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您的耐压测试仪(Hipot)安全吗? 电气安规测试的十个为什么?
  • 发布日期:2021-12-17      浏览次数:1293
    • 前  言:

      耐压(Withstanding)、绝缘(Insulation Resistor)、接地电阻(Ground Bond)是电气安规测试仪的测试功能,其中的耐压测试是用电设备出厂前的必测项目,虽然这些测试应用广泛,但是许多工程师还是存在着一些知其然却不知其所以然的问题,在这份应用白色皮书中我们整理了十个最常见的问题,从基本面来探讨这些问题的解答。这十个问题分别是:

      1、耐压测试的电压要设置多少? 为何耐压测试的电压比工作电压高那么多?

      2、为何有三种测试波形?

      3、测试时间要设定多久?

      4、耐压仪器的容量如何选择?

      5、绝缘体及绝缘崩溃的定义?

      6、按照绝缘崩溃的定义,如何避免误判?

      7、发现电弧ARC、闪络(Flashover)是否意味绝缘已崩溃?

      8、绝缘电阻与耐压的测试顺序,通过绝缘电阻测试后可以不测耐压吗?

      9、高压的耐压测试是否会损坏电路中昂贵的芯片?

      10、接地与导通性量测的差别?

      除了这十个常见的问题外,因为高压仪器(用于绝缘电阻量测或耐压测试的仪器)的安全隐患,所以IEC制定了对于高压仪器的最新规范IEC-61010-2-034来确保工程师使用仪器的安全,本文也将探讨这些安全隐患以及仪器厂商的因应对策,让您在分析绝缘材料或产测时得以安全地完成测试任务,最后我们将从研发到产测的测试计划及设备选购提供有效的建议。

      电气安规测试的十个为什么?

      一、耐压测试的电压要设置多少? 为何耐压测试的电压比工作电压高那么多?

      此相片 (作者: 未知的作者) 已透过 CC BY-SA 授权

      图一输配电系统示意图

      红色是发电设施(包含电厂的发电机组及升压变压器);蓝色是输电设施(采取765、500、345、230及135kV高压传输的目的是为了减少输电线路上的损失);绿色是配电设施;黑色是客户端(大型工厂为特高压用电138、161或230kV;中型工厂为超高压用电26、69kV;小型工厂为高压用电4、11、13、22kV;住家、商家用电为110、120、220、240V)。

      图二 家用、商用的配电示意图

      绝缘材料的耐压测试是以材料所处的输配电线位置可能产生的最大瞬变电压为依据,瞬变电压的来源包含雷击、线路中电感性负载切换的感应电压、接地不良、静电放电(ESD)、市电故障排除等,输配电系统每一段的最大瞬变电压皆不相同,以住家、商家的110~240V为例,瞬变电压会达1000伏特(图三),GE公司在住宅电力在线纪录24小时的瞬变电压结果。

      图三 瞬变电压

      我们常见的耐压测试公式:1000V+两倍的工作电压,便是基于图三的研究,绝缘材料须可承受配电位置可能的瞬变电压1000V,而两倍的工作电压是工作电压再加上一个工作电压当余裕度(Margin)以确保用电设施的绝缘是安全无虞的。

      另一个瞬变电压的线索可以从EN61010-2-030标准的量测类别得知,仪器的量测类别分为CAT II(插座到用电设备一次侧)突波峰值电压2500伏、CAT III(插座到配电盘的无熔丝开关)突波峰值电压4000伏、CAT IV(配电盘到低压配电装置) 突波峰值电压6000伏。

      二、为何有三种测试波形?

      耐压测试的波形有三种:分别是交流,直流、还有冲击波(Impulse)。

      使用交流波形测试最为标准单位接受,原因在于交流波形与我们实际的用电环境相同,正半周、负半周皆有测试,对于待测物(DUT)的杂散电容,交流波形没有充放电的议题,这些都是交流波形的优点,但交流波形也有缺点,缺点的部分我们会在第四题中以测试的等效电路来说明,产测时通常以泄漏电流作为合格(Pass)/不合格(Fail)的判断准则,使用直流波形的目的是为了解决交流波形测试的泄漏电流量测误差较大的问题。

      最后一种波形是冲击波(Impulse),冲击波(Impulse)是模拟输配电线路上的实际波形样貌,瞬变电压分为脉冲型与震荡型,冲击波(Impulse)模拟雷击等脉冲型瞬变电压,变电、输配电系统中使用的装置,例如:断路器、隔离器,绝缘碍子等便需要用这种波形来测试。

      总而言之:测试波形是为了还原真实使用环境的波形样貌或解决测试上的议题。

      三、测试时间要设定多久?

