安規測試

 

 

2.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、還有衝擊波(Impulse)。

 

使用交流波形測試最為標準單位接受,原因在於交流波形與我們實際的用電環境相同,正半週、負半週皆有測試,對於待測物(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,產測時通常以洩漏電流作為合格(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 試的洩漏電流量測誤差較大的問題。

 

最後一種波形是衝擊波(Impulse),衝擊波(Impulse)是模擬輸配電線路上的實際波形樣貌,瞬變電壓分為脈衝型與震盪型,衝擊波(Impulse)模擬雷擊等脈衝型瞬變電壓,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。

 

3.測試時間要設定多久?

 

耐壓測試分為研發階段的形式測試(Type test)與量產時的例行性測試 (Routine test), 形式測試在研發階段從絕緣材料的選用、組成模組到雛型機等階段都要進行測試,雛型機的形式測試時間是 60 秒,如果是對材料或模組進行餘裕度驗證(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組發生絕緣崩潰為止。

 

例行測試(Routine test)因為考量產能與測試成本,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%。對於一些不容出錯的應用或是對自身品質要求高的廠商,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數的影響,第一個變數是充電電流(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)式後計算得知每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,這樣有助於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。

  

4.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?以及交流耐壓測試洩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是耐壓機量到的洩漏電流,IC=VTest/XC,XC=1/2 π fC,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,造成的洩漏 電流 IT的誤差就越大。

 

如果改採直流呢? 頻率 f 為 0Hz,XC為無窮大,IC為 0,所以量到的 IT洩漏電 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後,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於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,其原因在於到了大量生產時產品的良率是很高的,以絕緣電阻 100M Ω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 的容量來看綽綽有餘,當然如果是交流耐壓還需考量等效電容的影響。

 

在此我們總結一下交流耐壓與直流耐壓測試的優缺點。

 

表一:交流耐壓、直流耐壓的優缺點

 

 

5.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(低於 10-5 Ω∙m)、半導體(電阻率 介於導體與絕緣體之間)、絕緣體(高於 108 Ω∙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。

 

了解絕緣體的定義後,接著說明絕緣崩潰的定義,以下是 UL/IEC 60950-1 章節 5.2.2 對於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於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後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。

 

 

 

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