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前　　言：

耐壓(Withstanding)、絕緣(Insulation Resistor)、接地電阻(Ground Bond)是電氣安規(guī)測(cè)試儀的測(cè)試功能，其中的耐壓測(cè)試是用電設(shè)備出廠(chǎng)前的必測(cè)項(xiàng)目，雖然這些測(cè)試應(yīng)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(wèn)題，在這份應(yīng)用白色皮書(shū)中我們整理了十個(gè)最常見(jiàn)的問(wèn)題，從基本面來(lái)探討這些問(wèn)題的解答。這十個(gè)問(wèn)題分別是：

1、耐壓測(cè)試的電壓要設(shè)置多少? 為何耐壓測(cè)試的電壓比工作電壓高那么多?

2、為何有三種測(cè)試波形?

3、測(cè)試時(shí)間要設(shè)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(fā)現(xiàn)電弧ARC、閃絡(luò)(Flashover)是否意味絕緣已崩潰?

8、絕緣電阻與耐壓的測(cè)試順序，通過(guò)絕緣電阻測(cè)試后可以不測(cè)耐壓?jiǎn)?

9、高壓的耐壓測(cè)試是否會(huì)損壞電路中昂貴的芯片?

10、接地與導(dǎo)通性量測(cè)的差別?

除了這十個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題外，因?yàn)楦邏簝x器(用于絕緣電阻量測(cè)或耐壓測(cè)試的儀器)的安全隱患，所以IEC制定了對(duì)于高壓儀器的最新規(guī)范IEC-61010-2-034來(lái)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(chǎng)商的因應(yīng)對(duì)策，讓您在分析絕緣材料或產(chǎn)測(cè)時(shí)得以安全地完成測(cè)試任務(wù)，最后我們將從研發(fā)到產(chǎn)測(cè)的測(cè)試計(jì)劃及設(shè)備選購(gòu)提供有效的建議。

電氣安規(guī)測(cè)試的十個(gè)為什么?

一、耐壓測(cè)試的電壓要設(shè)置多少? 為何耐壓測(cè)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(guò) CC BY-SA 授權(quán)

圖一輸配電系統(tǒng)示意圖

紅色是發(fā)電設(shè)施(包含電廠(chǎng)的發(fā)電機(jī)組及升壓變壓器)；藍(lán)色是輸電設(shè)施(采取765、500、345、230及135kV高壓傳輸?shù)哪康氖菫榱藴p少輸電線(xiàn)路上的損失)；綠色是配電設(shè)施；黑色是客戶(hù)端(大型工廠(chǎng)為特高壓用電138、161或230kV；中型工廠(chǎng)為超高壓用電26、69kV；小型工廠(chǎng)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(cè)試是以材料所處的輸配電線(xiàn)位置可能產(chǎn)生的最大瞬變電壓為依據(jù)，瞬變電壓的來(lái)源包含雷擊、線(xiàn)路中電感性負(fù)載切換的感應(yīng)電壓、接地不良、靜電放電(ESD)、市電故障排除等，輸配電系統(tǒng)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(huì)達(dá)1000伏特(圖三)，GE公司在住宅電力在線(xiàn)紀(jì)錄24小時(shí)的瞬變電壓結(jié)果。

圖三 瞬變電壓

我們常見(jiàn)的耐壓測(cè)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(gè)工作電壓當(dāng)余裕度(Margin)以確保用電設(shè)施的絕緣是安全無(wú)虞的。

另一個(gè)瞬變電壓的線(xiàn)索可以從EN61010-2-030標(biāo)準(zhǔn)的量測(cè)類(lèi)別得知，儀器的量測(cè)類(lèi)別分為CAT II(插座到用電設(shè)備一次側(cè))突波峰值電壓2500伏、CAT III(插座到配電盤(pán)的無(wú)熔絲開(kāi)關(guān))突波峰值電壓4000伏、CAT IV(配電盤(pán)到低壓配電裝置) 突波峰值電壓6000伏。

二、為何有三種測(cè)試波形？

耐壓測(cè)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(cè)試最為標(biāo)準(zhǔn)單位接受，原因在于交流波形與我們實(shí)際的用電環(huán)境相同，正半周、負(fù)半周皆有測(cè)試，對(duì)于待測(cè)物(DUT)的雜散電容，交流波形沒(méi)有充放電的議題，這些都是交流波形的優(yōu)點(diǎn)，但交流波形也有缺點(diǎn)，缺點(diǎn)的部分我們會(huì)在第四題中以測(cè)試的等效電路來(lái)說(shuō)明，產(chǎn)測(cè)時(shí)通常以泄漏電流作為合格(Pass)/不合格(Fail)的判斷準(zhǔn)則，使用直流波形的目的是為了解決交流波形測(cè)試的泄漏電流量測(cè)誤差較大的問(wèn)題。

最后一種波形是沖擊波(Impulse)，沖擊波(Impulse)是模擬輸配電線(xiàn)路上的實(shí)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(tǒng)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(lái)測(cè)試。

