梁观胜，何志辉，杨 杰（.广东省珠海市质量计量监督检测所，广东珠海，59000；.重庆出入境检验检疫局，重庆，40000）

一种具备峰值断电及能量测试的剩余电压装置研制

梁观胜1，何志辉1，杨 杰2
（1.广东省珠海市质量计量监督检测所，广东珠海，519000；2.重庆出入境检验检疫局，重庆，400020）

分析剩余电压产生机理及其特点，讨论现行剩余电压测试方法的优缺点，提出一套全新的测量剩余电压及剩余能量的测量仪器方案，重点对峰值断电及剩余能量计算进行研究。

剩余电压；峰值断电；剩余能量

剩余电压是指设备断电后，电源插头各极间在一段时间内保持的电压；剩余能量指剩余电压泄放所产生的能量。产生的机理是由于设备电源环路存在储能器件。如果环路中储能器件容量足够大，同时释放回路阻值远大于人体阻值时，产生的剩余电压及剩余能量就可能引起触电事故，存在潜在的危险。

目前，现行的安全标准均对剩余电压管控，例如家用电器安全标准GB4706.1-2005规定：器具在电压峰值时从电源断开，在断开后的1s时，用一个不会对测量值产生明显影响的仪器，测量插头各插脚间的电压。此电压不应超过34V。信息技术设备安全标准GB 4943.1-2011指出：对A型可插式设备，放电时间常数应大于1s，对永久性连接式设备和B型可插式设备，放电时间常数应大于10s。医疗设备安全标准GB 9706.1-2007指出：电源插脚之间以及每一电源插脚与设备外壳之间的电压断电后1s应不超过60 V，如果电压超过60V，应测量其剩余能量，不应超过2mJ。

由上述标准可知，剩余电压值及剩余能量测的是瞬时值，即在断电的某时刻（如1s、2s、5s、10s）测量电源插头或储能元件上的残余电压及能量。其中家用电器安全标准要求在电压峰值时刻断开电源，目的是取得最不利情况下剩余电压值。

目前，来自电网电源的干扰量越来越严重，为了过滤来自电网电源的干扰及抑制设备本身的骚扰，大部分设备会在电源输入端设计滤波电路，典型的滤波电路如下图1所示。

图1　：典型电源滤波器结构图

图2　：示波器法测试原理简图

该滤波电路主要由共模扼流圈LC，跨接在L、N两极间的X电容CX，泄放电R，电感La、Lb及跨接在L与E间的Y电容CY1 及N与E间的Y电容CY2构成。其中共模扼流圈LC，电容CY1、CY2主要抑制来自电源电网的共模干扰，电容CY1、CY2给共模干扰提供泄放回路，取相对的大的容量有利于提高抑制共模干扰的能力，同时，该电容跨接在L极或N极与地之间，用户正常使用情况下可触及，过大的容量会带来触电风险，通常该电容取值小于2200pF。X电容CX，电感La、Lb主要过滤来自电网电源的差模干扰，差模干扰通过X电容CX构成泄放回路，该电容通常取值范围0.01uF~0.47uF，适当增大该电容容量，可获得较好的差模抑制性能，但会增加线路的无功损耗及触电风险，为了泄放电容的储存电压，增加泄放电阻R。安全标准考核的剩余电压及剩余能量来源于电容CX、CY1、CY2上的残余电压及电量。由以上分析可知，剩余电压有以下特点：

①能量微弱。若L极对E的Y电容CY1容量为2200pF时，电网电源峰值时刻断电，即储存电量E=CU²/2≈0.1mJ，若1s后再测量，电容自身泄漏及对线路板放电，其电量已经非常微弱。

