電氣絕緣性能的估算強度測試和絕緣耐壓崩潰定義等技術

電氣絕緣性能的估算強度測試和絕緣耐壓崩潰定義等技術
電氣強度測試(Electric Strength Test)是產品安全測試領域中常見的電氣測試項目之一，幾乎所有涉及到電氣絕緣強度的*估都一定會包含所謂的“打耐壓”測試，也因此電氣強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度測試進行全面介紹，從其基本原理的說明，進一步引出安全標準要求的意涵，協(xié)助大家了解并厘清對電氣強度測試的認知。   電池測試儀| 相序表| 萬用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應器|
　　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，也因此當外加電場強度增強時，就有可能把物質由絕緣體變成導體，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)生后再恢復的，條件是外加電場降低至該絕緣的崩潰場強(Breakdown Field Strength，即造成崩潰所需之電場強度)以下，也因此氣體或液體絕緣常被稱為可恢復的絕緣(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。
　　絕緣性能的估算
　　電氣強度測試即是用于確認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，也是決定電力設備及其元件最終使用壽命的關鍵因素。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度(Dielectric Strength)來表示。均強電場下，介電強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，當電介質中含有水分、氣泡及細微雜質時，亦可使得崩潰場強降低。
　　電氣強度測試的意義
　　基本上，電氣強度測試的測試電壓通常大于設備工作電壓，或者換言之，當設備可能暴露于特定過電壓等級(Overvoltage Category)并大于設備存在的工作電壓時，對絕緣的允收標準就必須拉高到過電壓等級。反之，當設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。所以電氣強度測試的第一要務就是提供一個預期待測絕緣可能暴露的電場強度。
　　電氣強度測試是要驗證該電氣絕緣是否能夠符合標準所規(guī)范的最小要求，進而確保電氣隔離(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。電氣強度測試也常常運用于機械性測試或故障模擬測試之后，以確認絕緣能力是否依然存在。生產在線的電氣強度測試可以檢驗因組裝而產生的機械性絕緣受損，也可發(fā)現(xiàn)設備是否有外物進入等。
　　此外，電氣強度測試可用于對設備本體所提供的絕緣阻抗做一次全面的體檢，也適用于檢驗某材料的崩潰場強是否大于實際應用可能承受之電場強度。
　　絕緣崩潰的定義
　　絕緣崩潰的認定是：待測絕緣所流經的電流已經可以隨測試電壓的上升而產生對應的電流(失控地陡升)，也就是說，待測絕緣已經無法有效地于測試電場強度下限制電流的增長。電暈放電(Corona Discharge)與單一瞬間的閃絡(Flashover)并不會被認定為絕緣崩潰。該定義基本上是符合現(xiàn)今科技的認知。
　　絕緣并聯(lián)于提供直流路徑(d.c. Path)的元件
　　電氣強度測試中，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。在實務電氣強度測試中，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預設的觸發(fā)電流為10mA，所有通過絕緣的電流假設為12mA，只要通過電流足以維持定值，按標準是不可以判定為絕緣崩潰。
　　因此，大膽推斷，電氣強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。
　　電氣強度測試的假失敗
　　我們無法否認觸發(fā)電流的設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“使用設定觸發(fā)電流當作絕緣崩潰的判定依據(jù)”為假設，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，當待測絕緣在測試電壓下的介電電流確為定值，且不及標準所定義之絕緣崩潰，一旦該電流大于預設之觸發(fā)電流就會推翻此立論，假失敗便會產生，對于原先符合標準要求的設備或材料即會判為不符合。
　　在標準中，未定義介電電流的標準值，換句話說，觸發(fā)電流的設定亦不存在一個絕對解。因此，當耐壓機觸發(fā)時，應更進一步確認待測絕緣是否崩潰，例如：通過示波器監(jiān)測介質電流，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，明確之后進而改善標的物。電氣和電子工程師協(xié)會所制訂的標準IEEE 95的第八章：故障位置診斷(Fault Location)對此有進一步的信息。
　　耐壓測試儀器的技術要求
　　也因此，相較于觸發(fā)電流的設定值，更應關注以下議題：預期短路電流(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備的容量。如果我們說某一高壓測試設備內部之高壓變壓器(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)有直接的關系，它的變化也牽動著該測試設備是否可以有足夠的電磁轉換能力正確無誤地提供所需的測試電壓。
　　
　　雖然UL/IEC 60950-1并未規(guī)范此一參數(shù)，但通過其絕緣相關的母法IEC 60*-1(低壓受電設備之絕緣協(xié)調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，建議高壓產生設備之輸出短路電流不得小于200mA，且符合IEC 61180-2(對于低壓設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也是傾向較高的設定;而生產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)范預期短路電流不得小于200mA;觸發(fā)電流亦不得小于100mA。其它產品標準，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?
　　大家普遍的認知是兩者之間的轉換，意即交流與直流的測試電壓可以通過sqr 2自由轉換。就技術上，交流與直流(交流值乘上根號2)電壓所提供的電氣應力并非完全相等。比較正確的作法是依循該待測絕緣承受電氣應力的形式而定，例如：變壓器正常是受交流型式的電氣應力的，所以應以交流電壓來實施。當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一步的定義;IEC 61180-2則提供測試設備之儀器校驗與量測不確定度的相關要求。
　　結語
　　產品的絕緣性能好壞，可以通過電氣強度測試進行*估，然而測試的結果取決于環(huán)境、人為、對測試數(shù)值的判定等因素影響，因此了解電氣強度測試的立意，并考慮實際在量測儀器上的操作，將有助于電氣強度測試的準確*估。