萬艷 崔東寧 徐小林 邱心濤 趙龍濤

摘 要：為分析耐壓試驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文主要從耐壓試驗(yàn)的分類和特點(diǎn)，以及不同應(yīng)用領(lǐng)域的電子電氣產(chǎn)品耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓的確定、試驗(yàn)時(shí)間的設(shè)置等方面，進(jìn)行了一定的對比分析。分析表明在耐壓試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)的電壓類型、試驗(yàn)電壓的值確定、試驗(yàn)電壓上升時(shí)間、試驗(yàn)電壓持續(xù)時(shí)間以及跳閘電流等對試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性都有著重要的影響。不僅便于消費(fèi)者對電子電氣設(shè)備的耐壓試驗(yàn)有更深入的了解，而且有利于相關(guān)產(chǎn)品的檢測人員更好地開展檢測工作。

關(guān)鍵詞： 電子電氣設(shè)備，耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間，擊穿

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.17.027

Discussion on Withstand Voltage Test of Electrical Equipment

WAN Yan1* CUI Dong-ning1 XU Xiao-lin2 QIU Xin-tao2 ZHAO Long-tao1

（1.Qingdao Product Quality Inspection Technology Research Institute； 2.Qingdao Product Quality Testing Research Institute）

Abstract： In order to analyze the infl uence of relevant parameters on the results in voltage withstand test， the paper mainly compares and analyzes aspects including the classification and characteristics of withstand voltage tests， as well as the determination of test voltage and the setting of test time for electronic and electrical products in different application fi elds. The paper shows that factors such as the test voltage type， test voltage value determination， test voltage rise time， test voltage duration and the trip current， have important effects on the accuracy of the test results. The paper not only facilitates the consumer to have a better understanding of withstand voltage test of electrical and electronic equipment， but also helps inspectors to better carry out tests of relevant products.

Keywords： electrical and electronic equipment， withstand voltage test， test time， breakdown

0 引 言

電氣設(shè)備作為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，被?yīng)用于各行各業(yè)，這些產(chǎn)品的安全問題也日益受到人們的關(guān)注。由于使用場所的溫度、電場、機(jī)械環(huán)境等因素的影響，用電設(shè)備在長時(shí)間運(yùn)行后，其絕緣性能會產(chǎn)生一定的劣化，從而產(chǎn)生人身傷害、經(jīng)濟(jì)損失的隱患。耐壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)用電設(shè)備，如家用電器、醫(yī)用電氣設(shè)備、電機(jī)、供電設(shè)備等承受過電壓能力的主要方法。通過此試驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)用電設(shè)備絕緣的局部缺陷、受潮及老化，以便及時(shí)排除安全隱患，保護(hù)使用者的安全。

1 耐壓試驗(yàn)的分類及特點(diǎn)

耐壓試驗(yàn)按試驗(yàn)電壓類型不同，可分為以下兩種：

一種是給被試設(shè)備施加工頻電壓，簡稱為交流耐壓試驗(yàn)。從介質(zhì)損失的角度看，交流電壓試驗(yàn)更容易發(fā)生熱擊穿，可以分散絕緣缺陷及絕緣老化的弱點(diǎn)，同時(shí)，對絕緣的破壞性要大一些。基于交流電壓的特點(diǎn)，交流電壓試驗(yàn)可以從兩個(gè)極性分別施加電壓，這對于交流電源供電的設(shè)備來說更接近于實(shí)際使用狀態(tài)。不足之處，試驗(yàn)設(shè)備的容量比較大，體積也相對較大。

另一種是給被試設(shè)備施加直流電壓，簡稱為直流耐壓試驗(yàn)。其試驗(yàn)電壓高，不僅能高效地發(fā)現(xiàn)絕緣的整體缺陷，還能通過伏安特性曲線發(fā)現(xiàn)端部絕緣缺陷。由于絕緣在直流電壓下產(chǎn)生的介質(zhì)損耗可以忽略不計(jì)，所以直流電壓試驗(yàn)對絕緣的破壞性相對較小。另外，較之交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備，直流耐壓試驗(yàn)設(shè)備具有容量小、體積小、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。

