医用电气设备接地研究

摘要：以电工实验设备常见的故障为对象，以小波变换、神经网络等为技术手段，通过对实际故障排查案例的分析和研究，对几种诊断方式的依据、特点、适用范围进行比较，并对各种诊断方法在电力、电气设备的故障诊断中的应用进行了研究。

关键词：故障诊断；小波变换；神经网络

引言

电工实验设备是各高校、科研机构和工厂中常见的一种教学、研究和测量仪器设备。因其使用率高，操作强度大，动作频繁且工作环境较复杂，导致故障率也处于较高水平。对设备进行维修，首先要有一套科学、先进、合理的故障诊断办法，然而现行的诊断办法主要依靠经验和简单的技术手段。随着仪器设备的集成化程度提高，电气、电子器件的更新换代，沿用的诊断办法和手段已经无法满足实际需要。

1诊断方法

1.1几种常用经验法经验法对某些设备的简单故障诊断能起到一定的效果。（1）弹压诊断法：主要用于一些动作部件的故障诊断，如开关、按钮、接触器等，通过反复弹压来提高部件的灵活度来检测和解决部分接触不良导致的故障；（2）观测诊断法：主要用于设备故障原因的外部特征较为明显时使用，如短路导致的线路毁损、元器件松懈脱落和设备的过载等；（3）检测诊断法：这里指利用万用表等简单仪器，通过对电压、电流、电阻等参数的测量来判断故障部位和原件的方法，是经验法中最为常用的，但检测效率较低，有时存在误判，对集成化程度高、技术先进的电气设备不适用；（4）常用的经验法还有状态分析法、测温法、置换法等[1-2]。1.2BP神经网络模型诊断法1.2.1建立电气设备故障诊断知识库本文以故障产生规则表现形式，以一个规则产生一个结论，且前提之间为“与”关系建立表1所示的知识库。1.2.2建立诊断电气设备故障神经网络如图1，其中x为故障情况输入向量，假设为n种，引起故障的原因数量设为m，y为输出向量。有输入层神经元数量为n，隐藏层神经元数量为h，输出层神经元数量为m。输入层、隐藏层两者的权重为Wij，输出层、隐藏层两者的权重为Wij，隐藏层的神经元数量为[n2+1，3n]。样本训练如下：对Wij和Wjk随机赋予初值，且条件必须

〔摘　要〕结合GB9706.1-2007标准要求，对医用电气设备中的保护接地、功能接地和电位均衡进行介绍，旨在帮助医用电气设备的设计和测试人员更好地理解标准。

〔关键词〕医用电气设备；接地；电气安全接地指出于安全或功能目的而将设备的某些部分与地进行连接，在医用电气设备中，存在保护接地、功能接地和电位均衡这3种接地方式。GB9706.1-2007[1]是国内现行有效的医用电气设备的通用安全标准，本研究结合GB9706.1-2007标准要求，对上述3种接地方式进行介绍，同时，对应用中的一些常见问题予以说明。1保护接地保护接地是Ⅰ类医用电气设备采用的一种重要的防电击安全措施，在设备外壳金属部件与网电源部件之间的绝缘程度能达到基本绝缘，但未能达到加强绝缘或双重绝缘的位置，将外壳金属部件与供电系统的保护接地导体进行低阻抗连接，这样，在基本绝缘失效的单一故障状态下，故障电流从基本绝缘失效点开始，经由设备的保护接地通路，流入供电设施的保护接地导体。在这一过程中，故障电流会触发设备过流保护装置动作，切断设备电源，从而使外壳金属部件不再带电。有关保护接地阻抗测试中需要注意的问题，韩晓鹏等[2]已经进行了详细的讨论，此处不再赘述。GB9706.1-2007标准的18b）中规定：“保护接地端子应适合于经电源软电线的保护接地导线，以及合适时经适当插头，或经固定的永久性安装的保护接地导线，与设施中的保护导线相连。”从上述要求可以看出，设备的保护接地端子与供电设施中保护导线的连接方式只有两种：一种是通过电源软电线中的保护接地导线进行连接，另一种是采用固定的永久性安装的保护接地导线进行连接。在检测工作中，我们发现有些可移动设备既可以通过电源软电线中的保护接地导线进行接地，又配备有一个独立的保护接地端子，当对供电设施保护接地的完整性有疑问时，可以通过该端子进行保护接地。表面上看，这种结构没有问题，但仔细分析一下，我们就可以发现问题的所在，可移动设备是指“不论是否与电源相连，均能从一个位置移动到另一个位置，且移动范围没有明显限制的设备”，如果采用上述的独立的保护接地端子进行保护接地，根据标准要求，只能采用固定的永久性安装的保护接地导线，“固定的”是指该保护接地导线在空间位置上是固定的，不用工具无法进行移动，“永久性安装的”是指不用工具就不能断开该保护接地导线与设备的保护接地端子以及供电设施中的保护导线的连接。可以想象，这样的保护接地导线会限制设备的移动，所以，为可移动设备配备固定的永久性安装的保护接地导线是不现实的。因此，对于可移动设备，只能通过电源软电线中的保护接地导线进行保护接地。如果设备实际使用场合的保护接地完整性存在问题的概率很高，则可以考虑将设备设计为Ⅱ类，Ⅱ类设备的安全不依赖于设施中保护接地的完整性。

