一种用于剩余电压测试的相位选择断电装置

李立焯，曹俐

1.北京市医疗器械检验所，北京 101111；2.湖南省医疗器械检验检测所 医用电器室，湖南 长沙 410001

引言

剩余电压测量是电气安全领域的重要测试项目，目的是防止电气设备在拔插头时，由于设备内残余能量的影响，人员接触插头受到意外电气伤害。由于交流电的周期性，交流电与设备的能量交换是周期进行的，在拔断插头瞬间设备内的残余能量也不同，因此剩余电压的幅值也不一样。为了避免过高的剩余电压对人体产生危害，必须对剩余电压的幅值进行测量[1-4]。

1 现有检测方法的缺陷

许多电气设备的国家标准根据各自适用设备的情况制定了不同的剩余电压、剩余能量的指标或者安全电压的规定，剩余电压测试的最终目标是找到剩余电压的最大值[5-8]，如GB9706.1-2007《医用电气设备 第1部分：安全通用要求》中规定：在断开电源后1 s时，用一个内阻不影响测量值的仪表来测量插头各电源插脚间及电源插脚与外壳间电压，试验应进行10次[9]。规定10次试验是为了找出剩余电压的最大值。

目前国内外实验室多使用自制的人工拔断装置配合测试[10]，人工模拟拔断是随机的，可能在交流电的任一相位断开，交流电的相位决定了交流电与被测设备能量交换的程度[11]，因此测量结果也是随机的，即使通过10次测试也不一定能找到剩余电压的最大值。

也有一些实验室使用专用的峰值断电测试装置，在交流电的峰值处断电来测量剩余电压值，理论上认为在交流电的峰值处被测设备获得的能量最多，剩余电压也应最大[12]。但笔者通过实际检测发现并非如此，如同一被测设备，正半周峰值处的剩余电压与负半周峰值处并不一样，在交流电零点处的剩余电压甚至比峰值处还大，因此在交流电峰值处断电测量也有其不足之处。

剩余电压测试的目标是找到其最大值，由于交流电的特性，不论是人工随机断电，还是交流电峰值处断电。在实际测试中都难以找到最大值出现的时刻，医用电气设备检测亟需一种可靠的剩余电压测量断电装置。针对现有检测方法的缺陷，笔者利用模拟电路及单片机系统制作了一种相位选择断电装置，可在交流电的一个周期内任一相位处精确断电，配合示波器测量，可以方便找出最大剩余电压值。同人工模拟拔断装置相比，则显著提高了剩余电压测量的重复性。

2 本测试装置的实施

2.1 基本设计思路

利用模拟电路检测出交流电的零点[13]，再利用单片机延时电路设定延时，以确定所选择的相位，并触发断电动作。常用220 V，50 Hz交流电的一个周期为20 ms，考虑检测和工程实际，相位选择的步进周期设定为1 ms，对于50 Hz交流电共有20个相位点可供选。

2.2 原理与组成

该装置的组成，见图1，主要由交流电零点检测电路、延时电路、设置电路、执行电路4部分组成。

图1 相位选择断电装置原理图

交流电零点检测电路可对220 V，50/60 Hz交流电进行零点检测并输出零点信号，此零点信号为延时电路的时间基准；延时电路由单片机组成，可根据设置电路的要求进行延时，并可对执行电路的动作误差进行补偿；设置电路可人为设置延时时间，并对交流电频率、正/负半周进行选择；执行电路由机械继电器组成，执行延时电路发出的命令，模拟插头拔断的动作。

零点检测电路，见图2。利用两个光电耦合器进行交流电正负半周的分离，两个光电耦合器产生的脉冲信号分别控制两个三极管的导通和断开，两个三极管产生脉冲信号为交流电正半周/负半周的零点信号，送入单片机待处理。此处使用光电耦合器同时还有强/弱电隔离的作用，避免使用变压器造成设备体积和重量的增大。

延时和设置电路以单片机为核心，在触摸屏界面上可进行交流电正负半周的选择、交流电频率的选择、相位时间的选择，并可对执行电路的动作误差进行时间修正，这些设置信号与零点检测信号共同送入单片机，当按下断电按钮后，单片机向执行电路发出断电指令。

图2 零点检测电路

执行电路由机械继电器及相应电路组成，接到断电指令后，机械继电器断开被测设备供电，并将被测设备的插头插脚接至测量仪器。此处选用机械继电器做为电路转换开关，以克服固态继电器、光电继电器等器件阻抗较大而影响剩余电压测量的缺陷。

