關(guān)于接地保護導體測試電流的思考

多年來(lái)，醫療行業(yè)一直在爭論多大電流是合適的測試電流，以檢查醫療和非醫療設備的保護接地導體的完整性。傳統上，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體。此外，之前模擬儀器廣泛用于低電阻測量時(shí)，通常需要使用高測試電流來(lái)產(chǎn)生足夠的電壓降，以產(chǎn)生必要的針偏轉。隨著(zhù)現代電子技術(shù)和數字技術(shù)的發(fā)展，這不再必要。隨著(zhù)手持式測試儀器的增長(cháng)，其他人傾向于使用1A或更低的測試電流，以消除對被測設備造成任何損壞的風(fēng)險。

實(shí)際上，不同的測試電流都有其優(yōu)點(diǎn)。各種國際標準和實(shí)踐規范都推薦了從25A到200mA的各種測試電流。然而，對于常規測試、非醫療設備維修后的測試以及固定裝置的測試，大多數歐洲標準現在都規定測試電流為200mA。

保護接地導體

保護接地導體旨在防止觸電，允許在故障條件下電流通過(guò)。在I類(lèi)電氣設備中，保護接地導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。

各種國家和國際標準規定了保護接地導體的最大允許電阻水平，與醫療設備相關(guān)的預防措施比與工業(yè)、商業(yè)和電氣產(chǎn)品相關(guān)的預防措施要嚴格得多。這些標準不僅規定了最大電阻值，同時(shí)也定義了測試電流、開(kāi)路電壓和測試持續時(shí)間。根據測試進(jìn)行的時(shí)間，在設計階段、符合性測試階段、制造和運行測試中，不同的標準將適用。對于任何一種醫療設備，保護接地導體很可能是由連接設備到電源點(diǎn)的各種長(cháng)度的柔性電纜組成的。也可能存在各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)機制，包括繼電器和電氣開(kāi)關(guān)。因此，對保護接地導體的任何測量都會(huì )遇到體電阻和接觸電阻兩種形式。這兩種電阻類(lèi)型都會(huì )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(shí)間持續時(shí)間。

體電阻是導體路徑的材料決定，其往往保持恒定，不過(guò)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。

接觸電阻是一種出現在兩個(gè)導電表面之間的電阻。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。

仔細檢查兩種導電材料之間的接觸界面會(huì )發(fā)現，肉眼看起來(lái)可能平坦均勻的表面，在顯微鏡下觀(guān)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)際接觸面積比看起來(lái)的接觸面積通常小得多。在這種情況下，當電流通過(guò)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的導電材料的電阻要高。

如圖 2 所示，通過(guò)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?？梢酝ㄟ^(guò)清潔兩個(gè)觸點(diǎn)之間的表面來(lái)克服，不過(guò)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(guò)降低收縮電阻對總電阻的影響。

與膜電阻不同，接觸電阻會(huì )隨著(zhù)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)驗室進(jìn)行的測試表明了膜電阻與通過(guò)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，薄膜電阻對測試電流的影響。在測試的每個(gè)階段，測試電流都會(huì )增加，并測量總電阻。隨著(zhù)測試電流的增加（藍色所示，上升），薄膜電阻會(huì )隨之減少。在本次測試中，當測試電流達到8安培時(shí)，薄膜電阻消除，一旦達到這一點(diǎn)，測試電流會(huì )逐步減少（紅色所示，下降）。

測試表明，一旦現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(zhù)當考慮膜電阻時(shí)，測試電流的水平會(huì )影響測量結果。

大電流測試

較高的 25A 測試電流所帶來(lái)的預期好處在于，它能夠克服膜電阻的影響。然而，相反地，過(guò)高的測試電流水平會(huì )導致整個(gè)保護接地導體路徑的溫度升高。如果持續時(shí)間足夠長(cháng)，這將對電阻值的測量產(chǎn)生重大影響。在保護接地導體受損、大部分股線(xiàn)斷裂的情況下，高電流測試也可能通過(guò)使電纜“熔化"來(lái)檢測到損壞。熔化是由于測試電流的加熱效應——電流流動(dòng)產(chǎn)生熱量，電線(xiàn)熔化分開(kāi)，導致開(kāi)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試電流和測試持續時(shí)間。在保護性熔斷器中，這被稱(chēng)為 I2t 額定值。電流越大或測試持續時(shí)間越長(cháng)，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(lái)的概率將取決于斷股的數量、測試電流的大小以及測試的持續時(shí)間。然而，對一根1.5mm2 - 48 x 0.22mm2的絞線(xiàn)電纜進(jìn)行的測試顯示，在30秒內熔接電纜需要95%的股線(xiàn)斷裂。然而在實(shí)踐中接地連續性測試通常在較短的時(shí)間內進(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。接地連續性測試的目的是確?？山佑|的導電部件（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(huì )有可觸及的導電部件與保護接地相連，而這些接地可能不會(huì )設計路徑來(lái)承載高電流。通過(guò)它們傳遞高測試電流可能會(huì )導致被測試設備受損。

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準。特別是，那些符合 VDE 0751（德國標準）和即將出臺的 IEC 62353（醫療電子設備運行和常規測試標準）要求的測試儀器能夠使用 200mA 測試電流進(jìn)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(guò)并非為提供保護性接地而設計的接地路徑傳遞高測試電流而對被測設備造成損壞的風(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(guò)程。然而，這一特定論點(diǎn)失去了一些說(shuō)服力，因為現代測試技術(shù)的進(jìn)步使得使用低測試電流進(jìn)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(kāi)發(fā)出來(lái)，克服了以往的接觸電阻問(wèn)題，使得使用1A或200mA測試電流進(jìn)行保護接地測試的應用更加廣泛。因此，這一新概念成功地克服了測試探頭與醫療設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(xiàn)中鍍層受損部分的連續性時(shí)進(jìn)行測試。重要的是，新的低電流測試技術(shù)使得使用電池驅動(dòng)的測試儀能夠進(jìn)行有效的接地連續性測試，顯著(zhù)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(guò)程。

總結

25A 和 200mA 在國際上都被推薦為醫療電氣設備運行測試和檢查的有效測試電流，兩者對生物醫學(xué)工程師和技術(shù)人員都有價(jià)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，現代電子技術(shù)意味著(zhù)

現在低電流測試可以比過(guò)去更有效地應用。無(wú)論測試電流如何，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(lèi)問(wèn)題。此外，低電流 200mA 接地連續性測試還有一個(gè)進(jìn)一步的優(yōu)勢，即它可以用電池供電而不是主電源來(lái)進(jìn)行，這使得現代醫療安全測試儀能夠納入重要的設計和實(shí)際改進(jìn)。

結論

如果在常規測試中使用現代技術(shù)來(lái)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，對于常規的現場(chǎng)維護，較低的測試電流是更可取的，因為這會(huì )為您帶來(lái)好處。

•提高了操作人員的安全性。

•降低了在用醫療設備（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。

•電池供電的測試設備。

•由于測試設備輕便，測試工程師的靈活性增強了。

•由于醫療設備停機時(shí)間縮短而降低成本。

•測試設備更高性?xún)r(jià)比。