上升或者下降時（見測試圖），更能確定儀器測試時間精度和電壓采樣精度。同樣，峰值斷電電壓值也同時記錄并確定精度。
3、測試阻抗計量：阻抗的測試計量確定剩余電壓的測試范圍，計量測試剩余電壓與測試剩余電壓一樣，這個過程是一個阻抗并聯測試過程，阻抗越低，測試使用的范圍越小。10MΩ以上阻抗只適用與線間剩余電壓的測試；線對地間剩余電壓的測試必須333.3MΩ以上阻抗，基本才能滿足目前剩余電壓的全部測試要求。理論上計量設備的阻抗應該遠遠大于被計量的儀器，然而，計量設備的阻抗目前很難超越并遠大于測試設備，特別是在高阻抗時。直接計量測試剩余電壓測試儀器的測試阻抗比較困難，但是，可以間接，或者以計算的方式計量確定。
如：每一線對地電容量在額定電壓等于250V時小于3000pF。
在剩余電壓測試設備的測試電源輸出的線對地端（阻抗認為∞），接入3000pF電容器，通過計算，100MΩ測試阻抗的放電時間為：
τ＝R×C＝100MΩ×3000pF＝0.3s，
電容放電時間過短，則無法測試出并顯示剩余電壓值；將阻抗增加為1000MΩ時，通過計算，電容放電時間為：τ＝R×C＝1000MΩ×3000pF＝3s；在額定電壓220V(峰值電壓311V)時斷電，經過1秒時，用電容放電公式計算，剩余電壓為：
Us＝Um?e-t/τ＝311×2.718-1/3＝222.8V；
可見，阻抗計量對剩余電壓測試有著很重要的作用。
更精確的實際測試計量，應考慮到電容和設備的阻抗、峰值電壓的誤差，可用標準的高阻計測試電源的線對地端阻抗和電容器阻抗的并聯值及電容器容量的實際值，以及實際的峰值斷電電壓，通過R﹦τU2/2E的計算，得到更精確的阻抗值。確定了測試阻抗，就確定了剩余電壓測試的使用范圍。
以上只是我們在研制高阻抗、峰值斷電剩余電壓測試儀一些做法，在此提出，供相關人員參考。
剩余電壓是電氣設備斷電后，電源插頭各極間、各極對設備外殼間和用電設備內部易觸碰的儲能器件上，在一段時間內保持的殘余電壓。目前，剩余電壓的測試方法離國標的要求也存在一定的差距，設備計量也無規程可遵守，因此，再此提出分析。
一、剩余電壓的特點和測試要求
1、GB9706.1--2007《醫用電氣設備 第一部分：安全通用要求》規定：“用插頭與供電網連接的設備，必須設計成在拔斷插頭之后1s時，各電源插腳之間以及每一電源插腳與設備外殼之間的電壓不超過60V。”
國標GB4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第一部分：安全要求》規定：“器具以額定電壓供電，然后將其任何一個開關置于“斷開”位置，器具在電壓峰值時從電源斷開。在斷開電源后的1s時，用一個不會對測量值產生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。”
2、剩余電壓的特點：
⑴ 能量微弱。線對地電容量為3000pF時，其能量E﹦1/2×C×U2﹦1/2×0.03uF×10－-6×(60V)2﹦54×10－-6﹦0.054mJ，再經過回路電阻1秒的放電, 能量已很難測試；
⑵ 存在時間短。測試時間為1秒，存在時間根據回路電阻的大小,也僅有數秒鐘；
⑶ 電壓形態特殊。測試的既不是峰值電壓也不是有效值電壓，而是變化時的瞬時點電壓（見放電圖）。
3、剩余電壓測試要求：
⑴ 很高的測試內阻。用內阻抗不影響測量值的儀表來測；
⑵ 精確的測試時間。拔斷插頭之后1s時這一點的時間；
⑶ 瞬時采集測試數據能力。測試采集1s時這一點的電壓；
⑷ 峰值斷電測試功能。GB9706.1--2007規定：“在斷開電源后1秒時，…..測量……。試驗必須進行10次。”這是為了測試到最高剩余電壓，10次中選電壓斷電時的電容最高充電電壓。
二、峰值斷電測試
