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您的耐壓測試儀(Hipot)安全嗎? 電氣安規測試的十個為什么?

發布日期:2021-12-04  點擊次數: 2  作者:固緯電子

前  言:

耐壓(Withstanding)、絕緣(Insulation Resistor)、接地電阻(Ground Bond)是電氣安規測試儀的測試功能,其中的耐壓測試是用電設備出廠前的必測項目,雖然這些測試應用廣泛,但是許多工程師還是存在著一些知其然卻不知其所以然的問題,在這份應用白皮書中我們整理了十個最常見的問題,從基本面來探討這些問題的解答。這十個問題分別是:

1、耐壓測試的電壓要設置多少? 為何耐壓測試的電壓比工作電壓高那么多?

2、為何有三種測試波形?

3、測試時間要設定多久?

4、耐壓儀器的容量如何選擇?

5、絕緣體及絕緣崩潰的定義?

6、按照絕緣崩潰的定義,如何避免誤判?

7、發現電弧ARC、閃絡(Flashover)是否意味絕緣已崩潰?

8、絕緣電阻與耐壓的測試順序,通過絕緣電阻測試后可以不測耐壓嗎?

9、高壓的耐壓測試是否會損壞電路中昂貴的芯片?

10、接地與導通性量測的差別?

除了這十個常見的問題外,因為高壓儀器(用于絕緣電阻量測或耐壓測試的儀器)的安全隱患,所以IEC制定了對于高壓儀器的最新規范IEC-61010-2-034來確保工程師使用儀器的安全,本文也將探討這些安全隱患以及儀器廠商的因應對策,讓您在分析絕緣材料或產測時得以安全地完成測試任務,最后我們將從研發到產測的測試計劃及設備選購提供有效的建議。

電氣安規測試的十個為什么?

一、耐壓測試的電壓要設置多少? 為何耐壓測試的電壓比工作電壓高那么多?

此相片 (作者: 未知的作者) 已透過 CC BY-SA 授權

圖一輸配電系統示意圖

紅色是發電設施(包含電廠的發電機組及升壓變壓器);藍色是輸電設施(采取765、500、345、230及135kV高壓傳輸的目的是為了減少輸電線路上的損失);綠色是配電設施;黑色是客戶端(大型工廠為特高壓用電138、161或230kV;中型工廠為超高壓用電26、69kV;小型工廠為高壓用電4、11、13、22kV;住家、商家用電為110、120、220、240V)。

圖二 家用、商用的配電示意圖

絕緣材料的耐壓測試是以材料所處的輸配電線位置可能產生的最大瞬變電壓為依據,瞬變電壓的來源包含雷擊、線路中電感性負載切換的感應電壓、接地不良、靜電放電(ESD)、市電故障排除等,輸配電系統每一段的最大瞬變電壓皆不相同,以住家、商家的110~240V為例,瞬變電壓會達1000伏特(圖三),GE公司在住宅電力在線紀錄24小時的瞬變電壓結果。

圖三 瞬變電壓

我們常見的耐壓測試公式:1000V+兩倍的工作電壓,便是基于圖三的研究,絕緣材料須可承受配電位置可能的瞬變電壓1000V,而兩倍的工作電壓是工作電壓再加上一個工作電壓當余裕度(Margin)以確保用電設施的絕緣是安全無虞的。

另一個瞬變電壓的線索可以從EN61010-2-030標準的量測類別得知,儀器的量測類別分為CAT II(插座到用電設備一次側)突波峰值電壓2500伏、CAT III(插座到配電盤的無熔絲開關)突波峰值電壓4000伏、CAT IV(配電盤到低壓配電裝置) 突波峰值電壓6000伏。

二、為何有三種測試波形?

