医用电气设备漏电流的产生原因
黄鸿新 陈宇恩
(广州医疗器械质量监督检验中心,广东 广州 510080)
【摘 要】本文对医用电气设备漏电的产生原因提出理论依据,并进行具体
。
【关键词】医用电气设备 漏电流 接触电流 患者
The reasons of producing Leakage of Medical electrical equipment
HUANG Hong-xin Chen yu-en
(Guangdong Provincial Medical Devices Quality Surveillance and Test Institute,Guangzhou
Guangdong 510080,China)
Abstract: the article presents the theory about the reason of leakage of medical electric
equipment and gives some further detailed analysis.
Key words:medical electrical equipment,leakage ,touch leakage,patient
漏电流是医用电气设备的重要安全指标之一。据有关资料报道,美国平均每年有 1200
多人在常规诊断和治疗过程中因触电死亡,因漏电流过高而受到电击伤害的更是不计其数。
在我国医疗电气设备安全防护水平还没有达到先进国家水平,漏电流的限制更应该在医用电
气设备
中加以慎重考虑。本文从对地漏电流、接触电流、和患者漏电流三种形式的漏电
流的形成原因进行分析,以提高人们对医用电气设备漏电流的认识。
漏电流的是客观存在的,是可以计算出来的。漏电流的产生主要存在两种形式,一种是
容性电流,即电流跨过电容器流经过的电流(本文不考虑相位差);一种是阻性电流,即电阻
两端存在电压差,而形成的电流,只存在于应用部件。
说起容性电流,我们先说说电容,电容是由两个相互绝缘的导体所构成的器件。由于绝
缘介质是不导电的,在外电源作用下,两极导体上能分别存贮等量的异性电荷,外电源撤走
后,这些电荷依靠电场力的作用,互相吸引,能在极板上长时间保存下来。电容能存贮电荷,
电荷是构成电流的最基本单位,电容贮存电荷的能力跟两极板的面积成正比,和距离成反比。
就是说,两极板越大,距离越近,贮存的电荷就会更多。电容会贮存电荷,但电容极性之间
存在电压差时,就如一个电池,当两极之间构成通电回路时,就会释放电荷,形成电流。见
式(1):
dt
duCti =)( …………(1)
式(1)中表明:在某时刻电容的电流取决于该时刻电容电压的变化率。电容电压变化
越快,即
dt
du 变化越大,则电流就越大。如果是直流电压,变化率为零,即电流为零,所以
电容有隔直流通交流的作用。
阻性电流的形成方式比较简单,产品设计时为了防止电流过大,可以在回路中加限流电
阻,对于我们经常接触到的外壳,通常采用隔离的手段来限制漏电流。对于一些应用部件,
是用电流来采集生理信号的,这个电流如果过大就会产生危险,这时,通常会用限流的方式
来防止电流过大,使用限流电阻是最常用的方式,见图 3c)中的电阻部分,是典型的用电阻
来限流方式。
下面我们用一些等效电路来分析漏电流产生的依据。
一、对地漏电流的形成(见图 1)
图 1 对地漏电流的等效电路
上图 1 中的 Y1 和 Y2 表示滤波电容,C1 和 C2 表示分布电容。滤波电容是作为元器件
存在的,这个容易理解,但分布电容是什么器件?和普通的电容有区别吗?分布电容是指由
非电容形态形成的一种分布参数。一般是指在印制板或其他形态的电路形式,在线与线之间、
印制板的上下层之间形成的电容。分布电容是符合电容的定义的,因为导线之间的面积和距
离的关系,这种电容的容量很小,但对漏电流的贡献有一定的影响。在对印制板进行设计时
一定要充分考虑这种影响,尤其是在工作频率很高的时候。例如开关电源的工作频率较高,
它的分布电容只要增大一点也会对对地漏电构成较大的影响。
在设备通电的时候,相线 L 和保护接地线 PE 之间存在着电压差,这个电压是一个按正
弦波形式不断变化的电压。根据式
dt
duCti =)( ,其中 C=C1+Y1 或 C=C2+Y2 的大者,可
以计算出电流 来。为了减少漏电流,最主要是把电容量降下来,因为对于电网电压来说,)(ti
dt
du 是固定的,只有在电容上进行改变,一是降低分布电容,二是取较低容量的滤波电容。
这里有一个矛盾的地方,滤波电容越大,滤波的效果就越好,抗电磁骚扰能力就更强。为了
同时满足这两种要求,在能满足漏电流的情况下,尽量把 Y1 和 Y2 的值取得更大。
设备在正常状态的时候,相线L和中性线N经过变压器T1 源边绕组是接通的,见图 1,
这个时候相线L和PE之间存在一个 242V电压和 50Hz的电流,而中性线N和PE之间的电压差