2功能接地

出于功能目的而将设备某些部分与地进行连接，这种接地方式被称为功能接地，换句话说，断开功能接地只会影响设备的性能，而不会影响设备的安全。Ⅰ类设备或Ⅱ类设备上均可能采用功能接地，甚至内部电源设备也不排除采用功能接地的可能。本研究接下来重点对Ⅱ类设备采用功能接地的情况进行讨论。在Ⅱ类医用电气设备中采用功能接地的情况并不少见，对于采用3根导线的电源软电线供电的带有隔离的内部屏蔽的Ⅱ类设备，GB9706.1-2007标准的6.5c）、18l）和57.6条中已有明确的要求，本研究不对这类情况作进一步讨论。本研究接下来讨论功能接地不是用于内部屏蔽的情况，对于适用于这类情况的Ⅱ类设备，在GB9706.1-2007标准中没有找到相关要求，由于标准总是有其自身的局限性，它不可能覆盖到与设备相关的所有风险，所以，尽管标准中没有要求，但我们依然在检测工作中发现功能接地不是用于内部屏蔽的Ⅱ类设备存在一些安全隐患，建议制造商注意以下两个方面：（1）功能接地与网电源之间的隔离宜达到网电源相反极性间（以下简称A-f）隔离的水平。A-f隔离的目的为避免网电源相反极性间意外短路，使得设施中过流保护装置动作，进一步造成设施中其他设备的供电中断，产生不可接受的风险。同理，功能接地与网电源之间的隔离若不充分，也会造成同样的安全风险。如果每根供电导线上都装有保护装置（如熔断器或过流释放器），则保护装置的供电一侧的隔离宜达到A-f的隔离水平，而保护装置的设备侧的隔离可以不作要求；如果只有一根供电导线上装有保护装置，则设备内部功能接地与网电源之间的隔离宜达到A-f隔离的水平，或可以接受在未达到A-f隔离的水平的位置，模拟短路且未产生不可接受的风险。（2）流过功能接地导线的漏电流与流过保护接地导线的对地漏电流，都会引起流过供电设施保护接地系统电流的增加，因此，流过功能接地导线的漏电流宜不超过对地漏电流的限值，这一要求在国际电工委员会的最新版医用电气设备标准IEC60601-1：2012的8.7.3f）[3]中已经得到了体现。

3电位均衡

由于设备在工作过程中产生的对地漏电流都会流入供电设施的保护接地导体，因此，保护接地导体的不同位置上会具有不同的电位。例如，同一个房间内不同插座的保护接地点上会具有不同的电位，电位差的大小取决于两点之间流过电流的大小以及两点之间保护接地导体阻抗的高低，如果该房间内使用了1台以上的设备，在这些设备接地外壳之间就会存在电位差，这个电位差会威胁到设备周边人员的安全，如果这些设备都配有电位均衡端子（电位均衡端子通常与设备的保护接地连接在一起），通过电位均衡导线将每台设备的电位均衡端子均连接到供电设施的电位均衡汇流排上，可减小不同设备外壳间的阻抗，最终降低它们之间的电位差，这就是电位均衡的作用。GB9706.1-2007标准中没有要求设备配备电位均衡端子，如果该类设备有对应的专用安全标准，则仍要遵循专用安全标准中的要求。如果该类设备没有对应的专用安全标准或专用安全标准中也没有要求，则制造商需要根据设备的结构以及使用环境来评估配备电位均衡端子的必要性。如果设备配备了电位均衡端子，则应符合GB9706.1-2007标准中18e）的要求，YY0570-2013[4]标准中的图101给出了一种可行的电位均衡连接装置的结构图，当然，使用其他结构的连接装置，如果能符合上述18e）的要求，同样是可以接受的。综上所述，本研究所述的接地仅考虑了电气安全方面的要求，并未涉及电磁兼容方面的内容，建议读者在设计接地时应综合考虑电气安全和电磁兼容的要求，以减少检测阶段的整改，缩短检测周期。

作者：韩晓鹏 魏红霞 梁振士 任新颖 单位：北京市医疗器械检验所