ГОСТ IEC 60990-2023. Межгосударственный стандарт. Методы измерения тока прикосновения и тока защитного проводника
Приложение H
(справочное)
АНАЛИЗ СХЕМ ИЗМЕРЕНИЙ ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ
С ЧАСТОТНОЙ ФИЛЬТРАЦИЕЙ
В настоящем приложении приведен метод измерения сигналов сложной формы в соответствии с документами, входящими в серию IEC TS 60479.
Современные осциллографы обеспечивают точную информацию об измеренных числовых значениях сигналов в процессе измерения. Обычными измерениями являются измерения действующих и пиковых значений, а также значений удвоенной амплитуды форм сигналов. В настоящем приложении установлено, как использовать приведенные данные для правильного определения необходимого результирующего значения, которое должно сравниваться с пределом, указанным в стандарте на конкретное изделие.
IEC TS 60479-2 рассматривает специальные аспекты, относящиеся к сложности сигналов, создаваемых современным электронным ОБОРУДОВАНИЕМ, которое легко переключает значительные напряжения для получения напряжений или тока, адаптированных для специального использования в ОБОРУДОВАНИИ.
В IEC TS 60479-2:2007 (подраздел 5.2) установлено, что "Большинство физиологических эффектов связано с фильтруемым пиковым током (по величине и продолжительности) с естественным фильтром тела человека, определяемым частотным коэффициентом F. Пиковое значение тока должно использоваться во всех случаях, кроме... (указаны случаи) чистого синусоидального тока".
Фильтры частотного коэффициента, установленные в настоящем стандарте, соответствуют графикам кривых частотного коэффициента, приведенным в IEC TS 60479-2, расширенным до частоты 1 МГц, которая является исторической разделительной частотой между электрической безопасностью и электромагнитной совместимостью, как показано в приложении F. Это расширение основано на общем медицинском понимании проводимости тока внутри тела человека, включая постоянное увеличение допустимого тока до конечной частоты, что приводит к такому же уменьшению специально измеряемых эффектов. Для упрощения измерений эти фильтры реализованы как инверсия кривых частотного коэффициента.
Для проведения измерения ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ в соответствии с документами, входящими в серию IEC TS 60479, включая положения о частотном коэффициенте, в настоящем стандарте предоставлены две схемы измерения ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ, которые соответствуют кривым частотного коэффициента IEC TS 60479-2 для следующих случаев:
- схемы со взвешиванием для реакции испуга (ранее называвшаяся восприятием) - рисунок 4;
- схемы со взвешиванием для отпускания иммобилизации (ранее называвшаяся неотпусканием) - рисунок 5.
Результаты анализа для схем с частотной фильтрацией, приведенных на рисунках 4 и 5, который был проведен по программе моделирования интегральных схем (SPICE) с использованием простых для анализа обычных форм сигналов, приведены ниже. Несмотря на то, что показано только два цикла, такой анализ применим к непрерывным формам сигнала ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ. При анализе рассчитывают ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ, который равен частному от деления U(выход), мВ, на 500 Ом, как показано на графике. В результате расчета получают единицы измерения ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ, мА (мВ/Ом), привязанные к оси Y (вертикальной оси/оси ординат) графика.
Примечание - Разъяснение наименования формы выходного сигнала SPICE:
Частное от деления U(выход), мВ/500 Ом равно взвешенному ТОКУ ПРИКОСНОВЕНИЯ и x, мВ/Ом, является равным x, мА, ТОКУ ПРИКОСНОВЕНИЯ, рассчитанному с использованием выходного напряжения при измерениях на основе схемы с фильтром для реакции испуга (рисунок 4) или отпускания иммобилизации (рисунок 5).
Примеры биполярных сигналов
Биполярные сигналы переменного тока включают в себя:
- синусоидальные волны (наиболее распространенный пример); и
- несинусоидальные формы сигналов, создаваемые с помощью электронной коммутации в изделиях для распределения и использования энергии.
Простым примером является сигнал треугольной формы частотой 50 Гц (длительностью 20 мс), показанный на рисунках H.1 и H.2.
Рисунок H.1 - Треугольная форма сигнала ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ
для схемы реакции испуга
Рисунок H.2 - Треугольная форма сигнала ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ
для схемы отпускания иммобилизации
Условия на входе такие же, как для эквивалентной синусоидальной формы сигнала, но результаты отличаются. Пиковое значение, показанное в таблице H.1, представляет собой размах амплитуды, деленное на 2. В приведенном выше примере пиковый ток находится на уровне 5 мА, но действующее значение ниже уровня 3,5 мА. Измерение пикового значения должно использоваться для достоверного сравнения уровня опасности, которую ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ представляет для тела человека. В этом случае, действующее значение, используемое в качестве показателя соответствия, указывает на предельное значение, которое будет ниже предельного значения для синусоидального сигнала, обуславливая необоснованное ощущение доступной защиты.
