一種用于剩余電壓測試的相位選擇斷電裝置

李立焯，曹俐

1.北京市醫(yī)療器械檢驗所，北京 101111；2.湖南省醫(yī)療器械檢驗檢測所 醫(yī)用電器室，湖南 長沙 410001

引言

剩余電壓測量是電氣安全領(lǐng)域的重要測試項目，目的是防止電氣設(shè)備在拔插頭時，由于設(shè)備內(nèi)殘余能量的影響，人員接觸插頭受到意外電氣傷害。由于交流電的周期性，交流電與設(shè)備的能量交換是周期進(jìn)行的，在拔斷插頭瞬間設(shè)備內(nèi)的殘余能量也不同，因此剩余電壓的幅值也不一樣。為了避免過高的剩余電壓對人體產(chǎn)生危害，必須對剩余電壓的幅值進(jìn)行測量[1-4]。

1 現(xiàn)有檢測方法的缺陷

許多電氣設(shè)備的國家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)各自適用設(shè)備的情況制定了不同的剩余電壓、剩余能量的指標(biāo)或者安全電壓的規(guī)定，剩余電壓測試的最終目標(biāo)是找到剩余電壓的最大值[5-8]，如GB9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》中規(guī)定：在斷開電源后1 s時，用一個內(nèi)阻不影響測量值的儀表來測量插頭各電源插腳間及電源插腳與外殼間電壓，試驗應(yīng)進(jìn)行10次[9]。規(guī)定10次試驗是為了找出剩余電壓的最大值。

目前國內(nèi)外實驗室多使用自制的人工拔斷裝置配合測試[10]，人工模擬拔斷是隨機(jī)的，可能在交流電的任一相位斷開，交流電的相位決定了交流電與被測設(shè)備能量交換的程度[11]，因此測量結(jié)果也是隨機(jī)的，即使通過10次測試也不一定能找到剩余電壓的最大值。

也有一些實驗室使用專用的峰值斷電測試裝置，在交流電的峰值處斷電來測量剩余電壓值，理論上認(rèn)為在交流電的峰值處被測設(shè)備獲得的能量最多，剩余電壓也應(yīng)最大[12]。但筆者通過實際檢測發(fā)現(xiàn)并非如此，如同一被測設(shè)備，正半周峰值處的剩余電壓與負(fù)半周峰值處并不一樣，在交流電零點處的剩余電壓甚至比峰值處還大，因此在交流電峰值處斷電測量也有其不足之處。

剩余電壓測試的目標(biāo)是找到其最大值，由于交流電的特性，不論是人工隨機(jī)斷電，還是交流電峰值處斷電。在實際測試中都難以找到最大值出現(xiàn)的時刻，醫(yī)用電氣設(shè)備檢測亟需一種可靠的剩余電壓測量斷電裝置。針對現(xiàn)有檢測方法的缺陷，筆者利用模擬電路及單片機(jī)系統(tǒng)制作了一種相位選擇斷電裝置，可在交流電的一個周期內(nèi)任一相位處精確斷電，配合示波器測量，可以方便找出最大剩余電壓值。同人工模擬拔斷裝置相比，則顯著提高了剩余電壓測量的重復(fù)性。

2 本測試裝置的實施

2.1 基本設(shè)計思路

利用模擬電路檢測出交流電的零點[13]，再利用單片機(jī)延時電路設(shè)定延時，以確定所選擇的相位，并觸發(fā)斷電動作。常用220 V，50 Hz交流電的一個周期為20 ms，考慮檢測和工程實際，相位選擇的步進(jìn)周期設(shè)定為1 ms，對于50 Hz交流電共有20個相位點可供選。

2.2 原理與組成

該裝置的組成，見圖1，主要由交流電零點檢測電路、延時電路、設(shè)置電路、執(zhí)行電路4部分組成。

圖1 相位選擇斷電裝置原理圖

交流電零點檢測電路可對220 V，50/60 Hz交流電進(jìn)行零點檢測并輸出零點信號，此零點信號為延時電路的時間基準(zhǔn)；延時電路由單片機(jī)組成，可根據(jù)設(shè)置電路的要求進(jìn)行延時，并可對執(zhí)行電路的動作誤差進(jìn)行補償；設(shè)置電路可人為設(shè)置延時時間，并對交流電頻率、正/負(fù)半周進(jìn)行選擇；執(zhí)行電路由機(jī)械繼電器組成，執(zhí)行延時電路發(fā)出的命令，模擬插頭拔斷的動作。

