電器產(chǎn)品電容放電測試方法和自動測試設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(chǎn)品時，使用人員或維修人員在電器設(shè)備下電后，由于設(shè)備內(nèi)部電容的儲能，使得電路在斷電后人可接觸到的導(dǎo)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(fā)，對使用人員可能接觸到產(chǎn)品的供電端子、或維修人員打開機器外殼后接觸到內(nèi)部的電路導(dǎo)體，要求在產(chǎn)品斷電后的規(guī)定的時間內(nèi)，使用人員或維修人員能夠接觸到的導(dǎo)體部分的殘余電壓需要滿足相關(guān)產(chǎn)品安全標(biāo)準要求。目前市場上應(yīng)用較廣的產(chǎn)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(shè)備為示波器，測試示意圖如圖1所示，測量電路的內(nèi)部分析電路簡圖如圖2所示。

產(chǎn)品內(nèi)部電路端口的電壓計算公式為：

當(dāng)示波器探頭并聯(lián)到電路上后，由于示波器探頭具有一定的內(nèi)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(jié)果存在一定的誤差，而且測量所使用的探頭的內(nèi)阻越小，測量誤差越大。由于目前市場出售的絕大多數(shù)的測試探頭內(nèi)阻較低，通常不超過10MΩ，因此使用普通探頭對測量結(jié)果存在一定的誤差。

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

標(biāo)準規(guī)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(jù)公式1反推出，當(dāng)電容量為0.1μF或更大時，產(chǎn)品內(nèi)部的放電電阻的最大值?？紤]到家電產(chǎn)品測試要求最為嚴格，本次計算以家電產(chǎn)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(shè)備結(jié)構(gòu)圖

在1秒時，U為34V，U0考慮電網(wǎng)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(shè)計會比這個理論計算的最大值小很多。

我們對送檢家電產(chǎn)品端口濾波電容和放電電阻進行了統(tǒng)計，并調(diào)查了一些國內(nèi)家電廠家，目前家電產(chǎn)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(nèi)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(dāng)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(nèi)阻變化時，對實際測量結(jié)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(jié)果；

B：放電電阻阻值為330kΩ時的計算結(jié)果；

表1 各類產(chǎn)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(jié)果；

D：放電電阻阻值為100kΩ時的計算結(jié)果。

從計算結(jié)果可以看出，隨著探頭內(nèi)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(shè)備的精度在《Measure accuracy and tolerances》的要求中，對于電壓測量在1000V以內(nèi)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(jié)果可以看出，當(dāng)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(nèi)，因此使用內(nèi)阻為100MΩ的探頭進行測試滿足實際要求。

3 自動測試設(shè)備研究

從不同產(chǎn)品標(biāo)準分析，絕大多數(shù)標(biāo)準斷電后的殘余電壓測量要求在一定的時間內(nèi)下降到安全電壓之內(nèi)，由于產(chǎn)品內(nèi)部電容和放電電阻的參數(shù)固定，放電的時間常數(shù)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(jié)果U有至關(guān)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(guān)，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(chǔ)上，設(shè)計了一種高精度的放電測試設(shè)備，該設(shè)備為箱體結(jié)構(gòu)，主要由電源部分、控制部分、驅(qū)動部分、采樣部分、人機交互部分構(gòu)成，如圖3所示。

測量設(shè)備的工作原理如下：

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

(2)在測量按鍵手動動作后，根據(jù)設(shè)備輸入采樣系統(tǒng)分析的波形，分析計算得到繼電器驅(qū)動撤銷時間點，并在該時間點撤銷繼電器驅(qū)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(shù)據(jù)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(shè)備電路程序框圖如圖4所示。

為了驗證測試設(shè)備的準確度，我們選取了近兩年國內(nèi)、國際實驗室對比測試的樣品進行了測試，并和權(quán)威機構(gòu)給出的測量結(jié)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(shù)據(jù)，用我們設(shè)計的自動測試設(shè)備進行了測量，并計算了Z比分數(shù)。（見表3）|Z|<3.0是可以接受的結(jié)果，而我們的測量結(jié)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(jiān)督管理委員會（以下簡稱CNCA）組織，中國家用電器研究院協(xié)調(diào)并具體實施的電器產(chǎn)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(shù)據(jù)，用我們設(shè)計的自動測試設(shè)備進行了測量，并計算了Z比分數(shù)。（見表4）|Z|≤2為滿意結(jié)果，而我們的測量結(jié)果|Z|最大為0.93。

表2 不同內(nèi)阻探頭測量放電的理論數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)對比表

圖4 自動測試設(shè)備程序框圖

通過與這兩項能力驗證的比對，驗證了設(shè)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(jié)

產(chǎn)品的電氣安全要求是否合格，關(guān)系到消費者的人身安全，因此使用高精度、對測量結(jié)果影響最小的設(shè)備成為合格性檢測的保障。本文所研制的自動測量設(shè)備，適用范圍廣，通用性強，可以滿足IT、AV、家電、工業(yè)產(chǎn)品等眾多標(biāo)準測試要求，可以達到單個設(shè)備測量不同電路放電殘余電壓的能力，降低了測量設(shè)備對測試的影響。實現(xiàn)測試自動化，測試結(jié)果讀取的數(shù)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(jié)果準確率高，誤差較小，有效避免人員、環(huán)境對測量結(jié)果的影響，適合在廣大檢測機構(gòu)和工廠進行專業(yè)測量和自檢推廣應(yīng)用。

表4 與CNCA電器產(chǎn)品插頭放電試驗CNCA-11-B09能力驗證比對