關(guān)于接地保護(hù)導(dǎo)體測(cè)試電流的思考
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2024-11-14 15:50
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關(guān)于接地保護(hù)導(dǎo)體測(cè)試電流的思考
多年來(lái)，醫(yī)療行業(yè)一直在爭(zhēng)論多大電流是最合適的測(cè)試電流，以檢查醫(yī)療和非醫(yī)療設(shè)備的保護(hù)接地導(dǎo)體的完整性。傳統(tǒng)上，一些人傾向于使用25A或10A的高測(cè)試電流，因?yàn)檫@是IEC 60601-1要求的一部分，他們認(rèn)為這將能最好地檢測(cè)到任何受損的接地導(dǎo)體。此外，之前模擬儀器廣泛用于低電阻測(cè)量時(shí)，通常需要使用高測(cè)試電流來(lái)產(chǎn)生足夠的電壓降，以產(chǎn)生必要的針偏轉(zhuǎn)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，這不再必要。隨著手持式測(cè)試儀器的增長(zhǎng)，其他人傾向于使用1A或更低的測(cè)試電流，以消除對(duì)被測(cè)設(shè)備造成任何損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)際上，不同的測(cè)試電流都有其優(yōu)點(diǎn)。各種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐規(guī)范都推薦了從25A到200mA的各種測(cè)試電流。然而，對(duì)于常規(guī)測(cè)試、非醫(yī)療設(shè)備維修后的測(cè)試以及固定裝置的測(cè)試，大多數(shù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在都規(guī)定測(cè)試電流為200mA。
圖 1 不同類型的電阻構(gòu)成了總測(cè)量電阻。
保護(hù)接地導(dǎo)體
保護(hù)接地導(dǎo)體旨在防止觸電，允許在故障條件下電流通過。在I類電氣設(shè)備中，保護(hù)接地導(dǎo)體的電阻需要足夠低，以防止外部金屬部件上的電壓升高到危險(xiǎn)水平。
各種國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了保護(hù)接地導(dǎo)體的最大允許電阻水平，與醫(yī)療設(shè)備相關(guān)的預(yù)防措施比與工業(yè)、商業(yè)和電氣產(chǎn)品相關(guān)的預(yù)防措施要嚴(yán)格得多。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了最大電阻值，同時(shí)也定義了測(cè)試電流、開路電壓和測(cè)試持續(xù)時(shí)間。根據(jù)測(cè)試進(jìn)行的時(shí)間，在設(shè)計(jì)階段、符合性測(cè)試階段、制造和運(yùn)行測(cè)試中，不同的標(biāo)準(zhǔn)將適用。對(duì)于任何一種醫(yī)療設(shè)備，保護(hù)接地導(dǎo)體很可能是由連接設(shè)備到電源點(diǎn)的各種長(zhǎng)度的柔性電纜組成的。也可能存在各種類型的開關(guān)機(jī)制，包括繼電器和電氣開關(guān)。因此，對(duì)保護(hù)接地導(dǎo)體的任何測(cè)量都會(huì)遇到體電阻和接觸電阻兩種形式。這兩種電阻類型都會(huì)對(duì)不同測(cè)試方法的使用產(chǎn)生影響，這些測(cè)試方法具有不同的電流、電壓和時(shí)間持續(xù)時(shí)間。
體電阻是導(dǎo)體路徑的材料決定，其往往保持恒定，不過它會(huì)受到溫度的影響，在某些情況下還會(huì)受到物理壓力狀態(tài)的影響。
比看起來(lái)的接觸面積通常小得多。在這種情況下，當(dāng)電流通過這些峰值點(diǎn)或界面處的小接觸點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生收縮電阻。材料表面形成的氧化物和污垢層也會(huì)產(chǎn)生膜電阻。這些氧化物的電阻比接頭兩側(cè)的導(dǎo)電材料的電阻要高。
圖 2 增加兩個(gè)表面之間的力。