零點檢測電路，見圖2。利用兩個光電耦合器進(jìn)行交流電正負(fù)半周的分離，兩個光電耦合器產(chǎn)生的脈沖信號分別控制兩個三極管的導(dǎo)通和斷開，兩個三極管產(chǎn)生脈沖信號為交流電正半周/負(fù)半周的零點信號，送入單片機(jī)待處理。此處使用光電耦合器同時還有強/弱電隔離的作用，避免使用變壓器造成設(shè)備體積和重量的增大。

延時和設(shè)置電路以單片機(jī)為核心，在觸摸屏界面上可進(jìn)行交流電正負(fù)半周的選擇、交流電頻率的選擇、相位時間的選擇，并可對執(zhí)行電路的動作誤差進(jìn)行時間修正，這些設(shè)置信號與零點檢測信號共同送入單片機(jī)，當(dāng)按下斷電按鈕后，單片機(jī)向執(zhí)行電路發(fā)出斷電指令。

圖2 零點檢測電路

執(zhí)行電路由機(jī)械繼電器及相應(yīng)電路組成，接到斷電指令后，機(jī)械繼電器斷開被測設(shè)備供電，并將被測設(shè)備的插頭插腳接至測量儀器。此處選用機(jī)械繼電器做為電路轉(zhuǎn)換開關(guān)，以克服固態(tài)繼電器、光電繼電器等器件阻抗較大而影響剩余電壓測量的缺陷。

2.3 關(guān)鍵指標(biāo)的實現(xiàn)

由于相位選擇的步進(jìn)設(shè)定為1 ms，所以斷電誤差應(yīng)不大于±0.5 ms，這是實現(xiàn)相位選擇斷電的關(guān)鍵指標(biāo)。由于本裝置采用的是機(jī)械繼電器，接到單片機(jī)的斷電指令后，并不能實時斷電，而是有一個延時過程，為了實現(xiàn)在選定相位處的精確斷電，采取以下4項措施：① 利用機(jī)械繼電器的斷開動作，機(jī)械繼電器的特點是吸合時間長而釋放時間極短，可以讓繼電器在必要時刻以極短時間快速斷電，這一特性使得機(jī)械繼電器的使用對斷電精度的影響很小[14]；② 進(jìn)行精確的時間修正，由于系統(tǒng)的延遲和滯后，需要在單片機(jī)延時程序中增加一個修正的時間，修正時間的選擇，對斷電精度有很大的影響，需根據(jù)試驗測試結(jié)果選擇合理的修正時間；③ 提高繼電器線圈供電的精度，繼電器線圈的電壓要穩(wěn)定，電壓波動性要小，在設(shè)計上采用一個開關(guān)電源給繼電器供電，所以開關(guān)電源的功率不宜太大，以免造成電壓波動，我們選用額定輸出為24 V，0.05 A的開關(guān)電源；④盡快消除線圈自感電動勢，線圈通電后再斷電，由于自感電動勢的影響，線圈內(nèi)的電流并不能馬上降為零，線圈產(chǎn)生的吸力將阻礙觸頭的釋放，這個阻礙的時間越長，對斷電時刻一致性的影響越大，在繼電器線圈旁路一個續(xù)流二極管，給自感電動勢提供放電通路[15]。

2.4 實物結(jié)構(gòu)

該裝置的控制面板圖，見圖3。右下方的觸摸屏可以對設(shè)定相位點、交流電正/負(fù)半周、交流電頻率進(jìn)行選擇，并可設(shè)定修正時間、執(zhí)行斷開操作；面板左下方為正反相開關(guān)，可對交流電的正反相進(jìn)行切換；面板左上方為被測設(shè)備插座；面板右上方L、N、G三個接線端子分別表示火線、零線、地線，用于連接測量儀表。

圖3 控制面板圖

3 實驗結(jié)果分析

對該裝置的斷電精度進(jìn)行了實際測試，斷電誤差測試電路，見圖4。初始狀態(tài)時，繼電器線圈通電，觸頭處于閉合狀態(tài)，220 V，50 Hz的交流電信號通過高壓探頭顯示在示波器上，當(dāng)接到斷電指令后，觸頭斷開，交流電信號消失，利用示波器可測量實際斷電時間與理論值的差異。

