淺析接觸電流與泄漏電流的內(nèi)在聯(lián)系

陳志雄

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所計量檢測中心，廣州 510610)

0　引言

GB/T 12113—2003《接觸電流和保護導(dǎo)體電流的測量方法》(等同采用IEC 60990:1999)提出了“接觸電流”的概念，部分安規(guī)儀器制造商也將符合GB/T 12113要求的測試儀稱為“接觸電流測試儀”。在這種情況下，業(yè)界對“接觸電流”和“泄漏電流”這兩個術(shù)語是否等同存在不同看法。下文對泄漏電流測量標(biāo)準(zhǔn)及其演進(jìn)過程進(jìn)行分析，以理清這兩個術(shù)語的關(guān)系。

1　定義和測量網(wǎng)絡(luò)

1.1　泄漏電流的定義和測量網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)JJG 843-2007《泄漏電流測試儀》的概述，“泄漏電流”定義為：電器的電源在工作狀態(tài)下通過絕緣或分布參數(shù)阻抗產(chǎn)生的與工作無關(guān)的電流。為了測量泄漏電流，在泄漏電流測試儀的內(nèi)部，需要在被測件與參考地之間串入一個“電阻器-電容器”網(wǎng)絡(luò)來取得電壓降，然后再將測得的電壓換算成電流，這種網(wǎng)絡(luò)稱為泄漏電流的“測量網(wǎng)絡(luò)”。圖1是早期版本的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中普遍使用的網(wǎng)絡(luò)，由1.5kΩ電阻器和0.15μF電容器并聯(lián)構(gòu)成。

圖1　早期設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)使用的測量網(wǎng)絡(luò)

圖1網(wǎng)絡(luò)和JJG 843—2007中的通用型泄漏電流測試儀采用的測量網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上是相同的。根據(jù)JJG 843—2007的要求，通用型測試儀的網(wǎng)絡(luò)特性為：輸入電阻1750Ω±250Ω、時間常數(shù)225μs±15μs。圖1網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)等于電阻器阻值和電容器容量的乘積。在低頻段，網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗對泄漏電流值的影響甚微，可忽略不計[1]；為便于器件選型，安規(guī)儀器制造商普遍將電容器選取為0.15μF，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)計算出電阻器的阻值，即1.5kΩ。

1.2　接觸電流的定義和測量網(wǎng)絡(luò)

GB/T 12113將“接觸電流”定義為：“當(dāng)人體或動物接觸一個或多個裝置的或設(shè)備的可觸及零部件時，流過他們身體的電流”。GB/T 12113根據(jù)人體對電流的不同效應(yīng)(感知、反應(yīng)、擺脫和電灼傷)定義了三個測量網(wǎng)絡(luò)，其中的“加權(quán)接觸電流(感知電流或反應(yīng)電流)的測量網(wǎng)絡(luò)”如圖2所示。

圖2　加權(quán)接觸電流(感知電流或反應(yīng)電流)的測量網(wǎng)絡(luò)

與結(jié)構(gòu)簡單的圖1網(wǎng)絡(luò)不同，圖2是由多個電阻器和電容器構(gòu)成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)。圖2網(wǎng)絡(luò)可由圖中的虛線劃分為兩個部分：人體阻抗模擬網(wǎng)絡(luò)和頻率加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，后一部分模擬了人體對不同頻率電流的不同反應(yīng)程度。

1.3　目前對兩個術(shù)語差異性的認(rèn)識

從泄漏電流和接觸電流的定義看，兩者似乎有顯著區(qū)別?！靶孤╇娏鳌北碚鞯氖橇鬟^被測件阻抗的電流，“接觸電流”表征的是流過人體的電流；一方面兩種電流的路徑不同，另一方面接觸電流只有在人體與帶電部件發(fā)生接觸時才存在。

從泄漏電流和接觸電流的測量網(wǎng)絡(luò)看，兩者也有顯著區(qū)別。圖1網(wǎng)絡(luò)用來測量直流或者低頻(工頻)交流電流；而圖2網(wǎng)絡(luò)可用來測量直流和1MHz以內(nèi)的交流電流。另外，兩種網(wǎng)絡(luò)的計量校準(zhǔn)要求也有顯著不同。JJG 843—2007要求考查圖1網(wǎng)絡(luò)的輸入電阻和時間常數(shù)，而按照GB/T 12113—2003附錄L的要求，要在DC～1MHz頻率范圍內(nèi)考查圖2網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗和傳輸特性。參考文獻(xiàn)[2]就泄漏電流定義上的差異和演進(jìn)過程提供了一些參考資料。