總而言之：測(cè)試波形是為了還原真實(shí)使用環(huán)境的波形樣貌或解決測(cè)試上的議題。

三、測(cè)試時(shí)間要設(shè)定多久？

耐壓測(cè)試分為研發(fā)階段的型式測(cè)試(Type test)與量產(chǎn)時(shí)的例行性測(cè)試(Routine test)， 型式測(cè)試在研發(fā)階段從絕緣材料的選用、組成模塊到雛型機(jī)等階段都要進(jìn)行測(cè)試，雛型機(jī)型式測(cè)試的測(cè)試時(shí)間是60秒，如果是對(duì)材料或模塊進(jìn)行余裕度驗(yàn)證(Margin verification)則會(huì)進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試電壓與測(cè)試時(shí)間皆以實(shí)驗(yàn)到材料或模塊發(fā)生絕緣崩潰為止。

例行測(cè)試(Routine test)因?yàn)榭紤]產(chǎn)能與測(cè)試成本，所以測(cè)試時(shí)間多半為1~3秒，為了彌補(bǔ)測(cè)試時(shí)間變短可能無(wú)法檢出不良品的議題，通常會(huì)將測(cè)試電壓提高10~20%。對(duì)于一些不容出錯(cuò)的應(yīng)用或是對(duì)自身質(zhì)量要求高的廠(chǎng)商，還是會(huì)用形式測(cè)試的60秒作為例行測(cè)試的時(shí)間。

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

建立足夠的測(cè)試電壓：交流耐壓必須考慮從零點(diǎn)啟動(dòng)到建立設(shè)定的測(cè)試電壓所需的時(shí)間；直流耐壓必須考慮雜散電容與濾波電容的充電時(shí)間，電容器的特性是時(shí)變的電壓會(huì)產(chǎn)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(gè)變量的影響，第一個(gè)變量是充電電流(I charge)、第二個(gè)變數(shù)是電容值(C)。

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

所以在測(cè)試前最好用LCR表量測(cè)一下待測(cè)物的等效電容，這樣有助于精準(zhǔn)的確認(rèn)所需的上升時(shí)間，從這個(gè)說(shuō)明也可以理解到直流耐壓測(cè)試的一個(gè)缺點(diǎn)，就是電容的充電與放電時(shí)間會(huì)影響產(chǎn)測(cè)的測(cè)試產(chǎn)能。

四、安規(guī)耐壓儀器的容量如何選擇?

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

圖四：待測(cè)物的等效電路

IR是流過(guò)絕緣電阻的電流；IC是流過(guò)等效電容(包含雜散電容與濾波電容)的電流，IT是耐壓機(jī)量到的泄漏電流，IC=VTest/XC，XC=1/2πfC，在交流耐壓測(cè)試時(shí)，頻率f為60Hz，當(dāng)電容C越大時(shí)，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(wú)窮大，IC為0，所以量到的IT泄漏電流=IR，不會(huì)造成誤差。

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

從等效電路解釋完交/直流耐壓在準(zhǔn)確度上的議題后，接下來(lái)回到主題，耐壓機(jī)的容量如何選擇？目前市面上的耐壓機(jī)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(shí)是取決于要有多大的電流來(lái)維持測(cè)試電壓，我們期待在待測(cè)的絕緣電阻上建立足夠的測(cè)試電壓來(lái)確認(rèn)絕緣是否良好，但是當(dāng)絕緣崩潰時(shí)，絕緣電阻會(huì)下降，此時(shí)的電流如果不足(容量不足)便無(wú)法在這個(gè)電阻值下降的電阻上建立足夠的電壓。這個(gè)現(xiàn)象類(lèi)似直流電源供應(yīng)器從CV模式轉(zhuǎn)到CC模式，當(dāng)絕緣電阻很大時(shí)(負(fù)載電流小)，當(dāng)絕緣崩潰時(shí)，絕緣電阻變小(負(fù)載電流變大)，此時(shí)便需要容量來(lái)支撐，所以在研發(fā)單位或第三方實(shí)驗(yàn)室需要做材料的破壞性實(shí)驗(yàn)會(huì)需要500VA的容量，而產(chǎn)測(cè)的例行測(cè)試最常選擇100VA的機(jī)種，其原因在于到了大量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品的良率是很高的，以絕緣電阻100MΩ為例，建立5000V的測(cè)試電壓，負(fù)載電流不過(guò)50uA；建立1500V的測(cè)試電壓，負(fù)載電流不過(guò)15uA，以100VA的容量來(lái)看綽綽有余，當(dāng)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(jié)一下交流耐壓與直流耐壓測(cè)試的優(yōu)缺點(diǎn)：

交流耐壓

優(yōu)點(diǎn)
1、與真實(shí)環(huán)境波形相同，因此受標(biāo)準(zhǔn)青睞
2、正半周、負(fù)半周都測(cè)試
3、對(duì)待測(cè)物的等效電容沒(méi)有充放電時(shí)間的議題

