电容能量危险限值的测试

【作 者】李雨明 ，王仁俊

江苏省科学技术情报研究所，南京市，210042

0 引言

电气设备中，防电击和能量的危险防护，各个行业都有不同的要求，测试方法也不同。电击和能量的危险防护，国标中主要是针对电容的储能造成危险。电容器在电路的一次回路或电源插头插拔时的危险性检测，一般以电容器的容量作为衡量标准，主要检测放电后1 s或2 s时电容的剩余电压值，5 s或10 s时设备外壳与内部易触碰的储能器件间在这段时间内所保持的电容残余电荷量和电能量。

本文对电容存储的电能量的危险作一些分析，并提出相应的简易检测方法，供相关人员参考。

1 电容存储能量的危险表达规定

目前，对于的电容储存能量会产生危险，各国标都要求强制检测。但对于检测的数值、要求和方式均有不同。

1.1 国标 GB9706.1-2007[1]规定

“用插头与供电网连接的设备，必须设计成在拔断插头之后1 s时，各电源插脚之间以及每一电源插脚与设备外壳之间的电压不超过60 V。”

“在设备电源切断后立即打开在正常使用时用的调节孔盖就可触及的电容器或与其相连的电路带电部件上的剩余电压不得超过60 V，若电压超过此值，则剩余能量不得超过2 mJ。”

1.2 国标GB4793-2007[2]规定

1）对电压小于或等于峰值15 kV或直流15 kV，电荷为45 μC；

2）对电压大于或等于峰值15 kV或直流15 kV，储存能量为350 mJ。

其他国标如：GB8898-2001 、GB4943-2001、GB4706.1-2005等都有类似的规定。

从国家发布的强制性的标准来看，测试是必须的。电容存储的能量检测要求规定：电压小于15 kV，或者从内部电容接受电荷的端子（任何零部件）检测的是电荷量，不大于45 μC；电压大于15 kV，检测的是能量，不大于350 mJ。

2 电容存储能量的特点和检测方法

2.1 电容存储能量的特点

(1) 能量微弱 线对地电容量为3000 pF时，其能量E=1/2×C×U2=1/2×0.03 uF×10-6×(60V)2=54×10-6=0.054 mJ，再经过回路电阻1 s的放电，能量已很难测试。

(2) 存在的时间短暂 测试时间为1～10 s之间，存在时间根据回路阻抗的大小，也仅数秒钟。

(3) 电压形态特殊 测试的既不是峰值电压也不是有效值电压，而是变化时的瞬时点电压。

(4) 电容存储能量的表示不一致。有用剩余电压(V)表示，有用库伦( μC)表示，还有用焦耳(mJ)表示。

2.2 电容存储能量的测试要求

(1) 很高的测试内阻 用内阻抗不影响测量值的仪表来测。按照GB9706.1-2007规定，线对地电容量为3000 pF，放电时间为1 s，电容放电电阻则为：R＝τ/C＝1 s/3000 pF＝333.3 MΩ。如果电容放电时间增加，要求测试阻抗更高。

(2) 精确的测试时间 拔出插头之后，如果放电的电压很高，放电的时间较短，则测试时间的准确度决定了测试的误差。

(3) 峰值断电测试功能 断电时的电容最高充电电压为交流电的峰值，因此需要具备峰值断电功能。这样既保证了测试的准确性，又保证了测试的一致性、重复性。

2.3 电容存储的能量的测试方法

(1) 剩余电压测试法

剩余电压测试法是以测试设备断电后的一段时间内，设备中存有危险能量的电容放电残余电压。这是目前测试电容能量危险限值主要方法，主要测试设备在电路一次回路的电源插头三个电极之间的剩余电压。

剩余电压测试有使用示波器加附加装置和专用的剩余电压测试仪两种测试方法。用示波器加附加装置测试是一种传统测试方法，测试精度主要看示波器的精度和测试探头。专用的剩余电压测试仪可以做到很高的测试精度，测试阻抗也很高，并且具有峰值断电功能，理论上只要测试一次就可以完成剩余电压的测试，测试一致性好，重复性高。

(2) 示波器动态能量测试法

示波器能量测试法是基于TEK公司提供的TDS1000/2000/3000 B系列示波器的动态能量测试系统，主要由电压、电流探头，TDS系列示波器，应用测试软件，计算机及其外围设备等组成。电压与电流在对应时刻上相乘得到功率后再对时间积分，对捕捉到的信息必须及时存储，然后分析、处理并获得电压、电流、功率和能量的时域波形。

电压、电流探头主要完成电压变比、阻抗变换、差分输入、电压/电流变换、初次级隔离等功能。从而给示波器提供保真度高、幅值适当的电压信号。测试精度取决于电压、电流探头精度和示波器的精度。但是，根据测试要求，必须自制时间可控的峰值断电装置。由于电压、电流探头的阻抗问题，较小能量无法测试，如： 3000 pF电容量的线地之间或零地之间的微小能量的不能测试，且设备价格较高。

(3) 专用仪器测试法

目前没有现成的动态能量测试设备可供选择，需要自己根据国标要求及动态能量测试的特点，设计测试系统和制造专用测试设备。

3 电容存储能量的简易测试方法

目前，三种动态能量测试方法各有优缺点，如果推广使用，有的方法会出现较大的局限性。专用仪器测试不具备第三方的计量检定，无法得到认可；示波器动态能量测试的一套设备价格不菲，一般单位也不具备条件，计量也存在问题。在此推荐两种简易的测试方法，通过简单条件、简单计算，就可得到动态能量。

3.1 剩余电压测试仪测试电容存储的动态能量

首先，利用具备峰值断电功能、有着高回路阻抗的剩余电压测试仪测出相应的剩余电压值(U)；然后，用电容测试仪测出带电部位的电容量(C)。

根据电荷计算公式：Q＝C×U ，就可以计算出电荷量。只要计算出的电荷量不超过45 μC，可视为安全。

同理，根据能量计算公式E＝1/2×U×Q＝1/2×C×U2，只要在规定的时间内测试出两端子间电压(U)，然后测出电容量(C)，就可以算出电能量。只要计算出的能量不超过国标GB9706.1-2007规定的2 mJ ，或者其他国标规定的350 mJ，可视为合格。

3.2 用简易测试法测试计算电容存储的动态能量

首先，在被测设备通电正常工作时,用万用表测出带电的两端子间电压（U）；然后，被测设备断电，用电容测试仪测试出带电部位的电容量（C）；第三，用高阻测试仪测试出带电部位电容的回路放电阻抗；第四，确定国标规定的放电时间（s）。根据电容放电公式计算出剩余电压。

例如，工作电压为220 V(峰值电压311 V)，带电部位的电容量3000 pF，回路放电阻抗1000 MΩ，经过1 s时，用电容放电公式计算，剩余电压为：Us＝

依据计算出的剩余电压值，采用电荷计算公式就可以计算出动态电荷量；根据能量计算公式就可以计算出动态电能量。

以上只是通过高阻抗、峰值断电功能的剩余电压测试仪的研制，以及根据现状与相关测试部门人员对相应国标的理解、交流后提出的想法，供参考。

[1] 俞西萍, 何骏, 何爱琴, 等. GB9706.1-2007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, 2008

[2] 贾真, 郭建宇, 肖向荣. GB4793-2007测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第一部分: 通用要求[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007