衡量電氣絕緣性能的電氣強(qiáng)度測(cè)試相關(guān)技術(shù)分析

電氣強(qiáng)度測(cè)試(Electric Strength Test)是產(chǎn)品安全測(cè)試領(lǐng)域中常見(jiàn)的電氣測(cè)試項(xiàng)目之一，幾乎所有涉及到電氣絕緣強(qiáng)度的*估都一定會(huì)包含所謂的“打耐壓”測(cè)試，也因此電氣強(qiáng)度測(cè)試也被稱(chēng)作耐壓測(cè)試，其常見(jiàn)的英文用語(yǔ)包括：Dielectric Voltage Withstand Test、High Potential Test、Hipot Test等。本文將針對(duì)用以衡量電氣絕緣性能的電氣強(qiáng)度測(cè)試進(jìn)行全面介紹，從其基本原理的說(shuō)明，進(jìn)一步引出安全標(biāo)準(zhǔn)要求的意涵，協(xié)助大家了解并厘清對(duì)電氣強(qiáng)度測(cè)試的認(rèn)知。

　　基本原理闡述

　　絕緣體并非完全沒(méi)有可移動(dòng)的電子，只是比例上數(shù)目很少，也因此當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，就有可能把物質(zhì)由絕緣體變成導(dǎo)體，形成所謂的絕緣崩潰(Insulation Breakdown)。

　　若絕緣是以氣體或液體形式存在，其絕緣性能是可以在絕緣崩潰發(fā)生后再恢復(fù)的，條件是外加電場(chǎng)降低至該絕緣的崩潰場(chǎng)強(qiáng)(Breakdown Field Strength，即造成崩潰所需之電場(chǎng)強(qiáng)度)以下，也因此氣體或液體絕緣常被稱(chēng)為可恢復(fù)的絕緣(Renewable Insulation)。但若絕緣是以固體形式存在，通常發(fā)生絕緣崩潰后就無(wú)法再繼續(xù)提供原有的絕緣功能。

　　絕緣性能的*估

　　電氣強(qiáng)度測(cè)試即是用于確認(rèn)該絕緣在特定電場(chǎng)作用下是否仍能保持所需之絕緣性能的重要指針，也是決定電力設(shè)備及其元件最終使用壽命的關(guān)鍵因素。絕緣的崩潰電壓通常受材料的組成、厚度、環(huán)境條件及電極形狀、布置等因素影響。材料抵抗電場(chǎng)作用的能力通常以介電強(qiáng)度(Dielectric Strength)來(lái)表示。均強(qiáng)電場(chǎng)下，介電強(qiáng)度定義為樣品崩潰電壓與其厚度之比，單位常為MV/m，比方說(shuō)，石英(Quartz)可達(dá)8MV/m，而空氣一般則分布于0.4MV/m(針狀電極)至3.1MV/m(平版電極)的區(qū)間。此外，當(dāng)電介質(zhì)中含有水分、氣泡及細(xì)微雜質(zhì)時(shí)，亦可使得崩潰場(chǎng)強(qiáng)降低。

　　電氣強(qiáng)度測(cè)試的意義

　　基本上，電氣強(qiáng)度測(cè)試的測(cè)試電壓通常大于設(shè)備工作電壓，或者換言之，當(dāng)設(shè)備可能暴露于特定過(guò)電壓等級(jí)(Overvoltage Category)并大于設(shè)備存在的工作電壓時(shí)，對(duì)絕緣的允收標(biāo)準(zhǔn)就必須拉高到過(guò)電壓等級(jí)。反之，當(dāng)設(shè)備的工作電壓高于過(guò)電壓等級(jí)時(shí)，測(cè)試電壓就不能小于該工作電壓。所以電氣強(qiáng)度測(cè)試的第一要?jiǎng)?wù)就是提供一個(gè)預(yù)期待測(cè)絕緣可能暴露的電場(chǎng)強(qiáng)度。