缺點(diǎn)
1、因?yàn)榈刃щ娙莸碾娏髟斐尚孤╇娏鞯牧繙y(cè)誤差
2、整體的測(cè)試電流較大，可能需要購(gòu)買(mǎi)更大的容量，如果工程師誤觸輸出端相對(duì)而言較為危險(xiǎn)。

直流耐壓

優(yōu)點(diǎn)
1、泄漏電流的量測(cè)準(zhǔn)確度高
2、整體的測(cè)試電流較小，購(gòu)買(mǎi)時(shí)可能降低容量的成本，如果工程師誤觸輸出端，相對(duì)于交流而言較為安全。

缺點(diǎn)
1、僅測(cè)試半周
2、須對(duì)電容充電、放電，會(huì)增加測(cè)試的時(shí)間

五、絕緣體及絕緣崩潰的定義？

在電學(xué)的教科書(shū)中，常以電阻率來(lái)定義導(dǎo)體(低于10-5Ω˙m)、半導(dǎo)體(電阻率介于導(dǎo)體與絕緣體之間)、絕緣體(高于108Ω˙m)，在此定義下銅是導(dǎo)體，空氣是絕緣體，但從自然界中的閃電/雷擊現(xiàn)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(dǎo)體，再?gòu)奈⒂^(guān)的角度觀(guān)察，銅是導(dǎo)體，奈米銅卻是絕緣體；碳是絕緣體，奈米碳卻是導(dǎo)體，由此可見(jiàn)宏觀(guān)與微觀(guān)的物理特性可能改變，以下是維基百科對(duì)絕緣體的定義：絕緣體（英語(yǔ)：Insulator），又稱(chēng)介電質(zhì)或絕緣子，是一種阻礙電荷流動(dòng)的材料。在絕緣體中，價(jià)帶電子被緊密的束縛在其原子周?chē)?。這種材料在電氣設(shè)備中用作絕緣體，或稱(chēng)起絕緣作用。其作用是支撐或分離各個(gè)電導(dǎo)體，不讓電流流過(guò)，這段描述可簡(jiǎn)化為放諸四海皆準(zhǔn)的最佳定義：絕緣體不讓電流流過(guò)。

了解絕緣體的定義后，接著說(shuō)明絕緣崩潰的定義，以下是UL/IEC 60950-1章節(jié)5.2.2對(duì)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(rèn)定是：待測(cè)絕緣所流經(jīng)之電流已經(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)。氣態(tài)與液態(tài)的絕緣物質(zhì)具備絕緣崩潰的可逆性，當(dāng)造成絕緣崩潰的高壓消失后可恢復(fù)到絕緣的狀態(tài)，而固態(tài)絕緣則不具備此可逆性，一旦絕緣崩潰對(duì)其絕緣能力便造成長(zhǎng)年性的傷害。

六、按照絕緣崩潰的定義，如何避免誤判?

大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)在耐壓測(cè)試的允收標(biāo)準(zhǔn)上僅說(shuō)明測(cè)試的電壓，在此電壓及測(cè)試時(shí)間內(nèi)不能造成絕緣崩潰，僅有少數(shù)的產(chǎn)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是定義泄漏電流不能超過(guò)多少電流。絕緣及絕緣崩潰的簡(jiǎn)要口訣為：絕緣體不讓電流流過(guò)，當(dāng)絕緣體上的跨壓越來(lái)越大時(shí)，導(dǎo)致電流失控的陡升稱(chēng)為絕緣崩潰，所以這個(gè)敘述的V-I特性曲線(xiàn)如圖五。

圖五：絕緣崩潰的V-I特性曲線(xiàn)

傳統(tǒng)采用絕對(duì)值泄漏電流可能的誤判影響：產(chǎn)線(xiàn)的泄漏電流允收標(biāo)準(zhǔn)如何決定?有些公司是采用平均值法，透過(guò)樣品的測(cè)試，計(jì)算平均值后加上25%作為允收上限，或以對(duì)人體會(huì)產(chǎn)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(dòng)作電流)，人體感知電流的影響，請(qǐng)見(jiàn)表二。

如果您的待測(cè)物價(jià)值不斐，采用絕對(duì)值泄漏電流的方式可能造成假失敗，因?yàn)榻^緣崩潰的定義是要看到電流失控的陡升，所以能夠看到測(cè)試結(jié)果的V-I特性曲線(xiàn)對(duì)于研發(fā)階段的材料驗(yàn)證與單價(jià)昂貴產(chǎn)品的產(chǎn)線(xiàn)測(cè)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(guī)分析儀皆具備V-I特性曲線(xiàn)掃描功能，不會(huì)造成誤判的損失，實(shí)測(cè)結(jié)果請(qǐng)見(jiàn)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(guī)分析儀的V-I絕緣崩潰案例