为零。这时,电网电源和PE之间的总电容C正常=C1+Y1,或电流逆向的时候为C正常=C2+Y2,电
流频率和电压还是 50Hz242V,根据
dt
duCti 正常正常 =)( 可以算出其漏电流来。当S1 断开的
时候,因开关的阻值变得无穷大,从相线L到S1 点上的电压均为 242V,电流频率为 50Hz,
即电容C1、Y1、C2 和Y2 为并联关系,电源电路到PE之间的总电容C单一=C1+Y1+C2+Y2,
计算的漏电流为
dt
duCti 单一单一 =)( ,因C单一>C正常,故 > 。一般情况下,应单一)(ti 正常)(ti
把相线到保护地的电容值和中性线到保护接地的电容值设计成一致,即C1+Y1 ≈C2+Y2,
所以单一故障时的对地漏电流也约为正常状态时的两倍。
在对地漏电中,没有人会在设计时把一个电阻串接在电源线路和保护接地线上,所以这
部分的漏电流只是产生交流电流,不会产生直流电流,同理,接触电流也是这样。
二、接触电流的形成
接触电流也是可以用电容来分析的,下图 2 是一个接触电流等效电路图。
220V/50Hz
900V/80kHz
液晶显示器
C1
C2
外壳
外壳
图 2 接触电流等效电路
我们在进行接触电流试验时,是用一张手掌大的铜箔贴着外壳进行试验的,铜箔是接地
的。在导线和铜箔之间隔着空气或是一些固体绝缘体,是符合电容的结构的,这也是一种分
布电容。在上图 2 中,C1 是网电源部分和外壳的分布电容,给 C1 充电的电参数为 220V50Hz。
C2 是逆变器和显示屏幕之间的分布电容,给 C2 充电的电参数为 900V80kHz。从
dt
du 可以看
出,给 C2 充电的
dt
du 变化率更大。一般设备的接触电流,越靠近高频高压的地方,泄漏的
接触电流会更大,所以液晶显示屏的接触电流比其他绝缘外壳的接触电流会更大些。
断开保护接地线对接触电流的影响是很大的,主要分两种情况存在。一是断开保护接地
线前是保护接地的可触及外壳;二是原来就没有保护接地的外壳。对于可触及的保护接地金
属影响,有人会说,国家
不是说只对未保护接地外壳才有接触电流的吗?而且这个接触
电流的测试和对地漏电流测试一样的,这不是多此一举吗?确实,我们的 GB9706.1 中对接
触电流(外壳漏电流)是有这样的定义:从在正常使用时操作者或患者可触及的外壳或外壳
部件(应用部分除外),经外部导电连接而不是保护接地导线流人大地或外壳其他部分的电
流。首先,我们要明确的是,我们测量接触电流和对地漏电流作用的目的不一样,对地漏电
流是从保护接地导线流过的电流,不应被人体触及。第二,单一故障状态时保护接地导线被
断开,这时,设备已经是没有保护接地的了,这时设备的外壳结构跟 II 类设备的外壳结构
没有两样。第三,很明了,就是人体接触到设备部件流经人体的电流,这电流不叫接触电流
能叫什么呢?
对于没有保护接地外壳的 I 类产品,当断开保护接地时,设备内部对外壳的电压会增高,
从而使接触电流增高。
三、患者漏电流的形成
患者漏电流按电流流经途径分两种,一是从患者电路流经人体到大地;二是来自外部的
电压从已浮地的患者经应用部分跨过绝缘层到达保护接地(见图 3)。图 3a 中中间电路和患
者电路虽然是隔离的,但因为隔离部分存在的分布电容,在分布电容充放电的时候,使得电
容的电流经患者流向大地(患者保护接地是常见现象)。即使患者和大地是隔离的,但患者
电路和保护接地线路还是存在着一些分布电容,假如意外情况下,患者碰到一个非直流的电
流,这个电流也会有部分通过这个分布电容而流向大地(见图 3b)。图 3c 表示这样的一种
结构,应用部分为达到因治疗或诊断的需要,不可避免的向患者输出一些电流,这种结构的
应用部分可以和上一级回路是没有隔离,但应用部分的输出端用可靠的限流电阻使输出的电
流限值在某个范围以内,这个限流阻抗还不能是一个,必须有多个的组合,因这种情况下的
患者漏电要高限流阻抗来保证,就必须要求在某一个限流电阻失效的情况下还必须能把漏电
流限制在合理范围之内。
图 3 患者漏电流原理图
参考资料:
1)IEC60601-1 Third edition Medical electrical equipment Partied 1: General requirements for basic safety and
essential performance,2005 年 4 月
2)李世林、黄妙庆,中国标准出版社,GB/T 17045-2006 电击防护 装置和设备的通用部分
3)贾真、李兰芬,中国标准出版社,GB/T 12113-2003 接触电流和保护导体电流的测量方法
4)陈宇恩,等.医用电气设备安全设计的一些理念.中国医疗设备,2008,第 23 卷 第 2 期.
作者简介:黄鸿新 副教授 广州医疗器械质量监督检验中心副所长
陈宇恩
师