对医用电气设备漏电流测试的几点认识.doc

对医用电气设备漏电流测量的几点认识
(刘宗航、陈永强、张春英
摘要:医用电气设备漏电流的特殊性决定了其分类、测量网络和测试设备的独特性,通 过与 GB4943-2001和 GB8898-2001标准的比较, 详细介绍了医用电气设备漏电流的分类, 测试网络的来源和测试设备的具体要求。作为第三方的检测机构,医用电气设备漏电流 测试设备该如何进行期间核查。
关键词:医用电气设备 漏电流
在学习理解 GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分 : 安全通用要求》第 19条 “ 连 续漏电流和患者辅助电流”时,很自然的寻找起 GB9706.1-2007与 GB 4943-2001《信息 技术设备的安全》 、 GB8898-2001《音频、视频及类似电子设备 安全要求》相关内容的特 殊点。 (表达能否更简洁些?
该条款制定的前提和目的有什么特殊性?医用电气设备漏电流的分类有什么特别之 处?医用电气设备漏电流测试网络有什么特殊要求?针对医用电气设备漏电流测试设备 本身有什么特殊要求?(能否改成陈述句??这些都是每个测试人员在学习理解标准 时都必须重点关注的。
一、医用电气设备漏电流测量的特殊性
电气电子产品安全标准都对 “ 泄漏电流”提出了安全要求, 但 “ 泄漏电流”在不同的 标准中有不同的表达概念,如接触电流、保护导体电流、绝缘特性、漏电流等。 GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分 : 安全通用要求》标准采用“漏电流”这个术语 作为医用电气设备上的非功能性电流。该电流会对与设备接触的人体或动物造成潜在的 伤害。
医用电气设备的适用对象和使用环境非常特殊, 在漏电流测量和选定限值时必须充分 考虑下列情况:
1 患者由于生病、 神经系统、 药物麻醉或感觉运动障碍等原因无法产生正常的条件反射;
2 患者、操作者由于治疗的原因而使皮肤阻抗降低,失去对电流的正常防护能力;
3 患者长时间与多台电气设备相连接;
4 患者、操作者因治疗或检查的需要,从而使患者本身成为电路的一个组成部分。 所以医用电气设备的漏电流规定相对其他电气设备的规定要严格很多。
二、医用电气设备漏电流的分类
通常电气电子产品对泄露电流会做出不同的分类,如 GB4943-2001《信息技术设备的 安全》 将接触电流划分为 “未连接到保护接地的可触及的零部件和电路”的接触电流、 “ 设 备电源保护接地端子(如果有 ”的接触电流和“传入通信网络和来自通信网络的接触电 流” 。 GB8898-2001《音频、视频及类似电子设备 安全要求》将接触电流划分为“任意两 个零部件或接触件之间”的接触电流和“任意一个零部件或接触件与试验时所用电源的 任意一极之间”的接触电流。
GB9706.1-2007医用电气设备的漏电流分为:对地漏电流 earth leakage current、 外壳漏电流 enclosure leakage current、患者漏电流 patient leakage current和患者 辅助电流。
1、对地漏电流 earth leakage current(见图 1 :由网电源部分穿过或跨过绝缘流入保 护接地导线的电流。

图 1 对地漏电流
2、外壳漏电流 enclosure leakage current(见图 2 :在正常使用时从操作者或患者可 触及的外壳或外壳部件 (应用部分除外 , 经非保护接地导线的外部导电连接流入大地或 外壳其他部分的电流。

图 2 外壳漏电流
3、患者漏电流 patient leakage current:从应用部分经患者流入地的电流,或是由于 在患者身上出现一个来自外部电源的非预期电压而从患者经 F 型应用部分流入地的电流。 患者漏电流又分三种情况。
1 从应用部分经过患者流入地的漏电流(见图 3

图 3 应用部分经过患者流入地的漏电流
2 由于在患者身上意外地出现一个来自外部电源的电压而从患者经 F 型应用部分流入地 的电流。 (见图 4

图 4 来自外部电源的电压而从患者经 F 型应用部分流入地的电流
3 与治疗(检测中的设备的信号输入或信号输出部分相连的设备产生故障,从而导致 在设备的信号输入或信号输出部分出现一个来自外部电源的电压而从 F 型应用部分经患 者流入地的漏电流。 (见图 5

图 5 外部电源的电压而从 F 型应用部分经患者流入地的漏电流
4、患者辅助电流 patient auxiliary current(见图 6 :正常使用时,流经应用部分部 件之间的患者的电流,此电流预期不产生生理效应。例如放大器的偏置电流、用于阻抗 容积描记器的电流。