　　電氣強(qiáng)度測(cè)試是要驗(yàn)證該電氣絕緣是否能夠符合標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的最小要求，進(jìn)而確保電氣隔離(例如：隔離變壓器)不至崩潰，而讓使用者可觸及的區(qū)域暴露于危險(xiǎn)電壓下。電氣強(qiáng)度測(cè)試也常常運(yùn)用于機(jī)械性測(cè)試或故障模擬測(cè)試之后，以確認(rèn)絕緣能力是否依然存在。生產(chǎn)在線的電氣強(qiáng)度測(cè)試可以檢驗(yàn)因組裝而產(chǎn)生的機(jī)械性絕緣受損，也可發(fā)現(xiàn)設(shè)備是否有外物進(jìn)入等。

　　此外，電氣強(qiáng)度測(cè)試可用于對(duì)設(shè)備本體所提供的絕緣阻抗做一次全面的體檢，也適用于檢驗(yàn)?zāi)巢牧系谋罎?chǎng)強(qiáng)是否大于實(shí)際應(yīng)用可能承受之電場(chǎng)強(qiáng)度。

　　絕緣崩潰的定義

　　絕緣崩潰的認(rèn)定是：待測(cè)絕緣所流經(jīng)的電流已經(jīng)可以隨測(cè)試電壓的上升而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流(失控地陡升)，也就是說(shuō)，待測(cè)絕緣已經(jīng)無(wú)法有效地于測(cè)試電場(chǎng)強(qiáng)度下限制電流的增長(zhǎng)。電暈放電(Corona Discharge)與單一瞬間的閃絡(luò)(Flashover)并不會(huì)被認(rèn)定為絕緣崩潰。該定義基本上是符合現(xiàn)今科技的認(rèn)知。

　　絕緣并聯(lián)于提供直流路徑(d.c. Path)的元件

　　電氣強(qiáng)度測(cè)試中，與待測(cè)絕緣并聯(lián)的阻型或變阻型元件(例如RC濾波電路所使用的泄放電阻或是電壓限制型元件)是可以允許斷開(kāi)的。在實(shí)務(wù)電氣強(qiáng)度測(cè)試中，這些能夠提供一個(gè)直流通過(guò)的路徑元件(即阻型元件)，難以避免地會(huì)增加耐壓測(cè)試機(jī)所偵測(cè)的通過(guò)(Let-through)電流而觸發(fā)蜂鳴器，因而讓測(cè)試人員誤以為絕緣崩潰，也就是所謂的假失敗(False Failure)，例如測(cè)試所采用的耐壓機(jī)預(yù)設(shè)的觸發(fā)電流為10mA，所有通過(guò)絕緣的電流假設(shè)為12mA，只要通過(guò)電流足以維持定值，按標(biāo)準(zhǔn)是不可以判定為絕緣崩潰。

　　因此，大膽推斷，電氣強(qiáng)度測(cè)試主要是考慮阻型電流，根本不考慮或是默許電容性與變阻性所產(chǎn)生的泄漏電流。而電容性與變阻性泄漏電流的元件則是由5.2以外的章節(jié)來(lái)規(guī)范其安全性。

　　電氣強(qiáng)度測(cè)試的假失敗

　　我們無(wú)法否認(rèn)觸發(fā)電流的設(shè)定對(duì)于判定絕緣崩潰確有其方便性、單純又不昂貴，且行之有年并為業(yè)界熟悉及接受。倘若以“使用設(shè)定觸發(fā)電流當(dāng)作絕緣崩潰的判定依據(jù)”為假設(shè)，即表示其待測(cè)絕緣所通過(guò)的介電電流超過(guò)觸發(fā)電流的設(shè)定值即可判定為絕緣崩潰。這個(gè)立論適用于大部分的狀況，然而，當(dāng)待測(cè)絕緣在測(cè)試電壓下的介電電流確為定值，且不及標(biāo)準(zhǔn)所定義之絕緣崩潰，一旦該電流大于預(yù)設(shè)之觸發(fā)電流就會(huì)推翻此立論，假失敗便會(huì)產(chǎn)生，對(duì)于原先符合標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備或材料即會(huì)判為不符合。

　　在標(biāo)準(zhǔn)中，未定義介電電流的標(biāo)準(zhǔn)值，換句話說(shuō)，觸發(fā)電流的設(shè)定亦不存在一個(gè)絕對(duì)解。因此，當(dāng)耐壓機(jī)觸發(fā)時(shí)，應(yīng)更進(jìn)一步確認(rèn)待測(cè)絕緣是否崩潰，例如：通過(guò)示波器監(jiān)測(cè)介質(zhì)電流，不該直接判定失敗，而是通過(guò)診斷的方式找出絕緣崩潰的起始點(diǎn)，明確之后進(jìn)而改善標(biāo)的物。電氣和電子工程師協(xié)會(huì)所制訂的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 95的第八章：故障位置診斷(Fault Location)對(duì)此有進(jìn)一步的信息。

