醫用電氣設備漏電流的產生原因

漏電流是醫用電氣設備的重要安全指標之一。據有關資料報導，美國平均每年有1200多人在常規診斷和治療過程中因觸電死亡，因漏電流過高而受到電擊傷害的更是不計其數。在我國醫療電氣設備安全防護水平還沒有達到先進國家水平，漏電流的限制更應該在醫用電氣設備設計中加以慎重考慮。本文從對地漏電流、接觸電流、和患者漏電流三種形式的漏電流的形成原因進行分析，以提高人們對醫用電氣設備漏電流的認識。

漏電流的是客觀存在的，是可以計算出來的。漏電流的產生主要存在兩種形式，一種是容性電流，即電流跨過電容器流經過的電流(本文不考慮相位差)；一種是阻性電流，即電阻兩端存在電壓差，而形成的電流，只存在於應用部件。

說起容性電流，我們先說說電容，電容是由兩個相互絕緣的導體所構成的器件。由於絕緣介質是不導電的，在外電源作用下，兩極導體上能分別存貯等量的異性電荷，外電源撤走後，這些電荷依靠電場力的作用，互相吸引，能在極板上長時間保存下來。電容能存貯電荷，電荷是構成電流的最基本單位，電容貯存電荷的能力跟兩極板的面積成正比，和距離成反比。就是說，兩極板越大，距離越近，貯存的電荷就會更多。電容會貯存電荷，但電容極性之間存在電壓差時，就如一個電池，當兩極之間構成通電迴路時，就會釋放電荷，形成電流。見式（1）：

式（1）中表明：在某時刻電容的電流取決於該時刻電容電壓的變化率。電容電壓變化越快，即dt/du 變化越大，則電流就越大。如果是直流電壓，變化率為零，即電流為零，所以電容有隔直流通交流的作用。

阻性電流的形成方式比較簡單，產品設計時為了防止電流過大，可以在迴路中加限流電阻，對於我們經常接觸到的外殼，通常採用隔離的手段來限制漏電流。對於一些應用部件，是用電流來採集生理信號的，這個電流如果過大就會產生危險，這時，通常會用限流的方式來防止電流過大，使用限流電阻是最常用的方式，見圖3c)中的電阻部分，是典型的用電阻來限流方式。

下面我們用一些等效電路來分析漏電流產生的依據。

1.對地漏電流的形成（圖 1）

上圖 1 中的Y1 和Y2 表示濾波電容，C1 和C2 表示分布電容。濾波電容是作為元器件存在的，這個容易理解，但分布電容是什麼器件？和普通的電容有區別嗎？分布電容是指由非電容形態形成的一種分布參數。一般是指在印製板或其他形態的電路形式，在線與線之間、印製板的上下層之間形成的電容。分布電容是符合電容的定義的，因為導線之間的面積和距離的關係，這種電容的容量很小，但對漏電流的貢獻有一定的影響。在對印製板進行設計時一定要充分考慮這種影響，尤其是在工作頻率很高的時候。例如開關電源的工作頻率較高，它的分布電容只要增大一點也會對對地漏電構成較大的影響.

在設備通電的時候，相線L 和保護接地線PE 之間存在著電壓差，這個電壓是一個按正弦波形式不斷變化的電壓。根據式i(t)=C*(du/dt)，其中C＝C1+Y1或C=C2+Y2的大者，可以計算出電流i(t)來。為了減少漏電流，最主要是把電容量降下來，因為對於電網電壓來說，dt/du是固定的，只有在電容上進行改變，一是降低分布電容，二是取較低容量的濾波電容。這裡有一個矛盾的地方，濾波電容越大，濾波的效果就越好，抗電磁騷擾能力就更強。為了同時滿足這兩種要求，在能滿足漏電流的情況下，儘量把Y1和Y2的值取得更大。

