張翼翔

（上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所有限公司，上海，200233）

0 引言

抗電強(qiáng)度試驗(yàn)，也叫做高電壓試驗(yàn)，或者介電強(qiáng)度試驗(yàn)，是電氣電子設(shè)備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、安全評(píng)估中廣泛采用的一個(gè)基本而重要的試驗(yàn)內(nèi)容。它通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的絕緣系統(tǒng)或元器件施加高電壓來(lái)檢查絕緣的效果。試驗(yàn)中對(duì)受試產(chǎn)品的絕緣系統(tǒng)施加一分鐘的高電壓。如果受試絕緣能夠保持住這個(gè)電壓，就視作通過(guò)了試驗(yàn)。而如果施加的電壓導(dǎo)致絕緣性能突然崩潰，使得電流通過(guò)，那么就認(rèn)為絕緣不足、試驗(yàn)失敗，可能使操作者暴露在電擊危險(xiǎn)之下。

1 材料絕緣和介電擊穿

對(duì)特定材料施加的電動(dòng)力足夠大，迫使電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流。電荷運(yùn)動(dòng)的載體是材料中的電子。導(dǎo)體自由電子多，電荷運(yùn)動(dòng)的阻力小，電荷流動(dòng)造成發(fā)熱式的能量損失就小。反之，絕緣材料的物理結(jié)構(gòu)不允許電子輕易運(yùn)動(dòng)，就不能有效地在材料里承載電荷。這就是材料絕緣的原理。

絕緣材料的介電擊穿是一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，在固體、液體、氣體中的原理也不完全相同。對(duì)固態(tài)絕緣材料，足夠強(qiáng)大的電場(chǎng)會(huì)持續(xù)激勵(lì)電子，最終使它們獲得足夠的能量，從而跨過(guò)帶隙進(jìn)入導(dǎo)帶，急劇增加材料的導(dǎo)電性[1]。這個(gè)變化過(guò)程就是介電擊穿，而開(kāi)始發(fā)生擊穿所需的電場(chǎng)就稱(chēng)作介電強(qiáng)度或者抗電強(qiáng)度。定性的說(shuō)，介電擊穿是由施加電壓造成的受試絕緣體阻抗的突然改變。試驗(yàn)電壓破壞了材料的高阻性，使材料導(dǎo)電性劇烈增加。介電擊穿須要對(duì)絕緣材料施加強(qiáng)電場(chǎng)，不同材料開(kāi)始出現(xiàn)介電擊穿須要的電場(chǎng)強(qiáng)度不同，也就是說(shuō)，材料不同，其介電強(qiáng)度就不同。

2 介電電流和擊穿電流

抗電強(qiáng)度試驗(yàn)中對(duì)絕緣體施加高電壓會(huì)產(chǎn)生微弱的電流，稱(chēng)為介電電流。電壓持續(xù)升高到材料發(fā)生介電擊穿后，材料失去阻性，電流急劇升高，此時(shí)的電流就稱(chēng)作擊穿電流。氣體和固體材料的介電電流變化特性見(jiàn)下圖。

3 抗電強(qiáng)度試驗(yàn)的實(shí)施

電子電氣產(chǎn)品的抗電強(qiáng)度試驗(yàn)一般使用耐壓儀、高壓發(fā)生器來(lái)完成。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)儀的電極按標(biāo)準(zhǔn)要求的方法分別搭接在受試絕緣體的兩端上。試驗(yàn)儀產(chǎn)生高電壓，實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)電路中的電流。如果受試絕緣體保持住了試驗(yàn)電壓沒(méi)有發(fā)生擊穿，則試驗(yàn)判為合格。當(dāng)發(fā)生介電擊穿時(shí)，受試絕緣體從高阻性的狀態(tài)突然失去電阻性，試驗(yàn)電路中的電流因此急劇上升。試驗(yàn)儀檢測(cè)到電流大于試驗(yàn)前設(shè)置的失效門(mén)限電流時(shí)，會(huì)切斷試驗(yàn)電壓輸出并發(fā)出報(bào)警，試驗(yàn)判做失敗。這就是抗電強(qiáng)度試驗(yàn)儀的工作原理。試驗(yàn)對(duì)象是產(chǎn)品整體絕緣系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)確認(rèn)產(chǎn)品開(kāi)關(guān)都設(shè)置在閉合、導(dǎo)通的位置，確保受試的是整個(gè)絕緣系統(tǒng)的合集而不僅僅是開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)前的電路。

圖1 氣態(tài)絕緣材料

圖2 固態(tài)絕緣材料

3.1 抗電強(qiáng)度試驗(yàn)中的注意事項(xiàng)