基于對上述差異性的認(rèn)識，業(yè)界對這兩個術(shù)語是否等同，以及接觸電流測試儀和泄漏電流測試儀是否屬于同一類儀器存在不同意見。為理清這些術(shù)語間的聯(lián)系，有必要對泄漏電流測量標(biāo)準(zhǔn)及其演進(jìn)過程進(jìn)行分析。

2　測試標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程

2.1　現(xiàn)有的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)體系

目前在全球范圍內(nèi)已形成UL和IEC兩大電氣安全標(biāo)準(zhǔn)體系，我國自20世紀(jì)70年代末開始制定各類設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)，到80年代形成了采用(或等同采用)IEC標(biāo)準(zhǔn)的國標(biāo)體系[3]。在UL體系中，關(guān)于漏電流測試的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是UL 101《Leakage Current for Appliances》；在IEC體系中，則是IEC 60990《Methods of measurement of touch current and protective conductor current》。這兩個基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)了多次修訂和改版，被兩大體系中的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)普遍引用。

UL 101的前身是美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI C101.1。ANSI C101.1的第一版于1970年頒布，之后經(jīng)過1973年、1986年和1992年幾次改版。在2002年，ANSI的ASC C101委員會被撤銷，其工作轉(zhuǎn)交UL負(fù)責(zé)，ANSI C101.1-1992也轉(zhuǎn)換成UL 101-2002[4]。UL 101-2002于2007年被再確認(rèn)，即現(xiàn)行的UL 101-2007。IEC 60990標(biāo)準(zhǔn)于1990年頒布，在1999年改版為現(xiàn)行的IEC 60990:1999。

2.2　設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)在測量網(wǎng)絡(luò)上的演進(jìn)

早期設(shè)備的泄漏電流要么是直流電流，要么是和設(shè)備工作電源頻率相同的工頻交流電流，這是圖1測量網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景。但是隨著電子技術(shù)在20世紀(jì)下半葉的飛速發(fā)展，電子開關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電源系統(tǒng)和設(shè)備中，因而產(chǎn)生了高頻諧波電壓和高頻諧波電流；電流(尤其是高頻電流)對人體的效應(yīng)要比早期制定標(biāo)準(zhǔn)時所認(rèn)為的更為復(fù)雜，IEC 60990:1990就是在這種背景下制定的。ANSI C101.1在1992第四版之前采用的是圖1測量網(wǎng)絡(luò)，該標(biāo)準(zhǔn)使用的網(wǎng)絡(luò)被那個時期的各種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)廣泛使用。為適應(yīng)高頻泄漏電流的測量要求，ANSI C101.1-1992轉(zhuǎn)而采用圖2的測量網(wǎng)絡(luò)；這樣，UL 101-2002和UL 101-2007使用的也是圖2網(wǎng)絡(luò)。

在IEC60990:1990頒布之后，IEC體系內(nèi)的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)在制定(或修訂)時普遍引用該標(biāo)準(zhǔn)來測量漏電流，典型例子是IEC 60335-1。IEC 60335-1:1991版使用的是圖1網(wǎng)絡(luò)，從1994年發(fā)布的修正件(IEC 60335-1:1991 A1:1994)開始就使用圖2網(wǎng)絡(luò)。也有一部分設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)(如IEC 60601醫(yī)療電子設(shè)備)，由于其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域和要求，使用了其他結(jié)構(gòu)的測量網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)不在本文的討論范圍內(nèi)。

國內(nèi)的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)在修訂時一般按照等同采用的IEC標(biāo)準(zhǔn)對測量網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新。表1給出了部分國標(biāo)使用的測量網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了人們?nèi)粘Ｉ畹慕^大部分用電器具，說明圖2網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的適用性。

表1　部分設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)采用的測量網(wǎng)絡(luò)

續(xù)表

*該版本的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)使用了一個阻值為2kΩ的電阻器構(gòu)成的測量網(wǎng)絡(luò)。

3　接觸電流和泄漏電流的內(nèi)在聯(lián)系

3.1　術(shù)語間的聯(lián)系

為突出電流對人體的不同效應(yīng)和危害程度，GB/T 12113引入了接觸電流和保護導(dǎo)體電流的概念，并在引言部分聲明：“‘漏電流’術(shù)語已用于表達(dá)若干不同的概念，如接觸電流、保護導(dǎo)體電流、絕緣特性等，所以在本標(biāo)準(zhǔn)中，不使用‘漏電流’這一術(shù)語”。因此，從術(shù)語的概念上看，“接觸電流”從屬于“泄漏電流”。