2.3 关键指标的实现

由于相位选择的步进设定为1 ms，所以断电误差应不大于±0.5 ms，这是实现相位选择断电的关键指标。由于本装置采用的是机械继电器，接到单片机的断电指令后，并不能实时断电，而是有一个延时过程，为了实现在选定相位处的精确断电，采取以下4项措施：① 利用机械继电器的断开动作，机械继电器的特点是吸合时间长而释放时间极短，可以让继电器在必要时刻以极短时间快速断电，这一特性使得机械继电器的使用对断电精度的影响很小[14]；② 进行精确的时间修正，由于系统的延迟和滞后，需要在单片机延时程序中增加一个修正的时间，修正时间的选择，对断电精度有很大的影响，需根据试验测试结果选择合理的修正时间；③ 提高继电器线圈供电的精度，继电器线圈的电压要稳定，电压波动性要小，在设计上采用一个开关电源给继电器供电，所以开关电源的功率不宜太大，以免造成电压波动，我们选用额定输出为24 V，0.05 A的开关电源；④尽快消除线圈自感电动势，线圈通电后再断电，由于自感电动势的影响，线圈内的电流并不能马上降为零，线圈产生的吸力将阻碍触头的释放，这个阻碍的时间越长，对断电时刻一致性的影响越大，在继电器线圈旁路一个续流二极管，给自感电动势提供放电通路[15]。

2.4 实物结构

该装置的控制面板图，见图3。右下方的触摸屏可以对设定相位点、交流电正/负半周、交流电频率进行选择，并可设定修正时间、执行断开操作；面板左下方为正反相开关，可对交流电的正反相进行切换；面板左上方为被测设备插座；面板右上方L、N、G三个接线端子分别表示火线、零线、地线，用于连接测量仪表。

图3 控制面板图

3 实验结果分析

对该装置的断电精度进行了实际测试，断电误差测试电路，见图4。初始状态时，继电器线圈通电，触头处于闭合状态，220 V，50 Hz的交流电信号通过高压探头显示在示波器上，当接到断电指令后，触头断开，交流电信号消失，利用示波器可测量实际断电时间与理论值的差异。

图4 断电误差测试电路

示波器得到的波形，见图5，图中的正弦波为220 V，50 Hz交流电压波形，此时设定的断电相位为正半周过零点3 ms处，可以看出该处断电误差为2.88 ms-3 ms=-0.12 ms。

图5 50 Hz交流电正半周3 ms处断电波形

交流电正、负半周设定相位点的断电误差测试数据，见表1～2。其中的误差、重复性数值为同一相位点实测数据的最大值。从表中可以看出，实测断电相位点的最大误差为+0.27 ms，满足断电误差应不大于±0.5 ms的设计要求。重复性最大为0.2，表明该装置的测量稳定性较好。

从上述测试结果来看，该装置在技术上可以满足相位步进间隔为1 ms时的剩余电压检测要求，若对每个相位单独进行更精确的时间修正，该装置的断电精度还可以得到进一步的提高。

表1 正半周断电误差、重复性测试

表2 负半周断电误差、重复性测试

4 实际使用效果

4.1 剩余电压最大值的检测能力

使用该装置可对交流电一个周期内全相位点的剩余电压数值进行测量，可以查找出之前不能发现的剩余电压问题，例如某型号红外治疗机，按GB9706.1-2007《医用电气设备 第1部分：安全通用要求》中规定剩余电压不超过60 V，使用人工模拟拔断装置配合示波器进行测量（示波器探头内阻100 MΩ，衰减比1000:1[16]，下同），剩余电压最大值为52 V，判定为合格，而使用相位选择断电装置在交流电一个周期内的全相位点进行测量，可以发现被测设备在交流电正半周零点处的剩余电压值为最大，见图6。测量图6所示剩余电压波形可知其剩余电压值为-84 V，已超出国标要求。

图6 正半周零点处断电后剩余电压波形

相位选择断电装置因其具有精确断电的能力，可以无一遗漏的对交流电一个周期内的全相位点进行断电检测，形成了对剩余电压测量的全覆盖，此处通过实例证明了使用相位选择断电装置在剩余电压测量中的重要意义。

4.2 测量稳定性

使用本装置与人工断电装置进行了对比实验，使用同一块MW开关电源，型号HSP-250-2.5，测试点为火线与地线之间，测量仪器为Tek DOP3012数字示波器，按GB9706.1-2007《医用电气设备 第1部分：安全通用要求》第三篇中剩余电压测试要求分别进行10次测量，测量结果，见表 3～4。

表3 相位选择断电装置试验结果

表4 人工断电装置试验结果

从测试结果看，使用相位断电装置的测量结果标准偏差为2.1，人工断电装置的测量结果标准偏差为15.7，使用人工断电装置的测量数据离散度比相位选择断电装置大7.5倍，这是由于相位选择断电装置可在特定的相位点准确进行断电。因此被测设备每次的剩余能量都基本一致，而人工断电装置的断电时刻是随机的，被测设备的剩余能量相差很大，造成数据的离散度很大。

5 结论

从实验结果可以看出该装置断电精度较高，测量重复性好，已在实际检测中得到了应用，利用它的相位选择断电功能，可以方便地找出剩余电压的最大值，同时测量的稳定性也得到了较大的提高，解决了现有剩余电压测试方法盲目性较大、数值重复性差的问题，并为检测人员研究剩余电压课题提供了技术手段，在此装置的基础上可增加剩余电压的自动检测及显示模块，减少检测人员在火线、零线、地线之间频繁换线的操作，减少频繁判读示波器所造成的误差，提高检测自动化水平，应具有良好的应用前景。