Таблица H.1
Сопоставление характеристик для сигнала треугольной формы
Схема/Ответный ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ | ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ, I, мА | |
Пиковое значение | Действующее значение | |
Реакция испуга, I [U(выход) мВ/500 Ом] | 4,98 | 2,868 |
Отпускание иммобилизации, I [U(выход) мВ/500 Ом] | 5,05 | 2,869 |
Компонент фильтра схемы ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ должным образом воздействует на высокочастотные компоненты для каждой формы сигнала.
Другим простым примером, представляющим интерес, является прямоугольная форма сигнала частотой 50 Гц, показанная на рисунках H.3 и H.4.
Рисунок H.3 - Прямоугольная форма сигнала ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ
с длительностью фронта импульса 1 мс, реакция испуга
Рисунок H.4 - Прямоугольная форма сигнала ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ
с длительностью фронта импульса 1 мс, отпускание
иммобилизации
Устойчивое значение ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ составляет 5 мА, но пиковое значение (равное размаху амплитуды, деленному на 2) в каждом случае выше, как показано в таблице H.2.
Таблица H.2
Сопоставление характеристик для сигнала прямоугольной формы
Схема/Ответный ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ | ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ, I, мА | |
Пиковое значение | Действующее значение | |
Реакция испуга, I [U(выход) мВ/500 Ом] | 6,39 | 4,991 |
Отпускание иммобилизации, I [U(выход) мВ/500 Ом] | 8,758 | 5,054 |
Схема для отпускания иммобилизации пропускает через фильтр более высокочастотный ток, поэтому пиковое значение выше.
Для быстро нарастающего тока ключевым фактором для пикового ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ является время нарастания. Для этого типа сигнала длительность нарастания может привести к увеличению ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ в два раза, как показано на графике зависимости ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ от времени нарастания, представленном на рисунке H.5.
Сравнение времени нарастания импульса
- ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ, реакция испуга;
- ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ, отпускание иммобилизации
Рисунок H.5 - График зависимости ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ
от времени нарастания для сигнала длительностью 20 мс
прямоугольной формы
Сведения о формах сигналов ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ были опубликованы для десятков единиц современного ОБОРУДОВАНИЯ <1>. Применение устройств переключения сети, включая попытки восстановить синусоидальный входной ток [коррекция коэффициента мощности (PFC)] и, в последнее время, повышение энергоэффективности источников питания с переключаемым режимом (SMPS), привело к более сложным формам сигналов ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ. Одна из наиболее сложных форм показана на осциллограмме A на рисунке H.6.
--------------------------------
<1> Данные о сравнительных ТОКАХ ПРИКОСНОВЕНИЯ, Перкинс, 2006. Набор из более чем двух десятков сигналов ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ от различного оборудования; размещена на www.safetylink.com, поиск по perkins.
Рисунок H.6 - Форма сигнала ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ источника
питания с переключаемым режимом (SMPS) с коррекцией
коэффициента мощности (PFC)
Пример монополярной формы сигнала
Наиболее распространенными примерами монополярных сигналов являются монополярные сигналы ОБОРУДОВАНИЯ, использующего постоянный ток. Особый интерес представляют переключатели постоянного тока, которые рассматриваются в настоящем приложении и показаны на рисунках H.7 и H.8.
Указано действующее значение
Рисунок H.7 - Сигнал прямоугольной формы частотой
50 Гц, время нарастания 0,1 мс, реакция испуга
Указано действующее значение
Рисунок H.8 - Сигнал прямоугольной формы частотой 50 Гц,
время нарастания импульса 0,1 мс, отпускание иммобилизации
Для монополярных сигналов используют пиковое значение ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ. Выброс над верхней частью импульса постоянного тока учитывают при измерении, отрицательный выброс не учитывают.
Таблица H.3
Сопоставление характеристик для монополярного сигнала
прямоугольной формы
Схема/Ответный ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ | ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ, I, мА | |
Пиковое значение | Действующее значение | |
Реакция испуга, I [U(выход) мВ/500 Ом] | 8,031 | 5,006 |
Отпускание иммобилизации, I [U(выход) мВ/500 Ом] | 9,716 | 5,037 |
Как указано ранее, время нарастания влияет на значения выброса и пиковое значение ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ, которые приведены в таблице H.3.
