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如何用LOTO示波器安全的测量高电压?

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发表于 2020-6-12 10:40:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
如何用LOTO示波器安全的测量高电压?

本文里我们把几十伏以上,超出对人体安全电压或者超出示波器量程的电压定为高电压,以220V市电举例讨论。
示波器上是有方便自测和探头补偿用的标准方波的,一般是1K Hz。我们的USB示波器上也有这个标准方波,幅值1.5v左右,默认是标准方波,需要时,还可以设置成PWM波,频率占空比可调。
      跑题了,我是在技术支持的过程中遇到关于市电损坏的问题有一大半是由于新人好奇,顺手接到市电上造成的。所以我不得不强调一下,示波器是自带方波可以尝鲜的,新手不要上来就去测市电玩。老司机们很谨慎,是不会这样做的。
      中招的新人们最常问的问题是:
      为什么我用示波器测量市电总是跳闸呢?
为什么我测市电会把示波器烧了呢?
首先我们得了解市电的供电线路及原理,有助于安全用电,安全测量。
火线,零线和地线
我国的市电(居民用电)规格为交流220V@50Hz,供电线路由火线、零线和地线组成,它们的关系如图1.1所示。
火线(L):也称相线,由发电站或变电站提供,电压有效值220V,人体接触会有危险;
零线(N):为火线提供回路,在发电站或变电站端接地;由于是远端接地,因此在居民楼用户端电位不一定为零,可能带弱电,但相对安全;
地线(E):零电势参考点,在居民楼用户端接大地,零电压,绝对安全。

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                    图1 火线、零线和地线的关系
首先要确认示波器量程:
比如LOTO大部分型号的示波器,标配的探头在×1档位下的量程为+-5V,在X10档位下是+-50V.个别型号在×1档位下的量程为+-20V,在X10档位下是+-200V.
但是这个量程还是不够的,因为市电220V其实是指它的等效值。峰峰值电压在600V左右。
那么是不是用100:1的高压无源探头就可以了,理论上是可以的,但是实际中我们还是可能因为使用了错误的测量方法而出问题。
错误的测量方法:
在台式电脑上或者带电源适配器的笔记本电脑上使用LOTO的USB示波器时,外壳金属端与探头的负端(地)均与USB的地线相连,USB的地线又与电脑的地相连,然后与插线板的大地相连。

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这种情况下,当用示波器直接对零线和火线测量时,就会间接地把零线或火线对地线短路(等效于图中红色虚线),非常危险,这也是最常见的错误测量方法。

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               图2 错误的测量方法

不推荐浮地测量方法:
如图3所示,使用隔离变压器的方法对台式机电脑的USB示波器供电,可以达到断开测量回环的目的,实现“浮地”测量。使用笔记本电脑接LOTO示波器的时候,不使用电源适配器的情况下,示波器的地也是浮地的。

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                    图3 浮地测量法

浮地测量时,示波器外壳金属端和探头接地端带有同等电平,并且与被测的高电压的一端短接。所以当测量市电时,如果疏忽了把示波器的接地夹接在了火线上,会让示波器和电脑外壳带有220V的电压,人体一旦接触到示波器外壳,电流会经过人体流入大地,非常危险!

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                      图4 浮地测量安全隐患
不建议的电阻分压测量法:
有些对强电比较熟悉的工程师会想到将220V市电通过电阻分压到一个比较低的电压然后测量。这样就避免了接触高电压的风险。

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如上图所示,使用两只电阻将火线和地之间做100倍的衰减,然后用示波器进行测量:

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这种做法和使用100:1的高压无源探头的原理是一样的:

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从上面的图中可以看到,这种做法是可以成功测量的。之所以不建议,是因为这对操作者有较高的要求,要很熟悉被测高压电路而且要细心不出错。因为一旦疏忽了把线接反了,或者没接好,那么就可能有灾难性的后果。
对普通示波器基于安全角度考虑,使用“A-B”法和高压差分探头对市电测量是非常安全的,下面分别对其进行介绍。
A-B”伪差分测量
采用普通无源探头应用“A-B”法对市电进行测量时,在使用合适的探头衰减比例将电压限定在示波器量程范围内时,可以应将两通道探头的负端(地)均接至电源地线,一个通道的探头探针(正端)接零线,另一个通道的探头探针(正端)接火线(如图5左所示),则两通道的测量差值即为市电波形。

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这种做法也是可以的,不过要注意两个探头都不接地,虽然可以避免热地的问题以及防止反接的问题,但是还是要注意不要超过示波器的量程的。我们更推荐另一种方法,那就是下面介绍的用隔离差分模块测量。
隔离差分模块测量
使用隔离差分模块测量市电,火线和零线测试点正反接都没关系,探头内部通过磁电隔离的方式将测量端的地和示波器的地隔离开来,不会造成短路问题。

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LOTO示波器配套的隔离差分模块并不像传统的高压隔离探头那样两三千元的昂贵,只有一百多大概,但是可以以隔离差分的方式测量+-800V的高压。

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IDM01隔离差分模块是最佳的推荐方式,安全方便。

我们拍了一段两种探头实测市电220V的演示讲解视频如下:
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示波器作为一种很重要的测量仪器,我们应该正确、安全地使用。尤其在测量一些高压信号时,必须弄清各种信号线之间的关系,才能正确地连接被测信号,保证安全测量。


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发表于 2020-6-18 22:01:31 | 显示全部楼层
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