耐壓測試的波形有三種:分別是交流,直流、還有沖擊波(Impulse)。

使用交流波形測試最為標準單位接受,原因在于交流波形與我們實際的用電環境相同,正半周、負半周皆有測試,對于待測物(DUT)的雜散電容,交流波形沒有充放電的議題,這些都是交流波形的優點,但交流波形也有缺點,缺點的部分我們會在第四題中以測試的等效電路來說明,產測時通常以泄漏電流作為合格(Pass)/不合格(Fail)的判斷準則,使用直流波形的目的是為了解決交流波形測試的泄漏電流量測誤差較大的問題。

最后一種波形是沖擊波(Impulse),沖擊波(Impulse)是模擬輸配電線路上的實際波形樣貌,瞬變電壓分為脈沖型與震蕩型,沖擊波(Impulse)模擬雷擊等脈沖型瞬變電壓,變電、輸配電系統中使用的裝置,例如:斷路器、隔離器,絕緣礙子等便需要用這種波形來測試。

總而言之:測試波形是為了還原真實使用環境的波形樣貌或解決測試上的議題。

三、測試時間要設定多久?

耐壓測試分為研發階段的型式測試(Type test)與量產時的例行性測試(Routine test), 型式測試在研發階段從絕緣材料的選用、組成模塊到雛型機等階段都要進行測試,雛型機型式測試的測試時間是60秒,如果是對材料或模塊進行余裕度驗證(Margin verification)則會進行破壞性實驗,測試電壓與測試時間皆以實驗到材料或模塊發生絕緣崩潰為止。

例行測試(Routine test)因為考慮產能與測試成本,所以測試時間多半為1~3秒,為了彌補測試時間變短可能無法檢出不良品的議題,通常會將測試電壓提高10~20%。對于一些不容出錯的應用或是對自身質量要求高的廠商,還是會用形式測試的60秒作為例行測試的時間。

注意事項:以上的測試時間是指在待測物(DUT)上已建立足夠的測試電壓為前提。

建立足夠的測試電壓:交流耐壓必須考慮從零點啟動到建立設定的測試電壓所需的時間;直流耐壓必須考慮雜散電容與濾波電容的充電時間,電容器的特性是時變的電壓會產生電流,電容不允許電壓瞬間變化。

電容不允許電壓瞬間變化,電壓的變化從上式(2)中可以看出受到兩個變量的影響,第一個變量是充電電流(I charge)、第二個變數是電容值(C)。

假設一個線路中充電電流是1uA、雜散電容是0.0025uF,如果我們要在這個電容上建立1500V的電壓,帶入(2)式后計算得知每1秒的上升電壓為400V,要建立一個1500伏特的時間需要花3.75秒,這是物理特性上的限制。

所以在測試前最好用LCR表量測一下待測物的等效電容,這樣有助于精準的確認所需的上升時間,從這個說明也可以理解到直流耐壓測試的一個缺點,就是電容的充電與放電時間會影響產測的測試產能。

四、安規耐壓儀器的容量如何選擇?

圖四為待測物的等效電路,接下來我們來討論在問題二中留下的議題,為何需要直流耐壓的測試與交流耐壓測試泄漏電流量測誤差大的原因。

圖四:待測物的等效電路

IR是流過絕緣電阻的電流;IC是流過等效電容(包含雜散電容與濾波電容)的電流,IT是耐壓機量到的泄漏電流,IC=VTest/XC,XC=1/2πfC,在交流耐壓測試時,頻率f為60Hz,當電容C越大時,XC便越小、IC就越大,造成的泄漏電流IT的誤差就越大。

如果改采直流呢? 頻率f為0Hz,XC為無窮大,IC為0,所以量到的IT泄漏電流=IR,不會造成誤差。

在絕緣電阻上要建立足夠的測試電壓,用直流的波形測試所需的電流較小,相對交流而言便較為安全。

從等效電路解釋完交/直流耐壓在準確度上的議題后,接下來回到主題,耐壓機的容量如何選擇?目前市面上的耐壓機有100VA/200VA/250VA/500VA等可選擇,以5000V為例,500VA可提供100mA,200VA可提供40mA,要用多少容量其實是取決于要有多大的電流來維持測試電壓,我們期待在待測的絕緣電阻上建立足夠的測試電壓來確認絕緣是否良好,但是當絕緣崩潰時,絕緣電阻會下降,此時的電流如果不足(容量不足)便無法在這個電阻值下降的電阻上建立足夠的電壓。這個現象類似直流電源供應器從CV模式轉到CC模式,當絕緣電阻很大時(負載電流小),當絕緣崩潰時,絕緣電阻變小(負載電流變大),此時便需要容量來支撐,所以在研發單位或第三方實驗室需要做材料的破壞性實驗會需要500VA的容量,而產測的例行測試最常選擇100VA的機種,其原因在于到了大量生產時產品的良率是很高的,以絕緣電阻100MΩ為例,建立5000V的測試電壓,負載電流不過50uA;建立1500V的測試電壓,負載電流不過15uA,以100VA的容量來看綽綽有余,當然如果是交流耐壓還需考慮等效電容的影響。