Примеры смешанного переменного/постоянного тока
В IEC TS 60479-2:2007 на рисунке 7 показано пиковое значение порога тока отпускания иммобилизации для комбинаций синусоидального переменного тока частотой 50/60 Гц и постоянного тока, выраженное в мА. Пиковое значение составного сигнала переменного и постоянного тока, выраженное в мА, при пороговом значении тока отпускания иммобилизации, оцененное для популяции людей, включая детей, показано как функция компоненты постоянного тока, выраженная в мА.
График на рисунке 7 IEC TS 60479-2:2007 представлен следующим уравнением для составного тока:
ACpk + DC = 7,176(-0,1434·DC) - 0,1061 + DC.
Указанные эффекты связаны с пиковым значением тока, и для оценки общего эффекта они должны быть объединены по частоте. Схема измерения такого тока приведена в настоящем стандарте.
В примере, приведенном ниже, описано использование схем, приведенных в настоящем стандарте для измерения смешанного переменного/постоянного ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ, и их корректная оценка в соответствии с приведенным выше уравнением. Рисунок H.9 повторяет рисунок 7 IEC TS 60479-2:2007, но включает некоторые дополнительные данные форм сигналов, обсуждаемых в настоящем приложении.
Примечание - Составная форма сигнала, показанная в IEC TS 60479-2:2007, рисунок 7, приведена на приведенном ниже графике рисунка 9 и обозначена ACpknDC, например ACpknDCex1 и ACpknDCex2. Обозначения постоянного тока имеют аналогичные названия в соответствии с разъяснениями, приведенным ниже.
- ACpknDC;
- ACpknDCex1;
- ACpknDCex2
Рисунок H.9 - Пороговое значение тока отпускания
иммобилизации для комбинаций переменного и постоянного тока
в соответствии с IEC TS 60479-2 с дополнительными данными
Процедура включает указанные ниже действия.
Выбирают максимальное пиковое абсолютное значение составной формы сигнала (значения ТОКА ПРИКОСНОВЕНИЯ в таблицах выделены жирным шрифтом) для отображения на графике как ACpknDC. Значение пикового эквивалента (pk-ev) рассчитывают на основе действующего значения и результат вычитают из максимального пикового значения, чтобы получить значение постоянного тока, необходимое для построения графика. Значения, полученные в результате измерений, могут быть нанесены на тот же график, что и кривая для сравнения, как это выполнено в настоящем приложении, или, альтернативно, значение постоянного тока может быть введено в уравнение для составного тока, чтобы рассчитать ACpk + DC и сравнить со значением, полученным в результате измерений, обозначенном как A CpknDC.
Типовой пример 1
Настоящий пример 1 (приведен на рисунке H.10) содержит анализ смешанного сигнала отпускания иммобилизации.
Рисунок H.10 - Типовой пример 1 - отображение
действующего значения
Оценка воздействия приведена в таблице H.4.
Таблица H.4
Оценка смешанной формы сигнала ACnDC, типовой пример 1
Реакция | ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ, мА | |
Пиковое значение | Действующее значение | |
Отпускание иммобилизации | 7,281 96/минус 15,7882 | 5,644 6 мА (действующее значение) Pk-ev: 5,644 6·1,414 = 8 (пиковое) 15,79 - 8 = 7,79 (постоянный ток) |
Значения, выделенные жирным шрифтом в таблице, соответствуют нанесенным на график значениям (с учетом округления) на рисунке H.10. | ||
Для графической оценки на график наносят следующие значения:
- ACpknDCex1 = 15,8;
- DCex1 = 7,79.
Типовой пример 2
В настоящем примере 2 рассмотрен смешанный случай, который приведен на рисунке H.11 и в таблице H.5.
Рисунок H.11 - Типовой пример 2 - отображение
действующего значения
Таблица H.5
Оценка смешанного импульса ACnDC, типовой пример 2
Реакция | ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ, мА | |
Пиковое значение | Действующее значение | |
Отпускание иммобилизации | 9,524 69/минус 7,24719 | 4,0854 мА (действующее значение) Pk-ev: 4,0854·1,414 = 5,7776 (пиковое) 9,5247 - 5,7776 = 3,7471 (постоянный ток) |
Значения, выделенные жирным шрифтом в таблице, соответствуют значениям, нанесенным на график (с учетом округления) на рисунке H.11. | ||
Для графической оценки на график наносят следующие значения:
- ACpknDCex2 = 9,52;
- DCex2 = 3,75.
Результат оценки в каждом из примеров находится выше кривой отпускания иммобилизации, и ТОК ПРИКОСНОВЕНИЯ не превышает предельные действующие значения тока отпускания иммобилизации 5 мА и 7 мА пикового значения, установленные IEC TS 60479-2.
Подписаться на обновления