      耐压测试分为研发阶段的型式测试(Type test)与量产时的例行性测试(Routine test), 型式测试在研发阶段从绝缘材料的选用、组成模块到雏型机等阶段都要进行测试,雏型机型式测试的测试时间是60秒,如果是对材料或模块进行余裕度验证(Margin verification)则会进行破坏性实验,测试电压与测试时间皆以实验到材料或模块发生绝缘崩溃为止。

      例行测试(Routine test)因为考虑产能与测试成本,所以测试时间多半为1~3秒,为了弥补测试时间变短可能无法检出不良品的议题,通常会将测试电压提高10~20%。对于一些不容出错的应用或是对自身质量要求高的厂商,还是会用形式测试的60秒作为例行测试的时间。

      注意事项:以上的测试时间是指在待测物(DUT)上已建立足够的测试电压为前提。

      建立足够的测试电压:交流耐压必须考虑从零点启动到建立设定的测试电压所需的时间;直流耐压必须考虑杂散电容与滤波电容的充电时间,电容器的特性是时变的电压会产生电流,电容不允许电压瞬间变化。

      电容不允许电压瞬间变化,电压的变化从上式(2)中可以看出受到两个变量的影响,第一个变量是充电电流(I charge)、第二个变数是电容值(C)。

      假设一个线路中充电电流是1uA、杂散电容是0.0025uF,如果我们要在这个电容上建立1500V的电压,带入(2)式后计算得知每1秒的上升电压为400V,要建立一个1500伏特的时间需要花3.75秒,这是物理特性上的限制。

      所以在测试前最好用LCR表量测一下待测物的等效电容,这样有助于精准的确认所需的上升时间,从这个说明也可以理解到直流耐压测试的一个缺点,就是电容的充电与放电时间会影响产测的测试产能。

      四、安规耐压仪器的容量如何选择?

      图四为待测物的等效电路,接下来我们来讨论在问题二中留下的议题,为何需要直流耐压的测试与交流耐压测试泄漏电流量测误差大的原因。

      图四:待测物的等效电路

      IR是流过绝缘电阻的电流;IC是流过等效电容(包含杂散电容与滤波电容)的电流,IT是耐压机量到的泄漏电流,IC=VTest/XC,XC=1/2πfC,在交流耐压测试时,频率f为60Hz,当电容C越大时,XC便越小、IC就越大,造成的泄漏电流IT的误差就越大。

      如果改采直流呢? 频率f为0Hz,XC为无穷大,IC为0,所以量到的IT泄漏电流=IR,不会造成误差。

      在绝缘电阻上要建立足够的测试电压,用直流的波形测试所需的电流较小,相对交流而言便较为安全。

      从等效电路解释完交/直流耐压在准确度上的议题后,接下来回到主题,耐压机的容量如何选择?目前市面上的耐压机有100VA/200VA/250VA/500VA等可选择,以5000V为例,500VA可提供100mA,200VA可提供40mA,要用多少容量其实是取决于要有多大的电流来维持测试电压,我们期待在待测的绝缘电阻上建立足够的测试电压来确认绝缘是否良好,但是当绝缘崩溃时,绝缘电阻会下降,此时的电流如果不足(容量不足)便无法在这个电阻值下降的电阻上建立足够的电压。这个现象类似直流电源供应器从CV模式转到CC模式,当绝缘电阻很大时(负载电流小),当绝缘崩溃时,绝缘电阻变小(负载电流变大),此时便需要容量来支撑,所以在研发单位或第三方实验室需要做材料的破坏性实验会需要500VA的容量,而产测的例行测试最常选择100VA的机种,其原因在于到了大量生产时产品的良率是很高的,以绝缘电阻100MΩ为例,建立5000V的测试电压,负载电流不过50uA;建立1500V的测试电压,负载电流不过15uA,以100VA的容量来看绰绰有余,当然如果是交流耐压还需考虑等效电容的影响。

