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关于家电标准中插头放电限值的一点思考

嘉峪检测网        2021-04-13 17:32

一提到家用电器产品安全,我们通常都会想到的是防触电安全,防火灾安全,防高温烫伤安全以及防机械危险等。而其中需要特殊考虑得一种危险就是插头放电

 

之所以说它是个特殊的防护项目,那就先要简单介绍下插头放电危害产生的原因。这一切就要从电容器开始说起,众所周知,电容器是一种储能元件,当电容器的两个极板之间加上电压时,电容器就会储存电荷。对于现代电器产品而言,电阻和电容已经成了不可或缺的基础元件,由于现在越来越多的法规对于产品的电磁兼容方面提出了要求,从而使得越来越多的X2电容(电容的一种,属于安规电容,其失效后,不会导致电击,不危及人身安全,常用于抗干扰电路中的滤波作用,跨接在产品零火线之间,典型容值是零点几μF~1μF。)被应用到了产品中,有时产品中甚至没有单独的电阻但会有一颗X2电容。

 

由于电容器的存在,当产品连接到电源时,电容器开始储存电荷,而当电器产品的插头被从插座中拔出后,电容器内储存的能量如果没有合适的排泄渠道,就会积聚在器具内,最直观的危害就是,大家在日常生活中也偶尔会遇到,无意中触碰到从电源上拔下的电器插头时,会有电击灼痛。此时便是电容器内的能量就会通过插头的插脚释放到人体,从而对人造成电击伤害。正是因为其危害发生的部位特殊,发生的时间较为特定,且发生在产品从供电电源断开后,故而容易让人们忽略这个危险。

 

因此国际现行的家电产品标准IEC 60335-1,在22.5章节中对插头放电这个危害规定了专门的限值要求:

 

关于家电标准中插头放电限值的一点思考

 

即在从电源断开1秒后,插脚之间的电压不能超过34V。

 

而笔者的疑惑也来自于此,为什么标准中将限值定在34V?这个值有什么特殊的意义吗?

 

如前所述,一般来说,如果有人触碰了带有未释放能量的电容器的器具插头时,会有被电击的痛感,那么可以将之归类于电击伤害的一种。但如果只是将其简单归类于电击危险的话,是否正确呢?

 

在标准IEC60335-1中,一直将带电体作为需要防护且不可触及的对象,标准在3.6.4章节中对带电体的定义为“打算在正常使用时通电的导线或导电性部件,按照惯例包括中性导线,但不包括PEN导线”,即所有通电的导体,导线都可能是带电体;但正如我们实际生活中实际遇到的,比如剃须刀的充电器的输出口,如果按照这个定义岂不是应该要被包起来?怎么我们日常生活中可以随便摸却没事呢?所以标准中也考虑了某些特殊情况,比如较低的电压对人体无害,在3.6.4章节的注1中提到“凡是符合8.1.4章节要求的易触及或不易触及部件都认为是非带电体。”

 

顺着这个思路我们看下标准8.1.4章节中要求:

如果易触及部件为下述情况,则不认为其是带电的:

——该部件由安全特低电压供电,且

-对交流,其电压峰值不超过42.4V;

-对直流,其电压不超过42.4V。

或……

看到这里,我们再和22.5章节中限值对比,就会发现,似乎这又与IEC60335-1中关于安全电压的定义有出入,一个是34V,一个是42.4V,中间差的可不是一点点。

那么究竟是42.4V不安全还是34V要求过于严苛呢?可能有人会说这两者完全不是一个概念,不应当放在一起比较;那么笔者简单构思了一个电气结构,或许可以让两者之间联系更加直观:

 

关于家电标准中插头放电限值的一点思考

 

上图是一个简化的适配器电路,左侧为变压器初级输入,通过插头连接到220V市电上,中间是一个安全隔离变压器,满足加强绝缘,右侧为次级输出,输出电压42V。在安全隔离变压器的初级线路和次级线路上有一对联动开关,两者同时导通和断开,输入端有1个X2电容和一个放电电阻,能确保在断电1秒后,电容两端电压降到39V。次级是由一个半波整流二极管和一个滤波电容器组成。以下按照三种状态分别讨论各种情况下适配器输入插脚之间的电压以及输出端之间的电压