不同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)電壓類型的規(guī)定有所不同。GB 4706.1-2005[1]中明確規(guī)定須采用50 Hz或60 Hz的正弦波電壓進(jìn)行試驗(yàn)。GB 4793.1-2007[2]中規(guī)定可以選擇交流電壓試驗(yàn)，或?yàn)榱吮苊馊菪噪娏鳎梢赃x擇直流電壓試驗(yàn)。GB/T 12350-2022[3]中要求采用50 Hz的正弦波電壓試驗(yàn)，特別說明針對帶控制器的電動機(jī)和被試絕緣上跨接有電容器的情況下，也可采用等于交流電壓值的1.414倍的直流電壓進(jìn)行試驗(yàn)。在軌道交通領(lǐng)域的電氣設(shè)備，常用的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25119-2021[4]和GB/T 21413.1-2018[5]中優(yōu)先采用50 Hz的交流電壓進(jìn)行試驗(yàn)，在某些特殊情況下也可采用直流電壓試驗(yàn)，但是電壓值要等于交流電壓峰值。

2 試驗(yàn)電壓值的確定

從我國發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來看，耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓值大多是根據(jù)產(chǎn)品的絕緣防護(hù)類型，即我們常說的基本絕緣、附加絕緣、加強(qiáng)絕緣來確定。但是不同的產(chǎn)品其試驗(yàn)電壓值的確定方法又存在著不同。比如：針對家用電器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005中規(guī)定，耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓值直接由設(shè)備額定電壓和工作電壓以及防護(hù)絕緣類型來確定。針對測量、控制設(shè)備的通用標(biāo)準(zhǔn)GB 4793.1-2007確定試驗(yàn)電壓值的方法相對比較復(fù)雜。步驟如下：第1步，確定基本絕緣的電氣間隙限值。由被試設(shè)備的額定工作電壓、污染等級、材料組別CTI，查表4確定該設(shè)備基本絕緣的電氣間隙限值。第2步，計(jì)算修正后的電氣間隙限值，依據(jù)被試設(shè)備明示的工作海拔高度查表3，得知對應(yīng)電氣間隙的倍增系數(shù)，計(jì)算得出修正后的電氣間隙限值。第3步，查找基本絕緣試驗(yàn)電壓，由第2步得到的修正后的電氣間隙值在GB 4793.1-2007表9中可以直接查到基本絕緣對應(yīng)的試驗(yàn)電壓值。第4步，計(jì)算加強(qiáng)絕緣試驗(yàn)電壓，即加強(qiáng)絕緣試驗(yàn)電壓為第3步得到的基本絕緣試驗(yàn)電壓的1.6倍。

而廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，分別為GB/T 25119-2021和GB/T 21413.1-2018，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對耐壓試驗(yàn)的電壓值的確定也有著不同方法。其中GB/T 25119是針對安裝于軌道交通車輛上的控制、供電等的電子設(shè)備的要求，標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)電壓的決定性因素卻不是絕緣防護(hù)類型，而是被試設(shè)備的標(biāo)稱輸入電壓的大小。標(biāo)準(zhǔn)中將標(biāo)稱輸入電壓分為三段，每一段對應(yīng)一個(gè)固定的試驗(yàn)電壓值。而GB/T 21413.1-2018主要是針對軌道交通機(jī)車的主、輔電路及控制電路等要求，它規(guī)定耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓取決于制造商規(guī)定的額定沖擊電壓值或額定絕緣電壓值。

由此可見，不同的電氣設(shè)備，由于應(yīng)用的領(lǐng)域不同、使用條件不同、絕緣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)等不同，耐壓試驗(yàn)電壓值的確定方法也各不相同。即使相同應(yīng)用領(lǐng)域，不同的規(guī)模的產(chǎn)品電壓值的確定方法也不同。