更進(jìn)一步講，由于各種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)一般不對保護導(dǎo)體電流作出要求，因此在涉及設(shè)備的電擊防護時，“接觸電流”與“泄漏電流”術(shù)語可認(rèn)為是等同的。正因為此，雖然GB/T 12113提倡使用“接觸電流”術(shù)語，但新修訂的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)大都仍然沿用原來的“泄漏電流”術(shù)語，如GB 3883.1—2008和GB 4706.1—2005等。一直以來，UL 101使用的也是“l(fā)eakage current”(泄漏電流)術(shù)語。GB 4943—2011在0.2.1節(jié)描述“電擊”的原因時有如下表述：“從帶危險電壓的零部件流向可觸及零部件的接觸電流(泄漏電流)，或保護接地連接失效……”。

3.2　測試應(yīng)用中的聯(lián)系

從泄漏電流和接觸電流的定義看，兩個術(shù)語的最大區(qū)別是：“接觸”，但從設(shè)備的檢測方法看兩者并沒有區(qū)別；不管是采用圖1網(wǎng)絡(luò)還是圖2網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)描述的檢測方法都相同。以GB 4706.1的1998版和2005版為例，都在13.2節(jié)給出如下方法：“測量在電源的任一極和連接金屬箔的易觸及金屬部件之間進(jìn)行。被連接的金屬箔面積不超過20cm×10cm，它與絕緣材料的易觸及表面相接觸……”。從中可以看出，不管是哪個網(wǎng)絡(luò)，檢測時都需要使用一定面積的金屬箔來模擬人的手掌接觸被測件，實際測量的都是流過人體的電流。從這一點上看，JJG 843—2007對“泄漏電流”所作的定義值得商榷。

3.3　測量網(wǎng)絡(luò)上的聯(lián)系

圖1網(wǎng)絡(luò)用來測量直流或低頻交流電流，JJG 843—2007要求其輸入電阻為1750Ω±250Ω。圖2網(wǎng)絡(luò)的輸入電阻為2kΩ，50Hz頻率下的輸入阻抗為1990Ω?？梢妶D2網(wǎng)絡(luò)的輸入特性在低頻段也符合JJG 843—2007的要求。

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，圖1只有兩個端子，而圖2是一個四端網(wǎng)絡(luò)，兩者似乎有本質(zhì)區(qū)別。圖1是一個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，在低頻段電容器可以忽略；如圖3(a)所示，圖1網(wǎng)絡(luò)的輸入端也作為信號的輸出(測量)端，實際上也可認(rèn)為是一個四端網(wǎng)絡(luò)。在低頻段，圖2網(wǎng)絡(luò)的等效結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。對于低頻輸入電流，圖2網(wǎng)絡(luò)具有與圖1網(wǎng)絡(luò)相同的測量結(jié)果，其對泄漏電流的測量“向前兼容”圖1網(wǎng)絡(luò)。

圖3　低頻段的等效網(wǎng)絡(luò)

4　標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)對計量工作提出的要求

圖1測量網(wǎng)絡(luò)是ASC C101委員會于1968年提出的[5]，傳統(tǒng)的泄漏電流測試儀大都使用此測量網(wǎng)絡(luò)。圖2網(wǎng)絡(luò)是在人們對設(shè)備的電擊防護有了新的

研究和認(rèn)識后設(shè)計出來的，目前國外各種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)普遍使用該網(wǎng)絡(luò)來測量泄漏電流。新型的泄漏(接觸)電流測試儀都使用圖2網(wǎng)絡(luò)，考慮到儀器的兼容性，有些多網(wǎng)絡(luò)測試儀還支持圖1以及其他測量網(wǎng)絡(luò)。

通過第3節(jié)的分析，使用圖2網(wǎng)絡(luò)的泄漏(接觸)電流測試儀實際上是對傳統(tǒng)泄漏電流測試儀的改進(jìn)和發(fā)展。鑒于使用圖1網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)越來越少，傳統(tǒng)的泄漏電流測試儀將逐漸被淘汰?，F(xiàn)行的JJG 843—2007規(guī)程只適用于傳統(tǒng)的泄漏電流型測試儀以及醫(yī)用測試儀，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前國內(nèi)外設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和安規(guī)測試儀器的現(xiàn)狀，建議及早對該規(guī)程進(jìn)行修訂。

[1]陳子彪.Ⅱ類信息技術(shù)設(shè)備的接觸電流分析[J].安全與電磁兼容，2007(3)

[2]李雨明.醫(yī)用漏電流測試區(qū)別[J].中國醫(yī)療器械信息，2010(9)

[3]富海濤，李東，石鎮(zhèn)山，等.符合多標(biāo)準(zhǔn)的泄漏電流測試系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2006(5)

[4]ANSI STANDARD ACTION[J].2002，Vol.33，#6，P43.

[5]UL 101-2007 Leakage Current for Appliances[S].APPENDIX C.