衡量绝缘性能的电气强度测试

衡量绝缘性能的电气强度测试
电气强度测试（Electric Strength Test）是产品安全测试领域中常见的电气测试项目之一，几乎所有涉及到电气绝缘强度的评估都一定会包含所谓的“打耐压”测试，也因此电气强度测试也被称作耐压测试，其常见的英文用语包括：Dielectric Voltage Withstand Test、High Potential Test、Hipot Test等。

本文将针对用以衡量电气绝缘性能的电气强度测试进行全面介绍，从其基本原理的说明，进一步引出安全标准要求的意涵，协助大家了解并厘清对电气强度测试的认知。

基本原理阐述
绝缘体并非完全没有可移动的电子，只是比例上数目很少，也因此当外加电场强度增强时，就有可能把物质由绝缘体变成导体，形成所谓的绝缘崩溃（Insulation Breakdown）。

若绝缘是以气体或液体形式存在，其绝缘性能是可以在绝缘崩溃发生后再恢复的，条件是外加电场降低至该绝缘的崩溃场强（Breakdown Field Strength，即造成崩溃所需之电场强度）以下，也因此气体或液体绝缘常被称为可恢复的绝缘（Renewable Insulation）。

但若绝缘是以固体形式存在，通常发生绝缘崩溃后就无法再继续提供原有的绝缘功能。

绝缘性能的评估
电气强度测试即是用于确认该绝缘在特定电场作用下是否仍能保持所需之绝缘性能的重要指针，也是决定电力设备及其元件最终使用寿命的关键因素。

绝缘的崩溃电压通常受材料的组成、厚度、环境条件及电极形状、布置等因素影响。

材料抵抗电场作用的能力通常以介电强度（Dielectric Strength）来表示。

均强电场下，介电强度定义为样品崩溃电压与其厚度之比，单位常为MV/m，比方说，石英（Quartz）可达8MV/m，而空气一般则分布于0.4MV/m （针状电极）至3.1MV/m（平版电极）的区间。

此外，当电介质中含有水分、气泡及细微杂质时，亦可使得崩溃场强降低。

电气强度测试的意义
基本上，电气强度测试的测试电压通常大于设备工作电压，或者换言之，当设备可能暴露于特定过电压等级（Overvoltage Category）并大于设备存在的工作电压时，对绝缘的允收标准就必须拉高到过电压等级。

反之，当设备的工作电压高于过电压等级时，测试电压就不能小于该工作电压。

所以电气强度测试的第一要务就是提供一个预期待测绝缘可能暴露的电场强度。

电气强度测试是要验证该电气绝缘是否能够符合标准所规范的最小要求，进而确保电气隔离（例如：隔离变压器）不至崩溃，而让使用者可触及的区域暴露于危险电压下。

电气强度测试也常常运用于机械性测试或故障模拟测试之后，以确认绝缘能力是否依然存在。

生产在线的电气强度测试可以检验因组装而产生的机械性绝缘受损，也可发现设备是否有外物进入等。

此外，电气强度测试可用于对设备本体所提供的绝缘阻抗做一次全面的体检，也适用于检验某材料的崩溃场强是否大于实际应用可能承受之电场强度。

国际安规标准UL/IEC 60950-1 相关条文精读
绝缘崩溃的定义
UL/IEC 60950-1章节5.2.2 对于绝缘崩溃的叙述如下：
“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. Corona discharge or a single momentary flashover is not regarded as insulation breakdown.”
绝缘崩溃的认定是：待测绝缘所流经的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。

电晕放电（Corona Discharge）与单一瞬间的闪络（Flashover）并不会被认定为绝缘崩溃。

该定义基本上是符合现今科技的认知。

绝缘并联于提供直流路径（d.c. Path）的元件
章节5.2.2里的NOTE 3是另一个值得注意地方：
“NOTE 3 Components providing a d.c. path in parallel with the insulation to be tested, such as discharge resistors for filter capacitors and voltage limiting devices, should be disconnected.”
电气强度测试中，与待测绝缘并联的阻型或变阻型元件（例如RC滤波电路所使用的泄放电阻或是电压限制型元件）是可以允许断开的。