3 試驗(yàn)時(shí)間的設(shè)定

3.1 試驗(yàn)電壓上升時(shí)間

試驗(yàn)電壓的施加過程也是保證試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)，這個(gè)電壓的上升時(shí)間，不能過快，過快會產(chǎn)生過大的沖擊電壓，出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象；當(dāng)然也不能太慢，過慢會延長被試驗(yàn)設(shè)備承受高電壓的時(shí)間。因此，規(guī)定一個(gè)合理的試驗(yàn)電壓上升時(shí)間是非常必要的。不同的標(biāo)準(zhǔn)對此參數(shù)的描述又存在差異。

針對家用電器產(chǎn)品，GB 4706.1-2005中只要求按GB/T 17627.1規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，對試驗(yàn)電壓上升時(shí)間并未作詳細(xì)的規(guī)定。而IECEE秘書處針對IEC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布了通用的CTL決議，明確了耐壓試驗(yàn)電壓的上升速度。決議規(guī)定必須采用以下測試程序：“以不超過規(guī)定電壓的一半作為試驗(yàn)初始電壓，然后迅速升高到最大值。”。這一規(guī)定實(shí)際上是對標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17627.1中規(guī)定的“防止過電壓的影響，應(yīng)從相當(dāng)?shù)偷臄?shù)值開始，緩慢升高電壓。施加超過75%試驗(yàn)電壓后，以每秒約5%的試驗(yàn)電壓的速率升壓”進(jìn)行了一定的補(bǔ)充，但也未明確從初始電壓到規(guī)定試驗(yàn)電壓的上升時(shí)間。對測量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備，GB 4793.1-2007則要求在5 s或5 s內(nèi)逐漸升高至試驗(yàn)電壓值。《小功率電動機(jī)的安全要求》標(biāo)準(zhǔn)要求相對完善，不僅規(guī)定了初始試驗(yàn)電壓，還明示了試驗(yàn)電壓的上升時(shí)間應(yīng)不少于10 s。而GB/T 21413.1-2018中則要求，試驗(yàn)電壓要在10 s內(nèi)達(dá)到規(guī)定值。

3.2 試驗(yàn)電壓的持續(xù)時(shí)間

由于設(shè)備的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)等因素的影響，試驗(yàn)電壓的持續(xù)時(shí)間也不相同。油浸板電工板的擊穿電壓與電壓持續(xù)時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。

耐壓試驗(yàn)造成的擊穿形式主要分三種：電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿。其中，電擊穿與電壓的作用時(shí)間基本無關(guān)。而熱擊穿作用時(shí)間相對較長，從幾分鐘至幾十小時(shí)不等。而電化學(xué)擊穿則需要幾十小時(shí)甚至數(shù)年。而本研究為了提高耐壓試驗(yàn)效率，選取了一個(gè)最合理的試驗(yàn)時(shí)間。由圖1可見，加壓1 min時(shí)，即可發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的擊穿現(xiàn)象。因此大多數(shù)的設(shè)備的試驗(yàn)電壓持續(xù)時(shí)間均規(guī)定為1 min。而也有部分標(biāo)準(zhǔn)中對此時(shí)間有特殊的要求，如GB 4793.1-2007標(biāo)準(zhǔn)中就規(guī)定試驗(yàn)電壓保持5 s。

需要說明的是，試驗(yàn)電壓上升時(shí)間是不包含在試驗(yàn)電壓持續(xù)時(shí)間中的，而往往有些檢驗(yàn)人員將升壓時(shí)間算在試驗(yàn)電壓持續(xù)時(shí)間內(nèi)，這明顯縮短了試驗(yàn)電壓對絕緣介質(zhì)的作用時(shí)間，從而影響了試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。當(dāng)然，有些標(biāo)準(zhǔn)中，未明確規(guī)定耐壓試驗(yàn)電壓的上升時(shí)間，如GB/T 25119-2021要求試驗(yàn)人員有一定的經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)置試驗(yàn)電壓的上升時(shí)間，并在試驗(yàn)過程中詳細(xì)準(zhǔn)確地記錄試驗(yàn)的初始電壓、試驗(yàn)電壓的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，確保試驗(yàn)結(jié)果的可追溯性。