如圖 2 所示，通過增加兩個(gè)表面之間的壓力，可以降低抗收縮性。薄膜電阻通常可以通過清潔兩個(gè)觸點(diǎn)之間的表面來(lái)克服，不過這并非總是可行的，而且在清潔連接后，氧化可能立即再次發(fā)生。圖 3 展示了通過降低收縮電阻對(duì)總電阻的影響。
圖 3. 降低收縮電阻對(duì)總電阻的影響。
接觸電阻是一種出現(xiàn)在兩個(gè)導(dǎo)電表面之間的電阻。接觸電阻由收縮電阻和膜電阻組成，并且會(huì)取決于接觸的兩個(gè)表面之間的接觸力。
仔細(xì)檢查兩種導(dǎo)電材料之間的接觸界面會(huì)發(fā)現(xiàn)，肉眼看起來(lái)可能平坦均勻的表面，在顯微鏡下觀察時(shí)，總會(huì)包含一系列粗糙的山峰和山谷。
實(shí)際上，這兩個(gè)接合面因此只會(huì)在其表面峰值粗糙點(diǎn)相遇的地方相互接觸，所以實(shí)際接觸面積與膜電阻不同，接觸電阻會(huì)隨著兩個(gè)表面之間施加的力增大而減小，因此總電阻也會(huì)減小。體積電阻被假定為恒定不變。在我們的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的測(cè)試表明了膜電阻與通過觸點(diǎn)的電流水平之間的關(guān)系的影響。
圖4展示了在典型的IEC連接中，薄膜電阻對(duì)測(cè)試電流的影響。在測(cè)試的每個(gè)階段，測(cè)試電流都會(huì)增加，并測(cè)量總電阻。隨著測(cè)試電流的增加（藍(lán)色所示，上升），薄膜電阻會(huì)隨之減少。在本次測(cè)試中，當(dāng)測(cè)試電流達(dá)到8安培時(shí)，薄膜電阻完全消除，一旦達(dá)到這一點(diǎn)，測(cè)試電流會(huì)逐步減少（紅色所示，下降）。
圖 4. 對(duì)于典型的 IEC 引線，膜電阻相對(duì)于測(cè)試電流的影響。
測(cè)試表明，一旦現(xiàn)有連接中的膜電阻被清除，膜電阻不再影響總電阻測(cè)量。在我們的測(cè)試中，保持了體電阻和收縮電阻恒定。因此，這意味著當(dāng)考慮膜電阻時(shí)，測(cè)試電流的水平會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。
接地連續(xù)性測(cè)試通常在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，通常為兩到五秒，這使得在 25 安培電流下發(fā)生熔接的可能性不大。接地連續(xù)性測(cè)試的目的是確保可接觸的導(dǎo)電部件（這些部件依靠保護(hù)性接地作為防止觸電的一種手段）與電源的保護(hù)接地相連。
出于諸如信號(hào)屏蔽等功能性原因，可能也會(huì)有可觸及的導(dǎo)電部件與保護(hù)接地相連，而這些接地可能不會(huì)設(shè)計(jì)路徑來(lái)承載高電流。通過它們傳遞高測(cè)試電流可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)試設(shè)備受損。
大電流測(cè)試
較高的 25A 測(cè)試電流所帶來(lái)的預(yù)期好處在于，它能夠克服膜電阻的影響。然而，相反地，過高的測(cè)試電流水平會(huì)導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)接地導(dǎo)體路徑的溫度升高。如果持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，這將對(duì)電阻值的測(cè)量產(chǎn)生重大影響。在保護(hù)接地導(dǎo)體受損、大部分股線斷裂的情況下，高電流測(cè)試也可能通過使電纜“熔化”來(lái)檢測(cè)到損壞。熔化是由于測(cè)試電流的加熱效應(yīng)——電流流動(dòng)產(chǎn)生熱量，電線熔化分開，導(dǎo)致開路。熔化作用是由電纜溫度升高引起的，因此電纜熔化需要一定的時(shí)間。
溫度的升高以及受損電纜的熔接能力取決于測(cè)試電流和測(cè)試持續(xù)時(shí)間。在保護(hù)性熔斷器中，這被稱為 I2t 額定值。電流越大或測(cè)試持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，受損電纜熔接的概率就越高。
因此，測(cè)試將一根帶有斷股的電纜熔接起來(lái)的概率將取決于斷股的數(shù)量、測(cè)試電流的大小以及測(cè)試的持續(xù)時(shí)間。然而，對(duì)一根1.5mm² - 48 x 0.22mm²的絞線電纜進(jìn)行的測(cè)試顯示，在30秒內(nèi)熔接電纜需要95%的股線斷裂。然而在實(shí)踐中