圖4 斷電誤差測試電路

示波器得到的波形，見圖5，圖中的正弦波為220 V，50 Hz交流電壓波形，此時設(shè)定的斷電相位為正半周過零點3 ms處，可以看出該處斷電誤差為2.88 ms-3 ms=-0.12 ms。

圖5 50 Hz交流電正半周3 ms處斷電波形

交流電正、負(fù)半周設(shè)定相位點的斷電誤差測試數(shù)據(jù)，見表1～2。其中的誤差、重復(fù)性數(shù)值為同一相位點實測數(shù)據(jù)的最大值。從表中可以看出，實測斷電相位點的最大誤差為+0.27 ms，滿足斷電誤差應(yīng)不大于±0.5 ms的設(shè)計要求。重復(fù)性最大為0.2，表明該裝置的測量穩(wěn)定性較好。

從上述測試結(jié)果來看，該裝置在技術(shù)上可以滿足相位步進(jìn)間隔為1 ms時的剩余電壓檢測要求，若對每個相位單獨進(jìn)行更精確的時間修正，該裝置的斷電精度還可以得到進(jìn)一步的提高。

表1 正半周斷電誤差、重復(fù)性測試

表2 負(fù)半周斷電誤差、重復(fù)性測試

4 實際使用效果

4.1 剩余電壓最大值的檢測能力

使用該裝置可對交流電一個周期內(nèi)全相位點的剩余電壓數(shù)值進(jìn)行測量，可以查找出之前不能發(fā)現(xiàn)的剩余電壓問題，例如某型號紅外治療機(jī)，按GB9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》中規(guī)定剩余電壓不超過60 V，使用人工模擬拔斷裝置配合示波器進(jìn)行測量（示波器探頭內(nèi)阻100 MΩ，衰減比1000:1[16]，下同），剩余電壓最大值為52 V，判定為合格，而使用相位選擇斷電裝置在交流電一個周期內(nèi)的全相位點進(jìn)行測量，可以發(fā)現(xiàn)被測設(shè)備在交流電正半周零點處的剩余電壓值為最大，見圖6。測量圖6所示剩余電壓波形可知其剩余電壓值為-84 V，已超出國標(biāo)要求。

圖6 正半周零點處斷電后剩余電壓波形

相位選擇斷電裝置因其具有精確斷電的能力，可以無一遺漏的對交流電一個周期內(nèi)的全相位點進(jìn)行斷電檢測，形成了對剩余電壓測量的全覆蓋，此處通過實例證明了使用相位選擇斷電裝置在剩余電壓測量中的重要意義。

4.2 測量穩(wěn)定性

使用本裝置與人工斷電裝置進(jìn)行了對比實驗，使用同一塊MW開關(guān)電源，型號HSP-250-2.5，測試點為火線與地線之間，測量儀器為Tek DOP3012數(shù)字示波器，按GB9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》第三篇中剩余電壓測試要求分別進(jìn)行10次測量，測量結(jié)果，見表 3～4。

表3 相位選擇斷電裝置試驗結(jié)果

表4 人工斷電裝置試驗結(jié)果

從測試結(jié)果看，使用相位斷電裝置的測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1，人工斷電裝置的測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.7，使用人工斷電裝置的測量數(shù)據(jù)離散度比相位選擇斷電裝置大7.5倍，這是由于相位選擇斷電裝置可在特定的相位點準(zhǔn)確進(jìn)行斷電。因此被測設(shè)備每次的剩余能量都基本一致，而人工斷電裝置的斷電時刻是隨機(jī)的，被測設(shè)備的剩余能量相差很大，造成數(shù)據(jù)的離散度很大。

5 結(jié)論

從實驗結(jié)果可以看出該裝置斷電精度較高，測量重復(fù)性好，已在實際檢測中得到了應(yīng)用，利用它的相位選擇斷電功能，可以方便地找出剩余電壓的最大值，同時測量的穩(wěn)定性也得到了較大的提高，解決了現(xiàn)有剩余電壓測試方法盲目性較大、數(shù)值重復(fù)性差的問題，并為檢測人員研究剩余電壓課題提供了技術(shù)手段，在此裝置的基礎(chǔ)上可增加剩余電壓的自動檢測及顯示模塊，減少檢測人員在火線、零線、地線之間頻繁換線的操作，減少頻繁判讀示波器所造成的誤差，提高檢測自動化水平，應(yīng)具有良好的應(yīng)用前景。