图 6 患者辅助电流
三、医用电气设备漏电流测试网络的特殊要求
1、电子产品接触电流测量网络
GB8898-2001《音频、视频及类似电子设备 安全要求》和 GB 4943-2001《信息技术 设备的安全》均采用 GB/T12113( idt IEC 60990中图 4所描述的测量网络,进行泄露电 流测试。 GB8898-2001《音频、视频及类似电子设备 安全要求》第 9.1.1条规定:“ 按 GB/T12113-1996的规定使用本标准附录 D 的测量网络进行接触电流的测量” 。经过对比, GB8898-2001标准附录 D 的测量网络与 GB/T12113( idt IEC 60990中图 4所描述的测量 网络一致(见图 7 。 GB 4943-2001《信息技术设备的安全》第 5.1.6条规定:“ 使用图 D1的测量仪器测量电压 U2的有效值或者使用图 D2的测量仪器测量电流的有效值。如果 波形是非正弦波,谐波频率超过 100Hz , D1测量仪器能给出比 D2测量仪器更精确的测量 值。 换一种方法, 使用图 D1所述的测量仪器测量电压 U2的峰值。 经过对比, GB 4943-2001标准图 D1的测量网络与 GB/T12113( idt IEC 60990中图 4所描述的测量网络也是一致 的(见图 7 。

图 7 加权接触电流(感应电流或反应电流测试网络
2、 GB9706.1-2007的 MD 漏电流测量网络
GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分 : 安全通用要求》 标准图 15给出了漏电流基 础测量网络(见图 8 。和 GB/T12113中图 4所采用的测量网络对比,可以发现:
GB9706.1-2007所使用的也是测量感知 /反应电流网络。 只是用 1k Ω的阻性阻抗代替原来 的人体阻抗网络, 并调整了 RC 滤波器的参数。 为了方便漏电流测量值与标准限值的比较,
测量电压有效值除以阻性阻抗 1k Ω就得到了漏电流的测量有效值。

图 8 漏电流基础测量网络
图 8所示的测量网络只适用于频率不超过 1kHz , 电流或电流分量值不超过 10mA 的漏 电流测量。 GB9706.1-2007标准规定:“漏电流测量仪器必须具备从直流到 1MHz 的连续频 率响应” 。为了增大测量的频率响应范围, 将上述测量网络改良为图 9所示的无源低通滤 波测试网络(MD 电路 。
MD 电路使频率为 1kHz 以下的电流顺利通过, 1kHz 以上的电流频率衰减为 1kHz 的电 流
kHz RC f H 110
015. 0101212164≈××××==−ππ 频率 1kHz 以下时,开关 S 放在 1档;当频率超过 1kHz 时,开关 S 放在 2档。
随着频率的增高,在输入电压不变的情况下,输出测量电压随着频率的升高而降低。 当频率超过 1kHz 时,所输出测量电压已远远偏离实际电压,也就是测量漏电流随频率的 增加而减少。