200 毫安測(cè)試
200mA 測(cè)試電流正迅速成為歐洲運(yùn)行測(cè)試和維修后測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。特別是，那些符合 VDE 0751（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）和即將出臺(tái)的 IEC 62353（醫(yī)療電子設(shè)備運(yùn)行和常規(guī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）要求的測(cè)試儀器能夠使用 200mA 測(cè)試電流進(jìn)行精確的電阻測(cè)量。使用較低的測(cè)試電流，如 200mA，還能降低或消除因通過并非為提供保護(hù)性接地而設(shè)計(jì)的接地路徑傳遞高測(cè)試電流而對(duì)被測(cè)設(shè)備造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
使用更高測(cè)試電流的原因之一是，被測(cè)電阻值約為0.1歐姆，原則上，更高的測(cè)試電流有助于測(cè)量過程。然而，這一特定論點(diǎn)失去了一些說(shuō)服力，因?yàn)楝F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步使得使用低測(cè)試電流進(jìn)行非常精確的電阻測(cè)量成為可能。
最近，一種新的低能耗、高電流測(cè)試技術(shù)被開發(fā)出來(lái)，克服了以往的接觸電阻問題，使得使用1A或200mA測(cè)試電流進(jìn)行保護(hù)接地測(cè)試的應(yīng)用更加廣泛。因此，這一新概念成功地克服了測(cè)試探頭與醫(yī)療設(shè)備之間的高膜電阻引起的測(cè)量誤差。
例如，在測(cè)量可拆卸的 IEC 電源線中鍍層受損部分的連續(xù)性時(shí)進(jìn)行測(cè)試。重要的是，新的低電流測(cè)試技術(shù)使得使用電池驅(qū)動(dòng)的測(cè)試儀能夠進(jìn)行有效的接地連續(xù)性測(cè)試，顯著提高了手持式安全分析儀的便攜性和通用性，并加快了測(cè)試過程。
總結(jié)
25A 和 200mA 在國(guó)際上都被推薦為醫(yī)療電氣設(shè)備運(yùn)行測(cè)試和檢查的有效測(cè)試電流，兩者對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程師和技術(shù)人員都有價(jià)值。然而，高測(cè)試電流不一定能檢測(cè)到受損的保護(hù)接地路徑，也并不總是能提供更高的精度。此外，現(xiàn)代電子技術(shù)意味著
現(xiàn)在低電流測(cè)試可以比過去更有效地應(yīng)用。無(wú)論測(cè)試電流如何，接觸電阻都是一個(gè)始終存在的變量。低能量、高電流脈沖可以克服此類問題。此外，低電流 200mA 接地連續(xù)性測(cè)試還有一個(gè)進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)，即它可以用電池供電而不是主電源來(lái)進(jìn)行，這使得現(xiàn)代醫(yī)療安全測(cè)試儀能夠納入重要的設(shè)計(jì)和實(shí)際改進(jìn)。
結(jié)論
如果在常規(guī)測(cè)試中使用現(xiàn)代技術(shù)來(lái)測(cè)量接地電阻，并且接觸電阻得到妥善處理，例如，使用低能量大電流脈沖，對(duì)于常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，較低的測(cè)試電流是更可取的，因?yàn)檫@會(huì)為您帶來(lái)好處。
•提高了操作人員的安全性。
•降低了在用醫(yī)療設(shè)備（DUT）受損的風(fēng)險(xiǎn)。
•更小的測(cè)試儀器用于有效的接地連接測(cè)量。
•電池供電的測(cè)試設(shè)備。
•由于測(cè)試設(shè)備輕便，測(cè)試工程師的靈活性增強(qiáng)了。
•由于醫(yī)療設(shè)備停機(jī)時(shí)間縮短而降低成本。
•測(cè)試設(shè)備更高性價(jià)比。
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