3.1.1 誤報(bào)警

耐壓試驗(yàn)儀判定介電擊穿的功能簡(jiǎn)單實(shí)用，但也有問(wèn)題。除了直流試驗(yàn)中提升試驗(yàn)電壓過(guò)快造成充電電流異常增大外，有時(shí)過(guò)電流警報(bào)不是指示擊穿，而可能是產(chǎn)品本身介電電流相對(duì)過(guò)大，超過(guò)了失效電流門(mén)限的設(shè)定值。雖然被試驗(yàn)設(shè)備判為試驗(yàn)失敗，但絕緣系統(tǒng)可能未被擊穿，實(shí)際上是一種可能可以接受的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 失效電流門(mén)限設(shè)置示例

因?yàn)榭闺姀?qiáng)度試驗(yàn)是評(píng)價(jià)絕緣系統(tǒng)的，對(duì)介電電流沒(méi)有指定限值（注意如GB8898-2011等標(biāo)準(zhǔn)中提到的電流要求是試驗(yàn)裝置輸出能力的要求而非試驗(yàn)失敗的判據(jù)要求）。因此，試驗(yàn)應(yīng)用中要確定試驗(yàn)失敗是擊穿導(dǎo)致的而不是未正確設(shè)定失效電流門(mén)限導(dǎo)致的。介電擊穿是抗電強(qiáng)度試驗(yàn)唯一的失效判據(jù)。試驗(yàn)中介電電流開(kāi)始出現(xiàn)劇烈增加的精確值并不重要，重要的是介電電流突然劇烈增大表明了擊穿的發(fā)生。大多數(shù)產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒(méi)有把電流大小作為抗電強(qiáng)度試驗(yàn)的失敗判據(jù)。因此試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員應(yīng)該注意觀察介電電流在施加試驗(yàn)電壓過(guò)程中的變化，以確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

如果已知預(yù)期電流，例如已經(jīng)進(jìn)行了工作條件下的漏電流測(cè)量，就可以把失效電流門(mén)限設(shè)定為該值的一定倍數(shù)。則當(dāng)試驗(yàn)中電流超過(guò)這個(gè)值時(shí)，就更有可能是介電擊穿失效，而不是施加試驗(yàn)電壓造成漏電流路徑上的介電電流超限。獲得這個(gè)倍數(shù)可以采用如下思路：在沒(méi)有發(fā)生介電擊穿時(shí)，絕緣體的阻抗大致不變的，固態(tài)特性占主導(dǎo)的絕緣系統(tǒng)中施加電壓與電流之間大致上呈線性關(guān)系。設(shè)產(chǎn)品工作電壓220V，試驗(yàn)電壓取基本絕緣常用的1500V，那么介電電流就是正常狀態(tài)漏電流的7倍左右，再增加一些變化量取整到10倍。合理設(shè)置試驗(yàn)儀的失效電流門(mén)限，可以在增加測(cè)試效率的同時(shí)保護(hù)受試產(chǎn)品和試驗(yàn)設(shè)備。

3.1.2 高壓試驗(yàn)產(chǎn)生的射頻干擾

此外，高電壓試驗(yàn)條件，如3kV以上的試驗(yàn)中，介電擊穿產(chǎn)生的電暈放電現(xiàn)象可以通過(guò)試驗(yàn)線束作為耦合路徑對(duì)周邊環(huán)境作寬帶射頻干擾。試驗(yàn)實(shí)踐中應(yīng)注意試驗(yàn)線束、試驗(yàn)電極和受試電路要良好接觸。當(dāng)干擾不可避免時(shí)，可以考慮在試驗(yàn)電極前串接470Ω電阻改變介電擊穿瞬間試驗(yàn)電路的阻抗條件來(lái)降低射頻干擾。電阻功率不需要很大，只要幾瓦就夠，但其脈沖耐壓性能要遠(yuǎn)大于試驗(yàn)電壓以確保介電擊穿發(fā)生在受試絕緣而不是加裝的電阻中。加裝的電阻會(huì)稍微分?jǐn)偟粢恍┰囼?yàn)電壓，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意根據(jù)試驗(yàn)儀特性適當(dāng)補(bǔ)償。

3.1.3 直流試驗(yàn)

進(jìn)行直流試驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，試驗(yàn)完成時(shí)，受試設(shè)備內(nèi)的電容器已經(jīng)充分充電，具有潛在的電擊危險(xiǎn)。操作員須要注意使用泄放電阻進(jìn)行放電以保持安全。使用具有自動(dòng)放電功能的試驗(yàn)儀可以簡(jiǎn)化這個(gè)步驟，但更應(yīng)注意使用中試驗(yàn)儀須要可靠接地。