設備在正常狀態的時候，相線L和中性線N經過變壓器T1源邊繞組是接通的，見圖1，這個時候相線L和PE之間存在一個242V電壓和50Hz的電流，而中性線N和PE之間的電壓差為零。這時，電網電源和PE之間的總電容C(正常)=C1+Y1,或電流逆向的時候為C(正常)＝C2+Y2,電流頻率和電壓還是50Hz242V，根據i(t)(正常)=C(正常)*(du/dt)可以算出其漏電流來。當S1斷開的時候，因開關的阻值變得無窮大，從相線L到S1點上的電壓均為242V，電流頻率為50Hz，即電容C1、Y1、C2和Y2為並聯關係，電源電路到PE之間的總電容C(單一)＝C1＋Y1＋C2＋Y2，計算的漏電流為i(t)(單一)=C(單一)*(du/dt)，因C(單一)＞C(正常)，故i(t)(單一)＞i(t)(正常)。一般情況下，應把相線到保護地的電容值和中性線到保護接地的電容值設計成一致，即C1+Y1 ≈C2+Y2，所以單一故障時的對地漏電流也約為正常狀態時的兩倍。

在對地漏電中，沒有人會在設計時把一個電阻串接在電源線路和保護接地線上，所以這部分的漏電流只是產生交流電流，不會產生直流電流，同理，接觸電流也是這樣。

2.接觸電流的形成

接觸電流也是可以用電容來分析的，下圖2是一個接觸電流等效電路圖。

我們在進行接觸電流試驗時，是用一張手掌大的銅箔貼著外殼進行試驗的，銅箔是接地的。在導線和銅箔之間隔著空氣或是一些固體絕緣體，是符合電容的結構的，這也是一種分布電容。在上圖2中，C1是網電源部分和外殼的分布電容，給C1充電的電參數為220V50Hz。C2是逆變器和顯示屏幕之間的分布電容，給C2充電的電參數為900V80kHz。從dt/du可以看出，給C2充電的dt/du變化率更大。一般設備的接觸電流，越靠近高頻高壓的地方，洩漏的接觸電流會更大，所以液晶顯示屏的接觸電流比其他絕緣外殼的接觸電流會更大些。

斷開保護接地線對接觸電流的影響是很大的，主要分兩種情況存在。一是斷開保護接地線前是保護接地的可觸及外殼；二是原來就沒有保護接地的外殼。對於可觸及的保護接地金屬影響，有人會說，國家標準不是說只對未保護接地外殼才有接觸電流的嗎？而且這個接觸電流的測試和對地漏電流測試一樣的，這不是多此一舉嗎？確實，我們的GB9706.1中對接觸電流（外殼漏電流）是有這樣的定義：從在正常使用時操作者或患者可觸及的外殼或外殼部件（應用部分除外），經外部導電連接而不是保護接地導線流人大地或外殼其他部分的電流。首先，我們要明確的是，我們測量接觸電流和對地漏電流作用的目的不一樣，對地漏電流是從保護接地導線流過的電流，不應被人體觸及。第二，單一故障狀態時保護接地導線被斷開，這時，設備已經是沒有保護接地的了，這時設備的外殼結構跟II類設備的外殼結構沒有兩樣。第三，很明了，就是人體接觸到設備部件流經人體的電流，這電流不叫接觸電流能叫什麼呢？

對於沒有保護接地外殼的I類產品，當斷開保護接地時，設備內部對外殼的電壓會增高，從而使接觸電流增高。

3.患者漏電流的形成

患者漏電流按電流流經途徑分兩種，一是從患者電路流經人體到大地；二是來自外部的電壓從已浮地的患者經應用部分跨過絕緣層到達保護接地（見圖3）。圖3a中中間電路和患者電路雖然是隔離的，但因為隔離部分存在的分布電容，在分布電容充放電的時候，使得電容的電流經患者流向大地（患者保護接地是常見現象）。即使患者和大地是隔離的，但患者電路和保護接地線路還是存在著一些分布電容，假如意外情況下，患者碰到一個非直流的電流，這個電流也會有部分通過這個分布電容而流向大地（見圖3b）。圖3c表示這樣的一種結構，應用部分為達到因治療或診斷的需要，不可避免的向患者輸出一些電流，這種結構的應用部分可以和上一級迴路是沒有隔離，但應用部分的輸出端用可靠的限流電阻使輸出的電流限值在某個範圍以內，這個限流阻抗還不能是一個，必須有多個的組合，因這種情況下的患者漏電要高限流阻抗來保證，就必須要求在某一個限流電阻失效的情況下還必須能把漏電流限制在合理範圍之內。

圖3患者漏電流原理

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