在实务电气强度测试中，这些能够提供一个直流通过的路径元件（即阻型元件），难以避免地会增加耐压测试机所侦测的通过（Let-through）电流而触发蜂鸣器，因而让测试人员误以为绝缘崩溃，也就是所谓的假失败（False Failure），例如测试所采用的耐压机预设的触发电流为10mA，所有通过绝缘的电流假设为12mA，只要通过电流足以维持定值，按标准是不可以判定为绝缘崩溃。

因此，大胆推断，电气强度测试主要是考虑阻型电流，根本不考虑或是默许电容性与变阻性所产生的泄漏电流。

而电容性与变阻性泄漏电流的元件则是由5.2以外的章节来规范其安全性。

电气强度测试的假失败
我们无法否认触发电流的设定对于判定绝缘崩溃确有其方便性、单纯又不昂贵，且行之有年并为业界熟悉及接受。

倘若以“使用设定触发电流当作绝缘崩溃的判定依据”为假设，即表示其待测绝缘所通过的介电电流超过触发电流的设定值即可判定为绝缘崩溃。

这个立论适用于大部分的状况，然而，当待测绝缘在测试电压下的介电电流确为定值，且不及标准所定义之绝缘崩溃，一旦该电流大于预设之触发电流就会推翻此立论，假失败便会产生，对于原先符合标准要求的设备或材料即会判为不符合。

在标准中，未定义介电电流的标准值，换句话说，触发电流的设定亦不存在一个绝对解。

因此，当耐压机触发时，应更进一步确认待测绝缘是否崩溃，例如：通过示波器监测介质电流，不该直接判定失败，而是通过诊断的方式找出绝缘崩溃的起始点，明确之后进而改善标的物。

电气和电子工程师协会所制订的标准IEEE 95的第八章：故障位置诊断（Fault Location）对此有进一步的信息。

耐压测试仪器的技术要求
也因此，相较于触发电流的设定值，更应关注以下议题：预期短路电流（Prospective Short-circuit Current）。

此参数乘以测试电压之后的积，可以表示高压测试设备的容量。

如果我们说某一高压测试设备内部之高压变压器（如图1）最高可提供的测试电压为5KV且容量是500VA，则其最小预期短路电流便是100mA。

此参数的大小与该高压变压器的阻抗参数有直接的关系，它的变化也牵动着该测试设备是否可以有足够的电磁转换能力正确无误地提供所需的测试电压。

图1 耐压机的典型方块图
虽然UL/IEC 60950-1并未规范此一参数，但通过其绝缘相关的母法IEC 60664-1（低压受电设备之绝缘协调Insulation Coordination for Equipment within Low-voltage System）中可找出蛛丝马迹。

IEC 60664-1章节6.1.3.4：A.C. Power Frequency Voltage T est交流电源频率电压测试，建议高压产生设备之输出短路电流不得小于200mA，且符合IEC 61180-2（对于低压设备所施行之高压测试方法High-voltage Test Techniques for Low-voltage Equipment，Part 2：Test Equipment测试设备），倘若测试电压超过3 KV时，容量只要不小于600VA者则视为符合。

对于触发电流则建议为100mA也是倾向较高的设定；而生产线耐压测试所用则不得小于3.5mA（DC则为10mA）即可。

UL/IEC 60065章节10.3.2更直接规范预期短路电流不得小于200mA；触发电流亦不得小于100mA。

其它产品标准，诸如UL/IEC 60335-1也有类似的要求。

故可知其重要程度。

交流电压？或是直流电压？
大家普遍的认知是两者之间的转换，意即交流与直流的测试电压可以通过sqr 2自由转换。

就技术上，交流与直流（交流值乘上根号2）电压所提供的电气应力并非完全相等。

比较正确的作法是依循该待测绝缘承受电气应力的形式而定，例如：变压器正常是受交流型式的电气应力的，所以应以交流电压来实施。

当待测绝缘存在过多的并联电容时，直流电压测试是可以允许的。

UL/IEC 60065 章节10.3.2有更直接的要求；IEC 60664-1亦有交流与直流测试电压进一步的定义；IEC 61180-2则提供测试设备之仪器校验与量测不确定度的相关要求。

结语
产品的绝缘性能好坏，可以通过电气强度测试进行评估，然而测试的结果取决于环境、人为、对测试数值的判定等因素影响，因此了解电气强度测试的立意，并考虑实际在量测仪器上的操作，将有助于电气强度测试的准确评估。