②存在时间短。用接在L、N两极间的X电容CX分析，若容量为0.47uF，泄放电阻阻值1MΩ，即时间常数τ=RC=0.47s。若1s后再测量，该电压为0。

③电压形态特殊。剩余既不是峰值电压也不是有效值电压，而是变化的瞬时电压，且由于电容与电感谐振，谐波含量丰富。

基于以上的分析，目前安全标准要求测量电源插头各极间的剩余电压，即对I类设备，要求测量L-N两极间；G-L两极间及G-N两极间剩余电压值，L-N两极间剩余电压测量的是差模电容的电压；G-L两极间及G-N两极间剩余电压测量的是共模电容的电压。

目前，部分实验室用插拔电源插头的方式断开电源，用数字万用表甚至指针表测量插头间剩余电压，数字万用表电压档直流电阻通常10MΩ，指针表直流内阻更低，被测设备的剩余电压通过仪表内阻构成泄放回路，测量不到剩余电压。部分实验室用储存示波器记录剩余电压，为了便于测量，示波器探头与被测设备并联，用双刀开关实现被测设备与供电电源断开或接通连接，测量原理图如图2所示，若开关置于位置1，被测设备处于正常工作状态，开关置于位置2，示波器记录被测设备剩余电压。示波器通常使用衰减比为×1000，内阻100MΩ，输入电容小于25pF的高压探头，为了保证检验人员的安全，需用使用浮地示波器或使用隔离变压器给示波器或样品供电。

这种测试方法随机性太高，测试结果偏差较大，开关的触点性能直接影响测量结果，而且无法保证峰值时刻断开电源，试验通常需要重复多次才得获得接近峰值断电的测试数据。试验结果重现性低，况且，该方法是测试人员从存储示波器的屏幕上读取剩余电压波型幅值来确定的，所以峰值断电的时刻的判断和断电时间的控制易造成误差。另外从示波器屏幕上读取剩余电压值由于受到毛刺等诸多因素的影响，精度不高。

为了满足峰值断电要求，部分实验室采用高压恒压源给被测设备供电，恒压源模拟交流电峰值时刻电压。若被测设备供电电压220V，即恒压源设置输出电压为交流电对应的峰值电压220V×1.414。即可有效保证断电瞬间被测设备供电电压为交流电峰值。该方法主要缺点有：若被测设备带有感性单元部件，比如电动机，变压器等，存在烧毁感性单元部件风险；且高压恒压源应有足够功率容量，应能满足被测设备正常使用的功耗需求。高压大容量的恒压源价格昂贵，测试成本高。

为了解决上述问题，设计了一套具备峰值断电及能量测试的剩余电压测量方案，该方案测量仪器的原理如图3所示，主要由STM32控制电路及测量电路、AD7606采样电路、测量探头，液晶显示及继电器模组构成。

图3　：测量仪器原理框图

图4　：继电器模组电路图

测量仪器与STM32为控制核心，STM32是基于Contex M4的内核的微处理，具备72MHz的运行速度，搭配2MB容量的SRAM，16BIT的AD模块，可实现200kHz的高速采样，对于不超过314V峰值的电压信号，可达到5mV的分辨率。测量探头选用衰减率×100的高压高压探头，耐压±2kV，频率带宽75MHz，直流内阻100MΩ，输入电容6pF。该高压高阻探头对测量信号基本无影响。测量仪器选用7寸16：9的宽屏液晶屏，便于观察波形的细节，继电器模组选择测量线对，即实现分别测量L与N，L与G及N与G间的剩余电压。满足标准分别测量插头每极间电压的要求。