图 9 无源低通滤波测试网络(MD 电路
四、医用电气设备漏电流的测试设备特殊要求
电气电子产品标准普遍采用两种传统的技术测量接触电流, 一是测量保护导体中的实
际电流，二是采用一个简单的电阻器-电容器网络代表人体模型测量泄漏电流，两种方法 都是把接触电流定义为流过电阻器的电流，并习惯上将其作为正弦波来处理，取有效值 作为测量结果，因为测量有效值最为方便。 GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分: 安全通用要求》标准第 19 条规定： “漏电 流测量仪器必须具备从直流到 1MHz 的连续频率响应， 对任意波形的电压经全波整流后均 要按有效值指示，示值误差小于 5％。 ”根据标准规定，GB4943-2001 和 GB8898-2001 适 用的常规泄漏电流仪是不能直接采用到 GB9706.1-2007 标准的。 必须解决以下几个问题： 1测量波形的问题 常规的泄漏电流仪采用的 AC/DC 转换器是运算放大器和二极管组成的半波（或全波） 线性整流电路，这种电路只能测量标准无失真的正弦波，对于非正弦波信号会出现严重 偏差。医疗器械的漏电流通常是非正弦波形，使用常规的泄漏电流仪测量必然要产生严 重偏差。 2连续频率响应的问题 由于受到运算放大器特性的限制，即使采用高速运放，最高频率响应也不会超过 100kHz。 加上常规的泄漏电流仪在低频段 （<20Hz） 会产生空白区， 无法满足 GB9706.1-2007 标准规定： “漏电流测量仪器必须具备从直流到 1MHz 的连续频率响应”的要求。 3测试探头的极性和自适应问题 医用电气设备的漏电流， 其方向和大小在一段时间内是不断变化的， 测量设备应该具 有测试探头无极性和自适应的功能。 4测量设备的自我保护问题 常规的泄漏电流仪通常采用过流熔断、 过压击穿短路等保护方式， 这种保护电路一旦 起作用，测试就无法继续下去，同时要求操作人员手动恢复。而医用电气设备的漏电流， 其测试设备的保护电路要求在测试过程中能自动调节，以便检测能够继续正常进行。 为了克服上述问题，医用电气设备的漏电流测量设备采用以下两点解决方案： 1）采用 RMS 真有效值检测电路 RMS 检测电路能精确实时地测量各种波形的电参数值而不用考虑波形参数及失真度 的大小。 具有高准确度(30Hz-1MHz 的误差＜0.25%、 良好的线性度(非线性误差＜0.02%、 较宽的动态电流范围、响应速度快、使用简便等优点。 采用 RMS 电路解决了设备关于测量波形、 连续频率响应、 测试探头的极性和自适应问 题。
2可自动复位的过压保护电路（见图 10） 采用可自动复位的过压保护电路， 保证了测量设备在测试过程中能自动调节， 自动恢 复，方便检测能够正常进行。 图 10 可自动复位的过压保护电路 五、医用电气设备漏电流测试设备的期间核查 期间核查的概念： 在测试设备相邻两次校准或检定期间, 采用可信的方法对其使用功 能及测量性能进行的一种核查, 以验证其是否得到有效维持, 即旨在确认测试设备校准 状态的可信程度。 按照ISO/IEC17025-2005 《检测和校准实验室认可准则》 要求,实验室需要对有使用频 次高的、使用环境恶劣的、对检测结果有重大影响的、移动使用的、漂移较大、稳定性 较差的、用于现场检测的、曾经过载或怀疑有质量问题的测试设备等进行期间核查。 期间核查的方法有多种, 可根据实验室及其检测、 被测样品的特点, 从测试设备的特 性以及经济性、实用性、可靠性、可行性等方面综合考虑。期间核查并不需要对测试设 备的所有测试功能、全部测试范围进行核查, 主要针对需要使用以及漂移较大的功能、 测试范围或测试点进行核查即可。期间核查时应排除诸如人员、环境等因素的影响。 GB8898-2001《音频、视频及类似电子设备 安全要求》和GB 4943-2001《信息技术设 备的安全》中接触电流的测试设备通常采用50Hz定频信号的期间核查方法 图 11 信息电子产品接触电流测试设备的期间核查方法 如图 11 所示：使用普通的信号发生器作为信号输入源，产生 50Hz 定频正弦信号，该
信号加在测试电路的输入端，将接触电流测试设备设定在与地隔离的状态，接触电流测 试设备的测试探头与信号发生器的输出端相连。输出 1V r.m.s 电压信号，读取接触电流 测试设备的测试值 y1（如测试值是电流参数的有效值，则乘以阻性负载 1KΩ换算成电压 参数的有效值） ，与表 1 所列 50Hz 对应的输出电压值 y2（r.m.s）比较。 判别准则为│y1- y2│≤1.414*U，若偏差在控制范围内，则认定接触电流测试设备 满足期间核查的要求。U──扣除由系统效应引起的标准不确定度分量后的扩展不确定 度。 图12 医用电气设备漏电流测试设备的期间核查方法 GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分: 安全通用要求》中医用电气设备的漏电流 测试设备可以使用下述期间核查方法 如图 12 所示：推荐美国安捷伦产函数/任意波形发生器 33220A（见图 13）作为信号 输入源，产生从直流到 1MHz 的正弦信号，该信号加在 MD 电路的输入端，将漏电流测试 设备设定在外壳漏电流测试状态（仪器输入端与地隔离） ，漏电流测试设备的测试探头与 33220A 输出端相连。 33220A 按表 1 所列频率参数输出不同频率的 1V r.m.s 电压信号，读取漏电流测试设 备的测试值 y1（如测试值是电流参数的有效值，则乘以阻性负载 1KΩ换算成电压参数的 有效值） ，与表 1 所列输出电压值 y2（r.m.s）比较。 判别准则为│y1- y2│≤1.414*U，若偏差在控制范围内，则认定漏电流测试设备满 足期间核查的要求。U──扣除由系统效应引起的标准不确定度分量后的扩展不确定度。 图 13 美国安捷伦产函数/任意波形发生器 33220A 表1 漏电流测试设备的期间核查对比表
输入信号频 率 输出电压 y2 （V r.m.s） 输入信号频 率 输出电压 y2 （V r.m.s） 0 Hz 10 Hz 50Hz 100Hz 500Hz 1kHz 1 0.99996 0.99889 0.99559 0.90459 0.72773 5kHz 10kHz 50kHz 100kHz 500kHz 1MHz 0.20758 0.10551 0.021216 0.01061 0.0021221 0.001061 当期间核查发现测试设备性能超出预期使用要求时， 应立即停止使用并进行维修, 在 重新检定或校准表明其性能满足要求后方可投入使用。 同时立即采取适当的方法或措施, 对上次核查后开展的检测数据进行追溯，以尽可能减少和降低设备失准而造成的风险， 有效地维护实验室和顾客的利益。 实验室应从自身资源、 技术能力、 测量设备的重要程度, 以及追溯成本和可能产生的 风险等因素, 综合考虑期间核查的频次。通常建议医用电气设备漏电流测试设备的期间 核查次数是1次/月。 六、结尾 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。测试人员/检验人员应认真学习掌握GB9706.1-2007标准的相关内容，做好医用电气 设备的安全检测工作。