(1)当适配器接入220V的市电,联动开关闭合。此时适配器输入插脚之间电压峰值为311V,而次级输出电压为42V;

(2)当适配器从电源断开时,若同时将联动开关断开。在断开瞬间,适配器输入插脚之间电压的瞬时电压可能达到311V,而输出端之间仍然是42V;

(3)在适配器与市电断开1秒后。此时适配器输入插脚之间电压已经降到了39V,而输出端之间依然是42V。

 

按照IEC60335-1的判定,对于适配器输入插脚而言,在状态(1)和(2)时,都属于危险带电情况,不满足安全的要求。但在状态(3)时,虽然适配器已经和市电断开,但是因为此时插脚之间电压为39V依然大于22.5章节34V的限值,所以依然会被认为是不合格的。反观次级输出,无论处于哪种状态都被认为是安全并且可触及的电压。那么此时最明显的对比就出现了,同样在状态(3)时,为什么适配器输入插脚之间电压低于输出端,但还是要被认定为不合格呢?

 

带着这个疑问,我后续翻阅了目前主流的电器产品标准,惊讶的发现各个标准对于限值要求各不相同,如下罗列了现行的各种电器产品安全标准对于插头放电电压限值的要求:

 

表(1)

常见电器产品标准插头放电电压限值汇总表

产品类型

家电类产品

音视频产品

灯具

电动工具

适配器

相关主要标准

IEC 60335-1: 2010

IEC 62368-1: 2014*

IEC 60598-1: 2014

IEC 62841-1: 2014

IEC 61558-1: 2017

电压限值

34 V

60 V d.c.;

30 V r.m.s.或者42.4 V peak

34 V**

34 V

60 V d.c.

*针对正常情况下的普通人群,能量源频率≤1kHz

**通过插头连接电源的普通灯具

***带有连接到初级供电的插头

同时按照同样的方法和各个标准中可触及的安全电压限值相比较,情况也不尽相同。

表(2)

常见电器产品可触及安全电压限值汇总表

产品类型

家电类产品

音视频产品

灯具

电动工具

适配器

相关主要标准

IEC 60335-1: 2010

IEC 62368-1: 2014*

IEC 60598-1: 2014

IEC 62841-1: 2014

IEC 61558-1: 2017

电压限值

42.4 V d.c.或42.4 V peak

60 V d.c.;

30 V r.m.s.或者42.4 V peak*

60 V d.c.;

带载时≤25 V r.m.s.且空载时≤35 V r.m.s.**

42.4 V peak且空载电压≤50 V peak

60 V d.c.或

35 V peak

*针对正常情况下的普通人群,能量源频率≤1kHz

**针对普通灯具

 

那么为什么会出现这种限值不同的情况呢?

 

个人猜测:首先,由于各个电器产品的特性不同,使用情况不同,从而导致安全电压限值不同,同样也导致了插头放电限值不同。无论限值是34V还是42.4V亦或是60V,这里的目的都是为了促使器具有一个泄放电容器能量的措施,从而确保在插头与电源断开后,在被有意或无意触及时,不会对人体造成严重伤害。此外,可能插头放电的危害不单单是电击伤害这一点,还需要考虑其他的潜在危害,例如火灾隐患。电容器能量的泄放是通过电流流出实现的,而电流在导体中的流动会产生热量,两者之间呈现平方后正比的关系,所以当插头的插脚在断电后被一个低电阻导体桥接,此时就会有电流流过,电容器此时储存的能量越高,则瞬时电流越大,而表征电容器能量高低的指标之一便是电容器两端电压的大小,体现在整个器具上就是插头插脚之间的电压大小,只有能量越小,才能让可能产生的电流越小。

 

当然以上仅仅是笔者自己的一点猜测和思考,作为抛砖引玉,欢迎各位读者和专家提出自己的观点和意见。

 

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来源:嘉峪检测网吃什么