在此我們總結一下交流耐壓與直流耐壓測試的優缺點:

交流耐壓

優點
1、與真實環境波形相同,因此受標準青睞
2、正半周、負半周都測試
3、對待測物的等效電容沒有充放電時間的議題

缺點
1、因為等效電容的電流造成泄漏電流的量測誤差
2、整體的測試電流較大,可能需要購買更大的容量,如果工程師誤觸輸出端相對而言較為危險。

直流耐壓

優點
1、泄漏電流的量測準確度高
2、整體的測試電流較小,購買時可能降低容量的成本,如果工程師誤觸輸出端,相對于交流而言較為安全。

缺點
1、僅測試半周
2、須對電容充電、放電,會增加測試的時間

五、絕緣體及絕緣崩潰的定義?

在電學的教科書中,常以電阻率來定義導體(低于10-5Ω˙m)、半導體(電阻率介于導體與絕緣體之間)、絕緣體(高于108Ω˙m),在此定義下銅是導體,空氣是絕緣體,但從自然界中的閃電/雷擊現象,可得知絕緣是有條件的,只要電壓夠高,絕緣體也能變成導體,再從微觀的角度觀察,銅是導體,奈米銅卻是絕緣體;碳是絕緣體,奈米碳卻是導體,由此可見宏觀與微觀的物理特性可能改變,以下是維基百科對絕緣體的定義:絕緣體(英語:Insulator),又稱介電質或絕緣子,是一種阻礙電荷流動的材料。在絕緣體中,價帶電子被緊密的束縛在其原子周圍。這種材料在電氣設備中用作絕緣體,或稱起絕緣作用。其作用是支撐或分離各個電導體,不讓電流流過,這段描述可簡化為放諸四海皆準的最佳定義:絕緣體不讓電流流過。

了解絕緣體的定義后,接著說明絕緣崩潰的定義,以下是UL/IEC 60950-1章節5.2.2對于絕緣崩潰的原文敘述如下:

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.

絕緣崩潰的認定是:待測絕緣所流經之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。氣態與液態的絕緣物質具備絕緣崩潰的可逆性,當造成絕緣崩潰的高壓消失后可恢復到絕緣的狀態,而固態絕緣則不具備此可逆性,一旦絕緣崩潰對其絕緣能力便造成永久性的傷害。

六、按照絕緣崩潰的定義,如何避免誤判?

大多數的標準在耐壓測試的允收標準上僅說明測試的電壓,在此電壓及測試時間內不能造成絕緣崩潰,僅有少數的產測標準是定義泄漏電流不能超過多少電流。絕緣及絕緣崩潰的簡要口訣為:絕緣體不讓電流流過,當絕緣體上的跨壓越來越大時,導致電流失控的陡升稱為絕緣崩潰,所以這個敘述的V-I特性曲線如圖五。

圖五:絕緣崩潰的V-I特性曲線

傳統采用絕對值泄漏電流可能的誤判影響:產線的泄漏電流允收標準如何決定?有些公司是采用平均值法,透過樣品的測試,計算平均值后加上25%作為允收上限,或以對人體會產生危害的30mA泄漏電流值作為管制上限(配電上的漏電斷路器一般也以30mA作為動作電流),人體感知電流的影響,請見表二。

如果您的待測物價值不斐,采用絕對值泄漏電流的方式可能造成假失敗,因為絕緣崩潰的定義是要看到電流失控的陡升,所以能夠看到測試結果的V-I特性曲線對于研發階段的材料驗證與單價昂貴產品的產線測試非常重要,目前固緯電子的GPT-9900系列、GPT-12000/15000系列電氣安規分析儀皆具備V-I特性曲線掃描功能,不會造成誤判的損失,實測結果請見圖七。

人體感知電流的影響

圖六:假失敗的影響

圖七:GWInstek GPT-12000/15000系列電氣安規分析儀的V-I絕緣崩潰案例


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