1、GB9706.1--2007規定：“若采用了干擾抑制電容器，且每一線對地電容量在額定電壓小于或等于250V時小于3000pF，額定電壓小于或等于125V時小于5000pF，則不必進行每一線與設備外殼之間的試驗”。電儲能器件的能量存儲多少決定于器件的容量和外部電源的電壓，在電源干擾電容容量一定的情況下，電源電壓高低決定了剩余電壓的高低。在電源額定電壓220伏時測試，其峰值電壓為311伏，儲能的能量和電壓為最高。應此，測試電器設備的剩余電壓應在電源電壓為峰值時斷電測試。
2、GB9706.1—2007又規定：剩余電壓“試驗必須進行10次”。由于在電源電壓隨機斷電狀態進行測試，所以，規定測試10次，選擇其測試最大值。這樣的測試會出現：⑴ 10次測試未必采集到最大值剩余電壓，⑵ 不能保證每一次測試的重復性。因此，只有在電源電壓為峰值時斷電，剩余電壓的測試才能保證采集到最大值和測試數據的一致性(見放電圖)。所以，國標《GB4706.1-2005家用和類似用途電器的安全 第一部分：安全要求》對剩余電壓測試作出規定：“器具在電壓峰值時從電源斷開”。
三、高阻抗測試
GB9706.1--2007規定：“在斷開電源后的1s時，用一個不會對測量值產生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。” 這個阻抗值為多少合適？標準中沒有具體規定，理論上是阻抗越高測試精度越高，但是，阻抗不可能無限的高，這里有一個適用的問題，既能在測試安全要求范圍之內，有能普遍推廣使用。
GB9706.1--2007《醫用電氣設備 第一部分：安全通用要求》規定：“當線間接入的干擾抑制電容器其容量小于或等于0.1uF時，也可不必進行線間試驗。”根據電容放電相關公式：R＝τ/C＝1s/0.1uF＝10MΩ，測試儀要求的測試阻抗必需大于10MΩ。
“若采用了干擾抑制電容器，且每一線對地電容量在額定電壓小于或等于250V時小于3000pF，額定電壓小于或等于125V時小于5000pF，則不必進行每一線與設備外殼之間的試驗”。通過電容放電公式計算，在時間為1秒, 電容為3000pF，放電電阻則為：R＝τ/C＝1s/3000pF＝333.3MΩ。
線間剩余電壓合格判斷標準為60V時，他的剩余能量：
E﹦1/2×C×U2﹦1/2×0.1uF×10－6×(60V)2﹦0.05×10－6×3600
﹦180×10－6﹦0.18 mJ
在存儲的能量為0.18 mJ時，線對地額定電壓等于250V（峰值電壓為354V），其電容量為：
C=2×E/U2=2×180×10－6/(354)2=0.00287×10－6≈3000 pF
為何線對地與線間電容量規定的差別相差如此的大，我們認為主要是考慮被測設備的阻抗大小和人體承受的電能決定的。
線間額定電壓等于250V（峰值電壓為354V）時，354V峰值電壓，1秒后電壓降為60V時的電壓的降幅為294V，能量由6.27 mJ降為0.18 mJ。可見，線間的阻抗較小，放電的速度較快；而線對地間的阻抗較高，有數百兆至數千兆，1秒時的電容能量釋放很少，按照電容存儲的能量多少來判定：線間電容0.1uF時60V剩余電壓的能量與線對電容3000 pF，額定電壓等于250V時存儲的能量對人體的危害應該是相等的。從兩者的危險程度來看，線間阻抗較低，電容的能量與人體能形成較大的分流作用；而線對地間的阻抗較高，電容的能量基本從人體經過，形成較大的危險。因此，線對地剩余電壓的測試阻抗要求也就更高。
四、準確測試時間和精確數據采集顯示能力
1、準確的測試時間
GB9706.1--2007規定：“用插頭與電源連接的設備，必須設計成在拔斷插頭之后1s時，各電源插腳之間或每一電源插腳與設備機身間電壓不超過60V。”國標GB4706.1-2005規定：“在斷開電源后的1s時，用一個不會對測量值產生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。”
