關(guān)于接地保護導(dǎo)體測試電流的思考

多年來，醫(yī)療行業(yè)一直在爭論多大電流是合適的測試電流，以檢查醫(yī)療和非醫(yī)療設(shè)備的保護接地導(dǎo)體的完整性。傳統(tǒng)上，一些人傾向于使用25A或10A的高測試電流，因為這是IEC 60601-1要求的一部分，他們認為這將能最好地檢測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量時，通常需要使用高測試電流來產(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。隨著手持式測試儀器的增長，其他人傾向于使用1A或更低的測試電流，以消除對被測設(shè)備造成任何損壞的風(fēng)險。

實際上，不同的測試電流都有其優(yōu)點。各種國際標(biāo)準(zhǔn)和實踐規(guī)范都推薦了從25A到200mA的各種測試電流。然而，對于常規(guī)測試、非醫(yī)療設(shè)備維修后的測試以及固定裝置的測試，大多數(shù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在都規(guī)定測試電流為200mA。

保護接地導(dǎo)體

保護接地導(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水平。

各種國家和國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了保護接地導(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)防措施要嚴格得多。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了最大電阻值，同時也定義了測試電流、開路電壓和測試持續(xù)時間。根據(jù)測試進行的時間，在設(shè)計階段、符合性測試階段、制造和運行測試中，不同的標(biāo)準(zhǔn)將適用。對于任何一種醫(yī)療設(shè)備，保護接地導(dǎo)體很可能是由連接設(shè)備到電源點的各種長度的柔性電纜組成的。也可能存在各種類型的開關(guān)機制，包括繼電器和電氣開關(guān)。因此，對保護接地導(dǎo)體的任何測量都會遇到體電阻和接觸電阻兩種形式。這兩種電阻類型都會對不同測試方法的使用產(chǎn)生影響，這些測試方法具有不同的電流、電壓和時間持續(xù)時間。

體電阻是導(dǎo)體路徑的材料決定，其往往保持恒定，不過它會受到溫度的影響，在某些情況下還會受到物理壓力狀態(tài)的影響。

接觸電阻是一種出現(xiàn)在兩個導(dǎo)電表面之間的電阻。接觸電阻由收縮電阻和膜電阻組成，并且會取決于接觸的兩個表面之間的接觸力。

仔細檢查兩種導(dǎo)電材料之間的接觸界面會發(fā)現(xiàn)，肉眼看起來可能平坦均勻的表面，在顯微鏡下觀察時，總會包含一系列粗糙的山峰和山谷。

實際上，這兩個接合面因此只會在其表面峰值粗糙點相遇的地方相互接觸，所以實際接觸面積比看起來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或界面處的小接觸點時，會產(chǎn)生收縮電阻。材料表面形成的氧化物和污垢層也會產(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。

如圖 2 所示，通過增加兩個表面之間的壓力，可以降低抗收縮性。薄膜電阻通?？梢酝ㄟ^清潔兩個觸點之間的表面來克服，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總電阻的影響。

與膜電阻不同，接觸電阻會隨著兩個表面之間施加的力增大而減小，因此總電阻也會減小。體積電阻被假定為恒定不變。在我們的實驗室進行的測試表明了膜電阻與通過觸點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，薄膜電阻對測試電流的影響。在測試的每個階段，測試電流都會增加，并測量總電阻。隨著測試電流的增加（藍色所示，上升），薄膜電阻會隨之減少。在本次測試中，當(dāng)測試電流達到8安培時，薄膜電阻完全消除，一旦達到這一點，測試電流會逐步減少（紅色所示，下降）。

測試表明，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量。在我們的測試中，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，測試電流的水平會影響測量結(jié)果。

大電流測試

較高的 25A 測試電流所帶來的預(yù)期好處在于，它能夠克服膜電阻的影響。然而，相反地，過高的測試電流水平會導(dǎo)致整個保護接地導(dǎo)體路徑的溫度升高。如果持續(xù)時間足夠長，這將對電阻值的測量產(chǎn)生重大影響。在保護接地導(dǎo)體受損、大部分股線斷裂的情況下，高電流測試也可能通過使電纜“熔化”來檢測到損壞。熔化是由于測試電流的加熱效應(yīng)——電流流動產(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間。