3.1.4 抗電強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞性

還要注意抗電強(qiáng)度試驗(yàn)具有破壞性的問(wèn)題。固體將要發(fā)生介電擊穿前，一般會(huì)出現(xiàn)部分放電，使得電極間最近的絕緣體和金屬退化。最終，部分放電會(huì)燒出一條碳化通道導(dǎo)通電極形成擊穿。這種現(xiàn)象在薄層絕緣材料的抗電試驗(yàn)中最為明顯，發(fā)生介電擊穿的受試材料會(huì)在接近電極最近的薄弱處出現(xiàn)燒黑的孔洞。而對(duì)氣體來(lái)說(shuō)，強(qiáng)電壓梯度區(qū)域會(huì)造成附近的氣體部分電離并開(kāi)始導(dǎo)電。熒光燈就是利用了這種低壓放電特性。導(dǎo)致氣體介電擊穿的電壓可以用巴申定律推算。其基本關(guān)系為：當(dāng)氣體成分和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓是氣壓和極間距離乘積的函數(shù)；當(dāng)氣體溫度不定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓是氣體密度和極間距離的函數(shù)。[2]根據(jù)試驗(yàn)電壓的不同，空氣擊穿前會(huì)部分擊穿產(chǎn)生火花、飛弧、閃絡(luò)等，被擊穿時(shí)會(huì)發(fā)生持續(xù)電弧。高能電弧具有高溫，能使電弧路徑周?chē)牟牧贤嘶踔磷兓?/p>

電子電氣產(chǎn)品的絕緣，一般是氣體絕緣材料如空氣，和固體絕緣材料，包括薄層絕緣材料的組合。當(dāng)受試絕緣系統(tǒng)的介電強(qiáng)度遠(yuǎn)高于試驗(yàn)施加的電壓時(shí)，抗電強(qiáng)度試驗(yàn)沒(méi)有破壞性。但當(dāng)受試絕緣系統(tǒng)的介電強(qiáng)度接近，甚至等于、弱于施加的電壓時(shí)，就可能發(fā)生部分放電甚至介電擊穿?？諝獾慕殡姄舸╇m然會(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化，但由于有周?chē)諝馓畛涮娲虼耸强苫謴?fù)的，而固體材料的擊穿則伴有不可逆的器質(zhì)性變化。不過(guò)，抗電強(qiáng)度試驗(yàn)儀設(shè)計(jì)上在檢測(cè)到介電電流失控時(shí)會(huì)切斷試驗(yàn)電壓停止試驗(yàn)，這種檢測(cè)一般在毫秒級(jí)左右。合理設(shè)置試驗(yàn)儀的失效電流門(mén)限可以降低電流，限制擊穿時(shí)的總能量，從而降低試驗(yàn)的破壞性。因此大致上可以認(rèn)為，如果受試絕緣系統(tǒng)可以通過(guò)抗電強(qiáng)度試驗(yàn)，則試驗(yàn)是沒(méi)有破壞性的，而如果受試絕緣接近臨界點(diǎn)或不能通過(guò)試驗(yàn)，則是有破壞性的。由于擊穿總是發(fā)生在阻抗最小的通路上，因此薄層材料、小型半導(dǎo)體器件更容易受影響遭到破壞。試驗(yàn)實(shí)踐中可根據(jù)實(shí)際情況斷開(kāi)不需要受試的絕緣體。

4 結(jié)束語(yǔ)

抗電強(qiáng)度試驗(yàn)可以檢驗(yàn)產(chǎn)品絕緣系統(tǒng)的質(zhì)量。但要注意，試驗(yàn)的目標(biāo)是評(píng)價(jià)絕緣系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)期間的介電電流是一個(gè)參考量，不能用工作條件的漏電流限值評(píng)價(jià)。抗電強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備一般會(huì)采用失效電流限值來(lái)判斷介電擊穿。合理設(shè)置參數(shù)時(shí)，試驗(yàn)儀可以給出可信的結(jié)果。但當(dāng)預(yù)期電流未知，失效門(mén)限設(shè)置不理想等情況下，試驗(yàn)電壓斷開(kāi)的不通過(guò)結(jié)果也可能是誤報(bào)警。應(yīng)該研判是否真的發(fā)生了介電擊穿。如果試驗(yàn)失敗發(fā)生了介電擊穿，可能會(huì)對(duì)絕緣系統(tǒng)造成不可逆的損傷。