继电器模组电路图如图4所示，继电器K1、K2、K3选择探头正端测量极，继电器K4、K5、K6选择探地端测试极，若测量仪器当前状态设置于测量L、N两极间剩余电压，即STM32的PA2、输入输出端口应输出高电平，继电器K4得电，常开触点闭合，探头地端选择被测样品N极；STM32的PA4、PA0、PA1、PA3、PA4端口输出低电平，继电器K1、K2、K3、K5、K6均处于不得电状态，常闭触点闭合，探头正端选择L极。同理，可分析测量仪器设置于测量L、G两极或N、G两极的剩余电压状态。继电器K1、K2、K3、K4、K5、K6用于选择测试电极，应保证触点断开绝缘电阻远大于100MΩ，继电器K7、K8、K9决定被测样品是否得电及断开电源的时刻，由于继电器是机械结构，吸合时间长，释放时间短，所示被测样品供电回路选择继电器的常开触点，测量开始前STM32控制端口PA5、PA6、PA7输出高电平，继电器K7、K8、K9得电，常开触点吸合，被测样品得电，若STM32判断应断开供电电源接入测量系统，即端口PA5、PA6、PA7输出低电平，继电器K7、K8、K9常开触点迅速断开，常闭触点吸合。达到较高测量精度。

本设计方案的技术难点在于峰值断电的实现。被测样品供电为50Hz或60Hz工频电源，假设为50Hz，即电源周期20ms，从过零点计时间，应每隔5ms出现电源峰值，考虑继电器断开的反应速度，方案中选择检测供电电源正向过零点，延时一段时间后断开供电源，延时的时间由STM32根据继电器的断开特性自动适应计算。

交流电信号时域模型为：

式中，fn为供电电源50H或60Hz的频率，A为供电电源的峰值电压，fs为采样率，t为采样时刻。

图5　：电源电压峰值点

控制器STM32检测的电压波形应如图5所示，电源断开瞬间测量系统检测到的电压应为供电电源对应的峰值电压，若两者相对误差大于1%，程序根据式（1）调节采样时刻t，即可知继电器断开时刻foff=20ms-t。

上述过程由程序自动完成，多次调整参数后，可自动适应不同继电器断开时间特性，保证测试精度，系统具有一定的鲁棒性。

图6　：理论放电波形示意图

测量仪器若1s后检测到被测设备剩余电压大于60V，根据医疗设备安全标准GB 9706，对2K无感电阻的放电电量不得超过2mJ。测量仪器自动接入2K无感电阻，STM32检测到理论放电波形如图6所示，实际放电曲线非常陡，剩余能量即为实际放电曲线与X轴及Y轴所形成面积，面积不方便计算，采用积分的方法求面积，每隔△t（对200kHz的采样率，△t取5us）时间，采样一组数据，测量2K无感电阻R两端的电压Un，直至Un=0即测量完成。由下式（2）计算剩余能量。

式中：E为剩余能量，Un为每次采样的电压值，R为无感电阻阻值，△t采样时间间隔。

本文详细归纳了现行标准对剩余电压及剩余能量的要求，分析了剩余电压及剩余能量的特点及产生机理。提出了满足峰值断电、断电后测量时间可调及适用时能测量剩余能量的一套全新的剩余电压及剩余能量测量仪器设计方案。

［1］ GB 4706.1-2005家用和类似用途电器的安全第1部分：通用要求［S］.北京：中国标准出版社，2005

［2］ GB 4943.1-2011信息技术设备 安全 第1部分：通用要求［S］.北京：中国标准出版社，2011

［3］ GB 9706.1-2007医用电气设备第一部分：安全通用要求［S］.北京：中国标准出版社，2007

［4］ GB 8898-2011音频、视频及类似电子设备安全要求［S］.北京：中国标准出版社，2011

The Peak Voltage And Energy Testing Of Residual Voltage Device is Developed

Liang Guansheng1，He Zhihui1，Yang Jie2
（1.Zhuhai of guangdong province quality measurement supervision and inspection，Zhuhai，Guangdo ng，519000；
（2.Chongqing Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau，Chongqing，400020）

Analysis the mechanism of the generation of residual voltage and its characteristic，discusses the advantages and disadvantages of current residual voltage test，put forward a new kind of on the residual voltage and residual energy measuring instrument design，focus on the peak voltage and conduct the thoroughresearch to the remaining energy calculation.

residual voltage；Peak voltage off；residual energy