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複雜洩漏電流與電擊安全：峰值 vs. RMS 測試標準

電擊保護是產品安全合規性中的核心要素，特別是在電氣設備的洩漏電流測試中，確保人體不會受到危險的電擊。現行的兩大標準——UL 101和IEC 60990，都針對人體可能接觸到的電流進行測試，但它們的測試方式存在差異：


  • UL 101 以 均方根值（RMS, Root-Mean-Square） 為基準，來設定洩漏電流的測試方法與限制。

  • IEC 60990 則採用 峰值（Peak） 作為衡量標準，並將標準純正弦波形的RMS值乘以 1.414（正弦波的峰值因數）。


在過去的線性電子電路中，這兩種標準的測量結果基本一致，因為洩漏電流通常是純正弦波，但隨著現代技術的進步，例如 家電、LED 照明、開關電源 等產品普遍採用非線性電子電路，洩漏電流波形已經變得更加複雜，往往包含高頻脈衝或混合訊號，這導致傳統上 RMS 與峰值之間的 1.414 倍關係不再適用，進而影響測試標準的準確性；舉例來說，一個 LED 燈管的洩漏電流測試結果顯示：


  • RMS 值為 0.94 MIU

  • 峰值則高達 7.86 MIU


然而，UL 1993 標準規定的上限是 5 MIU RMS（相當於 7.07 MIU 峰值），這導致 RMS 測試合格，但峰值測試不合格的情況，因此，一個關鍵問題浮現：人體對電流的反應究竟是由峰值還是 RMS 值主導？


人體對電流的反應：過去的研究


人體對電流的反應主要取決於通過身體的電流強度。美國學者 Charles Dalziel 於 1940 年代進行了一系列人體實驗，研究人體對電擊的生理影響，包括：


  1. 「無法鬆手」效應（Let-go Current）：當電流強到某個程度時，人可能無法自主放開導體，造成危險。

  2. 「感知門檻」效應（Perception Threshold）：人對電流的最小可察覺感知。


Dalziel 的研究結論認為 60 Hz 正弦波情況下，人體的生理反應是由峰值電流決定的，而非 RMS 值。但這項研究主要基於單一頻率的正弦波或簡單波形（如三角波、方波、整流波等），未能涵蓋現代電子設備中出現的高頻複合波形。這使得他的結論在面對現代洩漏電流波形時，仍然存在爭議。


1985 年 Hart 進行的後續研究：


  • Hart 進一步測試了 混合頻率電流（60 Hz 正弦波 + 30~100 kHz 的高頻分量），發現人體對電流的生理反應仍然更接近 峰值，與 Dalziel 的結論一致。

  • 1997 年，Hart 與 Perkins 進行了更多人體實驗，並將研究結果納入 ANSI C101（即現今 UL 101），但其研究仍主要聚焦於 60 Hz 頻率，未能涵蓋更複雜的洩漏電流波形。


實驗設計


由於過去的研究仍有諸多限制，本研究希望透過 更接近現代電子設備的複合電流波形，來檢驗人體對電流的反應是否由峰值決定。我們設計了一套實驗來進行測試：


  • 設備：

    • 使用一台 訊號混合/放大器，可混合三組不同頻率的電流信號，並內建 60 Hz 正弦波。

    • 設備最大電流輸出限制為 35 mA，最大電壓限制為 120 V RMS，確保安全性。

    • 測試電流從 手臂到手掌 傳輸，以減少電流經過心臟的風險。

  • 受試者：

    • 兩名 40~50 歲男性 志願者。

    • 先讓受試者熟悉 60 Hz 1 mA 的感受，再透過不同頻率的混合波形來測試人體的反應門檻。

  • 測試方法：

    1. 先將 60 Hz 電流調整到 1 mA（RMS）。

    2. 再加入高頻分量，逐漸增加至受試者感到與 60 Hz 電流相同的刺激感。

    3. 測量此時的 峰值與 RMS 值，並計算其與 60 Hz 等效刺激感之間的偏差。


研究結果與討論


研究結果顯示：


  • 人體對複合波形的反應較接近峰值，而非 RMS 值。

  • 當使用個人反應曲線時，RMS 測量結果有所改善，但仍不如峰值準確。

  • UL 101 標準設定的反應門檻較保守，因其目標是保護 95% 以上的人口，因此會比個別測試者的門檻更低。


根據本研究的結果，人體的生理反應與 Dalziel 和 Hart 的結論一致，更趨向於峰值，而非 RMS。然而，我們仍然建議進一步研究：


  • 擴大測試受試者範圍，提高數據的普適性。

  • 測試更多 實際應用中可能出現的複雜洩漏電流波形，例如：

    • 開關電源（Switch Mode Power Supply, SMPS）

    • 變頻驅動（Variable Speed Drive, VSD）

    • 伺服器電源供應器

    • 家用電器


結論


研究結果顯示，人體對電流的生理反應主要取決於峰值電流，而非RMS 值；這就像是拍水的力道，如果你用穩定的力量（類似 RMS 值）將手放進水裡，感受到的衝擊較小；但如果用力快速拍打水面（類似峰值電流），水花四濺、衝擊感更強烈；同樣地，在非線性電子設備（如 LED 燈、變頻家電、開關電源）中，洩漏電流往往包含高頻脈衝，如果只用 RMS 值來評估，可能會低估人體實際感受到的電擊風險。


建議未來的安全標準應考慮：


  1. 針對 非線性電路的複合波形，重新評估峰值與 RMS 在人體安全評估中的適用性。

  2. 進一步收集更大規模的人體反應數據，以確認 峰值是否應作為標準的唯一衡量指標。


這項研究不僅能幫助提升電氣安全標準，也對於電氣產品的測試方法提供更精確的指引，確保消費者使用電子產品時的安全性。


更多細節請參閱 原文網址 >

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