剩余電壓的存在形式是儲能器件的能量釋放，是一個能量衰減漸變過程，每一時間段的電壓值均不一樣，特別是能量震蕩衰減過程，在震蕩的上升和下降沿，很短的時間內，電壓變化非常大（見測試圖）。因此，要求測試的時間準確度在“1s時”，這個1秒時決定了測試時間在1秒的點上，誤差不能太大，否則，誤差太大也就失去了測試的意義。
2、精確的數據采集和數字顯示能力
剩余電壓存在的時間短，變化快，要求數據采集
速度也要快。特別是電壓突變時的數據采集（見放電圖）。
測試時采樣的速率快，⑴保證了采樣精度高，⑵震蕩衰減電壓的波頂與波的上下沿采樣誤差小。
五、計量測試方法
目前，剩余電壓的測試與測試設備的計量存在著無規程可遵守，因此，必須根據剩余電壓的測試要求和特點制定計量方法。剩余電壓是一個能量微弱不斷衰減變化的瞬時點電壓，僅計量測試單個指標是沒有意義的，必須結合峰值電壓、測試時間和阻抗等確定剩余電壓值。
1、剩余電壓的電壓幅值計量：首先，將剩余電壓測試儀“外測”按鍵按下，把剩余電壓的測試端口從電源插頭的電極上切換到專用外測端口，并在外測端口接入平穩、標準直流電壓源，調節標準直流電壓源電壓，在10V～150V之間選擇幾個測試點進行測試比較，尤其是60V判定合格與否的報警電壓；然后，操作剩余電壓測試儀，觀察L—N間剩余電壓的電壓幅值與儀器顯示電壓值進行對比，就能確定儀器顯示電壓的精度。
2、測試時間和峰值斷電電壓計量：使用剩余電壓測試儀專用負載測試盒，接入剩余電壓測試儀“測試電源輸出”，并將具有1000/1阻抗為500MΩ的示波器探頭的示波器同時接入剩余電壓測試儀“測試電源輸出”，將記憶示波器設定直流，時間為200ms﹐電壓為500mV，觀察L—N間1秒時的時標和變動的剩余電壓的電壓幅值，測試一次，記錄一次后復位，并且在1秒時的時點與儀器顯示電壓值相比較，特別是在電壓上升或者下降時（見測試圖），更能確定儀器測試時間精度和電壓采樣精度。同樣，峰值斷電電壓值也同時記錄并確定精度。
3、測試阻抗計量：阻抗的測試計量確定剩余電壓的測試范圍，計量測試剩余電壓與測試剩余電壓一樣，這個過程是一個阻抗并聯測試過程，阻抗越低，測試使用的范圍越小。10MΩ以上阻抗只適用與線間剩余電壓的測試；線對地間剩余電壓的測試必須333.3MΩ以上阻抗，基本才能滿足目前剩余電壓的全部測試要求。理論上計量設備的阻抗應該遠遠大于被計量的儀器，然而，計量設備的阻抗目前很難超越并遠大于測試設備，特別是在高阻抗時。直接計量測試剩余電壓測試儀器的測試阻抗比較困難，但是，可以間接，或者以計算的方式計量確定。
如：每一線對地電容量在額定電壓等于250V時小于3000pF。
在剩余電壓測試設備的測試電源輸出的線對地端（阻抗認為∞），接入3000pF電容器，通過計算，100MΩ測試阻抗的放電時間為：
τ＝R×C＝100MΩ×3000pF＝0.3s，
電容放電時間過短，則無法測試出并顯示剩余電壓值；將阻抗增加為1000MΩ時，通過計算，電容放電時間為：τ＝R×C＝1000MΩ×3000pF＝3s；在額定電壓220V(峰值電壓311V)時斷電，經過1秒時，用電容放電公式計算，剩余電壓為：
Us＝Um?e-t/τ＝311×2.718-1/3＝222.8V；
可見，阻抗計量對剩余電壓測試有著很重要的作用。
更精確的實際測試計量，應考慮到電容和設備的阻抗、峰值電壓的誤差，可用標準的高阻計測試電源的線對地端阻抗和電容器阻抗的并聯值及電容器容量的實際值，以及實際的峰值斷電電壓，通過R﹦τU2/2E的計算，得到更精確的阻抗值。確定了測試阻抗，就確定了剩余電壓測試的使用范圍。
以上只是我們在研制高阻抗、峰值斷電剩余電壓測試儀一些做法，在此提出，供相關人員參考。
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