      在此我们总结一下交流耐压与直流耐压测试的优缺点:

      交流耐压

      优点
      1、与真实环境波形相同,因此受标准青睐
      2、正半周、负半周都测试
      3、对待测物的等效电容没有充放电时间的议题

      缺点
      1、因为等效电容的电流造成泄漏电流的量测误差
      2、整体的测试电流较大,可能需要购买更大的容量,如果工程师误触输出端相对而言较为危险。

      直流耐压

      优点
      1、泄漏电流的量测准确度高
      2、整体的测试电流较小,购买时可能降低容量的成本,如果工程师误触输出端,相对于交流而言较为安全。

      缺点
      1、仅测试半周
      2、须对电容充电、放电,会增加测试的时间

      五、绝缘体及绝缘崩溃的定义?

      在电学的教科书中,常以电阻率来定义导体(低于10-5Ω˙m)、半导体(电阻率介于导体与绝缘体之间)、绝缘体(高于108Ω˙m),在此定义下铜是导体,空气是绝缘体,但从自然界中的闪电/雷击现象,可得知绝缘是有条件的,只要电压够高,绝缘体也能变成导体,再从微观的角度观察,铜是导体,奈米铜却是绝缘体;碳是绝缘体,奈米碳却是导体,由此可见宏观与微观的物理特性可能改变,以下是维基百科对绝缘体的定义:绝缘体(英语:Insulator),又称介电质或绝缘子,是一种阻碍电荷流动的材料。在绝缘体中,价带电子被紧密的束缚在其原子周围。这种材料在电气设备中用作绝缘体,或称起绝缘作用。其作用是支撑或分离各个电导体,不让电流流过,这段描述可简化为放诸四海皆准的最佳定义:绝缘体不让电流流过。

      了解绝缘体的定义后,接着说明绝缘崩溃的定义,以下是UL/IEC 60950-1章节5.2.2对于绝缘崩溃的原文叙述如下:

      Insulation breakdown is considered to have occurred when the current that flows as a result of the application of the test voltage rapidly increases in an uncontrolled manner, that is the insulation does not restrict the flow of the current.

      绝缘崩溃的认定是:待测绝缘所流经之电流已经可以随测试电压的上升而产生对应的电流(失控地陡升),也就是说,待测绝缘已经无法有效地于测试电场强度下限制电流的增长。气态与液态的绝缘物质具备绝缘崩溃的可逆性,当造成绝缘崩溃的高压消失后可恢复到绝缘的状态,而固态绝缘则不具备此可逆性,一旦绝缘崩溃对其绝缘能力便造成长年性的伤害。

      六、按照绝缘崩溃的定义,如何避免误判?

      大多数的标准在耐压测试的允收标准上仅说明测试的电压,在此电压及测试时间内不能造成绝缘崩溃,仅有少数的产测标准是定义泄漏电流不能超过多少电流。绝缘及绝缘崩溃的简要口诀为:绝缘体不让电流流过,当绝缘体上的跨压越来越大时,导致电流失控的陡升称为绝缘崩溃,所以这个叙述的V-I特性曲线如图五。

      图五:绝缘崩溃的V-I特性曲线

      传统采用绝对值泄漏电流可能的误判影响:产线的泄漏电流允收标准如何决定?有些公司是采用平均值法,透过样品的测试,计算平均值后加上25%作为允收上限,或以对人体会产生危害的30mA泄漏电流值作为管制上限(配电上的漏电断路器一般也以30mA作为动作电流),人体感知电流的影响,请见表二。

      如果您的待测物价值不斐,采用绝对值泄漏电流的方式可能造成假失败,因为绝缘崩溃的定义是要看到电流失控的陡升,所以能够看到测试结果的V-I特性曲线对于研发阶段的材料验证与单价昂贵产品的产线测试非常重要,目前固纬电子的GPT-9900系列、GPT-12000/15000系列电气安规分析仪皆具备V-I特性曲线扫描功能,不会造成误判的损失,实测结果请见图七。

      人体感知电流的影响

      图六:假失败的影响

      图七:GWInstek GPT-12000/15000系列电气安规分析仪的V-I绝缘崩溃案例


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