4 跳閘電流的設(shè)置及要求

當(dāng)絕緣承受耐壓試驗(yàn)過程中，經(jīng)過絕緣的電流和施加在絕緣上的電壓值大致呈線性遞增關(guān)系。隨著電壓的增大和加壓時(shí)間的增加，絕緣介質(zhì)性能的逐漸劣化，通過介質(zhì)的電流與電壓值將不再滿足歐姆定律，直至絕緣性能完全失效，此時(shí)漏電流值會突然增大，會對試驗(yàn)設(shè)備造成過流沖擊，保險(xiǎn)絲燒斷。IEC標(biāo)準(zhǔn)體系中規(guī)定了試驗(yàn)設(shè)備電流的最大限值，如等同采用IEC標(biāo)準(zhǔn)的GB 4706.1-2015就要求試驗(yàn)設(shè)備跳閘電流不小于100 mA， 短路電流至少為200 mA；GB 12350-2022中明確要求跳閘電流不大于10 mA，這樣可以對試驗(yàn)設(shè)備起到一定的保護(hù)作用。但是，標(biāo)準(zhǔn)中卻未對耐壓試驗(yàn)的漏電流值作出明確的量化值要求，因此無法從漏電流的量值上考核被試設(shè)備的絕緣是否失效，發(fā)生擊穿。只能通過在試驗(yàn)中絕緣失效瞬時(shí)產(chǎn)生很大的漏電流（此電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 mA），這個(gè)漏電流觸發(fā)過流裝置動作，試驗(yàn)設(shè)備報(bào)警，此時(shí)就認(rèn)為絕緣介質(zhì)發(fā)生了擊穿現(xiàn)象。

由此可見，這個(gè)跳閘電流的設(shè)置還是對結(jié)果有一定影響的。其設(shè)置過大，損壞樣品和試驗(yàn)設(shè)備；設(shè)置過小，過流裝置會過早動作，造成誤判。因此，在采用軌道交通領(lǐng)域常用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25119-2021和GB/T 21413.1-2018這些未明示試驗(yàn)設(shè)備跳閘電流的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就需要檢驗(yàn)人員根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)、使用環(huán)境等條件綜合考慮，設(shè)置合理的跳閘電流值，以得到更為真實(shí)有效的結(jié)果。

5 結(jié) 語

綜上所述，在電氣設(shè)備的耐壓試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)的電壓類型、試驗(yàn)電壓的值確定、試驗(yàn)電壓上升時(shí)間以及試驗(yàn)電壓持續(xù)時(shí)間對試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性都有著重要的影響。因此，在試驗(yàn)中應(yīng)充分考慮被試設(shè)備的產(chǎn)品特點(diǎn)、性能，以及使用環(huán)境、實(shí)際使用狀態(tài)等因素準(zhǔn)確選擇試驗(yàn)方法，才能保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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[5]全國牽引電氣設(shè)備與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.軌道交通 機(jī)車車輛電氣設(shè)備 第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則：GB/T 21413.1-2018[S] .北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

作者簡介

萬艷，本科，工程師，研究方向?yàn)檐壍澜煌óa(chǎn)品、電子電氣產(chǎn)品的檢測及認(rèn)證管理。

崔東寧，碩士，工程師，研究方向?yàn)槌潆姌懂a(chǎn)品、電子電氣產(chǎn)品的檢測。

徐小林，碩士，工程師，研究方向?yàn)檐壍澜煌?、電子電氣產(chǎn)品的檢測。

邱心濤，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)閯恿﹄姵丶半娮与姎猱a(chǎn)品的檢測。

趙龍濤，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)閯恿﹄姵丶半娮与姎猱a(chǎn)品的檢測。

（責(zé)任編輯：袁文靜）