　　耐壓測(cè)試儀器的技術(shù)要求

　　也因此，相較于觸發(fā)電流的設(shè)定值，更應(yīng)關(guān)注以下議題：預(yù)期短路電流(Prospective Short-circuit Current)。此參數(shù)乘以測(cè)試電壓之后的積，可以表示高壓測(cè)試設(shè)備的容量。如果我們說(shuō)某一高壓測(cè)試設(shè)備內(nèi)部之高壓變壓器(如圖1)最高可提供的測(cè)試電壓為5KV且容量是500VA，則其最小預(yù)期短路電流便是100mA。此參數(shù)的大小與該高壓變壓器的阻抗參數(shù)有直接的關(guān)系，它的變化也牽動(dòng)著該測(cè)試設(shè)備是否可以有足夠的電磁轉(zhuǎn)換能力正確無(wú)誤地提供所需的測(cè)試電壓。

　　圖1 耐壓機(jī)的典型方塊圖
　雖然UL/IEC 60950-1并未規(guī)范此一參數(shù)，但通過(guò)其絕緣相關(guān)的母法IEC 60*-1(低壓受電設(shè)備之絕緣協(xié)調(diào)Insulation Coordination for Equipment within Low-voltage System)中可找出蛛絲馬跡。IEC 60*-1章節(jié)6.1.3.4：A.C. Power Frequency Voltage Test交流電源頻率電壓測(cè)試，建議高壓產(chǎn)生設(shè)備之輸出短路電流不得小于200mA，且符合IEC 61180-2(對(duì)于低壓設(shè)備所施行之高壓測(cè)試方法High-voltage Test Techniques for Low-voltage Equipment，Part 2：Test Equipment測(cè)試設(shè)備)，倘若測(cè)試電壓超過(guò)3 KV時(shí)，容量只要不小于600VA者則視為符合。對(duì)于觸發(fā)電流則建議為100mA也是傾向較高的設(shè)定;而生產(chǎn)線耐壓測(cè)試所用則不得小于3.5mA(DC則為10mA)即可。

　　UL/IEC 60065章節(jié)10.3.2更直接規(guī)范預(yù)期短路電流不得小于200mA;觸發(fā)電流亦不得小于100mA。其它產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，諸如UL/IEC 60335-1也有類(lèi)似的要求。故可知其重要程度。

　　交流電壓?或是直流電壓?

　　大家普遍的認(rèn)知是兩者之間的轉(zhuǎn)換，意即交流與直流的測(cè)試電壓可以通過(guò)sqr 2自由轉(zhuǎn)換。就技術(shù)上，交流與直流(交流值乘上根號(hào)2)電壓所提供的電氣應(yīng)力并非完全相等。比較正確的作法是依循該待測(cè)絕緣承受電氣應(yīng)力的形式而定，例如：變壓器正常是受交流型式的電氣應(yīng)力的，所以應(yīng)以交流電壓來(lái)實(shí)施。當(dāng)待測(cè)絕緣存在過(guò)多的并聯(lián)電容時(shí)，直流電壓測(cè)試是可以允許的。

　　UL/IEC 60065 章節(jié)10.3.2有更直接的要求;IEC 60*-1亦有交流與直流測(cè)試電壓進(jìn)一步的定義;IEC 61180-2則提供測(cè)試設(shè)備之儀器校驗(yàn)與量測(cè)不確定度的相關(guān)要求。

　　結(jié)語(yǔ)

　　產(chǎn)品的絕緣性能好壞，可以通過(guò)電氣強(qiáng)度測(cè)試進(jìn)行*估，然而測(cè)試的結(jié)果取決于環(huán)境、人為、對(duì)測(cè)試數(shù)值的判定等因素影響，因此了解電氣強(qiáng)度測(cè)試的立意，并考慮實(shí)際在量測(cè)儀器上的操作，將有助于電氣強(qiáng)度測(cè)試的準(zhǔn)確*估。