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

電氣強(qiáng)度測試(Electric Strength Test)是產(chǎn)品安全測試領(lǐng)域中常見的電氣測試項(xiàng)目之一，幾乎所有涉及到電氣絕緣強(qiáng)度的*估都一定會包含所謂的“打耐壓”測試，也因此電氣強(qiáng)度測試也被稱作耐壓測試，其常見的英文用語包括：Dielectric Voltage Withstand Test、High Potential Test、Hipot Test等。本文將針對用以衡量電氣絕緣性能的電氣強(qiáng)度測試進(jìn)行全面介紹，從其基本原理的說明，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電氣強(qiáng)度測試的認(rèn)知。

　　基本原理闡述

　　絕緣體并非完全沒有可移動的電子，只是比例上數(shù)目很少，也因此當(dāng)外加電場強(qiáng)度增強(qiáng)時，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，條件是外加電場降低至該絕緣的崩潰場強(qiáng)(Breakdown Field Strength，即造成崩潰所需之電場強(qiáng)度)以下，也因此氣體或液體絕緣常被稱為可恢復(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)度測試即是用于確認(rèn)該絕緣在特定電場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。材料抵抗電場作用的能力通常以介電強(qiáng)度(Dielectric Strength)來表示。均強(qiáng)電場下，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，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，亦可使得崩潰場強(qiáng)降低。

　　電氣強(qiáng)度測試的意義

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

　　電氣強(qiáng)度測試是要驗(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)域暴露于危險電壓下。電氣強(qiáng)度測試也常常運(yùn)用于機(jī)械性測試或故障模擬測試之后，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)度測試可用于對設(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鰪?qiáng)是否大于實(shí)際應(yīng)用可能承受之電場強(qiáng)度。

　　絕緣崩潰的定義

　　絕緣崩潰的認(rèn)定是：待測絕緣所流經(jīng)的電流已經(jīng)可以隨測試電壓的上升而產(chǎn)生對應(yīng)的電流(失控地陡升)，也就是說，待測絕緣已經(jīng)無法有效地于測試電場強(qiáng)度下限制電流的增長。電暈放電(Corona Discharge)與單一瞬間的閃絡(luò)(Flashover)并不會被認(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)度測試中，與待測絕緣并聯(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)是可以允許斷開的。在實(shí)務(wù)電氣強(qiáng)度測試中，這些能夠提供一個直流通過的路徑元件(即阻型元件)，難以避免地會增加耐壓測試機(jī)所偵測的通過(Let-through)電流而觸發(fā)蜂鳴器，因而讓測試人員誤以為絕緣崩潰，也就是所謂的假失敗(False Failure)，例如測試所采用的耐壓機(jī)預(yù)設(shè)的觸發(fā)電流為10mA，所有通過絕緣的電流假設(shè)為12mA，只要通過電流足以維持定值，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)來規(guī)范其安全性。

　　電氣強(qiáng)度測試的假失敗

　　我們無法否認(rèn)觸發(fā)電流的設(shè)定對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)，即表示其待測絕緣所通過的介電電流超過觸發(fā)電流的設(shè)定值即可判定為絕緣崩潰。這個立論適用于大部分的狀況，然而，當(dāng)待測絕緣在測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)電流就會推翻此立論，假失敗便會產(chǎn)生，對于原先符合標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備或材料即會判為不符合。

　　在標(biāo)準(zhǔn)中，未定義介電電流的標(biāo)準(zhǔn)值，換句話說，觸發(fā)電流的設(shè)定亦不存在一個絕對解。因此，當(dāng)耐壓機(jī)觸發(fā)時，應(yīng)更進(jìn)一步確認(rèn)待測絕緣是否崩潰，例如：通過示波器監(jiān)測介質(zhì)電流，不該直接判定失敗，而是通過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)會所制訂的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 95的第八章：故障位置診斷(Fault Location)對此有進(jìn)一步的信息。

　　耐壓測試儀器的技術(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)乘以測試電壓之后的積，可以表示高壓測試設(shè)備的容量。如果我們說某一高壓測試設(shè)備內(nèi)部之高壓變壓器(如圖1)最高可提供的測試電壓為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，它的變化也牽動著該測試設(shè)備是否可以有足夠的電磁轉(zhuǎn)換能力正確無誤地提供所需的測試電壓。

　　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(對于低壓設(shè)備所施行之高壓測試方法High-voltage Test Techniques for Low-voltage Equipment，Part 2：Test Equipment測試設(shè)備)，倘若測試電壓超過3 KV時，容量只要不小于600VA者則視為符合。對于觸發(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試電壓可以通過sqr 2自由轉(zhuǎn)換。就技術(shù)上，交流與直流(交流值乘上根號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)以交流電壓來實(shí)施。當(dāng)待測絕緣存在過多的并聯(lián)電容時，直流電壓測試是可以允許的。

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

　　結(jié)語

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