溫度的升高以及受損電纜的熔接能力取決于測試電流和測試持續(xù)時間。在保護性熔斷器中，這被稱為 I2t 額定值。電流越大或測試持續(xù)時間越長，受損電纜熔接的概率就越高。

因此，測試將一根帶有斷股的電纜熔接起來的概率將取決于斷股的數(shù)量、測試電流的大小以及測試的持續(xù)時間。然而，對一根1.5mm2 - 48 x 0.22mm2的絞線電纜進行的測試顯示，在30秒內(nèi)熔接電纜需要95%的股線斷裂。然而在實踐中接地連續(xù)性測試通常在較短的時間內(nèi)進行，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)性測試的目的是確?？山佑|的導(dǎo)電部件（這些部件依靠保護性接地作為防止觸電的一種手段）與電源的保護接地相連。

出于諸如信號屏蔽等功能性原因，可能也會有可觸及的導(dǎo)電部件與保護接地相連，而這些接地可能不會設(shè)計路徑來承載高電流。通過它們傳遞高測試電流可能會導(dǎo)致被測試設(shè)備受損。

200 毫安測試

200mA 測試電流正迅速成為歐洲運行測試和維修后測試的標(biāo)準(zhǔn)。特別是，那些符合 VDE 0751（德國標(biāo)準(zhǔn)）和即將出臺的 IEC 62353（醫(yī)療電子設(shè)備運行和常規(guī)測試標(biāo)準(zhǔn)）要求的測試儀器能夠使用 200mA 測試電流進行精確的電阻測量。使用較低的測試電流，如 200mA，還能降低或消除因通過并非為提供保護性接地而設(shè)計的接地路徑傳遞高測試電流而對被測設(shè)備造成損壞的風(fēng)險。

使用更高測試電流的原因之一是，被測電阻值約為0.1歐姆，原則上，更高的測試電流有助于測量過程。然而，這一特定論點失去了一些說服力，因為現(xiàn)代測試技術(shù)的進步使得使用低測試電流進行非常精確的電阻測量成為可能。

最近，一種新的低能耗、高電流測試技術(shù)被開發(fā)出來，克服了以往的接觸電阻問題，使得使用1A或200mA測試電流進行保護接地測試的應(yīng)用更加廣泛。因此，這一新概念成功地克服了測試探頭與醫(yī)療設(shè)備之間的高膜電阻引起的測量誤差。

例如，在測量可拆卸的 IEC 電源線中鍍層受損部分的連續(xù)性時進行測試。重要的是，新的低電流測試技術(shù)使得使用電池驅(qū)動的測試儀能夠進行有效的接地連續(xù)性測試，顯著提高了手持式安全分析儀的便攜性和通用性，并加快了測試過程。

總結(jié)

25A 和 200mA 在國際上都被推薦為醫(yī)療電氣設(shè)備運行測試和檢查的有效測試電流，兩者對生物醫(yī)學(xué)工程師和技術(shù)人員都有價值。然而，高測試電流不一定能檢測到受損的保護接地路徑，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)在低電流測試可以比過去更有效地應(yīng)用。無論測試電流如何，接觸電阻都是一個始終存在的變量。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)性測試還有一個進一步的優(yōu)勢，即它可以用電池供電而不是主電源來進行，這使得現(xiàn)代醫(yī)療安全測試儀能夠納入重要的設(shè)計和實際改進。

結(jié)論

如果在常規(guī)測試中使用現(xiàn)代技術(shù)來測量接地電阻，并且接觸電阻得到妥善處理，例如，使用低能量大電流脈沖，對于常規(guī)的現(xiàn)場維護，較低的測試電流是更可取的，因為這會為您帶來好處。

?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。

?更小的測試儀器用于有效的接地連接測量。

?電池供電的測試設(shè)備。

?由于測試設(shè)備輕便，測試工程師的靈活性增強了。

?由于醫(yī)療設(shè)備停機時間縮短而降低成本。

?測試設(shè)備更高性價比。