電器產品的耐壓測試

       在CSA，UL和IEC標準中，幾乎各種電器安全標準都會要求對產品進行耐壓測試。這就可以看出耐壓測試是電器安全標準的一個重要組成部分。

        耐壓測試（Dielectric Voltage Withstand Test）也就是俗稱的高壓測試（High Voltage Test），通過對設備施加一個高于其額定值的電壓并維持一定時間來判定設備的絕緣材料和空間距離是否符合要求的測試。本文介紹的美國和加拿大標準的耐壓測試特點，詳細地敘述了耐壓測試步驟及其指標和方法，以幫助中國企業制造出真正符合北美市場標準的電器設備。

       為什么要進行耐壓測試？

       正常情況下，電力系統中的電壓波形是正弦波。電力系統在運行中由于雷擊、操作、故障或電氣設備的參數配合不當等原因，引起系統中某些部分的電壓突然升高，大大超過其額定電壓，這就是過電壓。過電壓按其發生的原因可分為兩大類，一類是由于直接雷擊或雷電感應而引起的過電壓，稱為外部過電壓。雷電沖擊電流和沖擊電壓的幅值都很大，而且持續時間很短，破壞性極大。但由于城鎮及一般工業企業內的3－10kV與以下的架空線路，因受廠房或高大建筑物的屏蔽保護，所以遭受直接雷擊的概率很小，比較安全。而且這里討論的是民用電器，不在上述范圍內，就不進一步討論。另一類是因為電力系統內部的能量轉換或參數變化引起的，例如切合空載線路，切斷空載變壓器，系統內發生單相弧光接地等，稱為內部過電壓。內部過電壓是確定電力系統中各種電氣設備正常絕緣水平的主要依據。也就是說，產品的絕緣結構的設計不但要考慮額定電壓而且要考慮產品使用環境的內部過電壓。耐壓測試就是檢測產品絕緣結構是否能夠承受電力系統的內部過電壓。

       測試點和測試電壓值

       測試點和測試電壓值依據具體產品的相關標準來確定。美國和加拿大除了其本身的北美體系的標準以外還有以IEC為基礎的新標準。這里就用“Motor-Operated Appliances (Household and Commercial)” CAN/CSA-C22.2 No.68-92和“Portable Electrical Motor-Operated and Heating Appliances: General Requirements”C22.2 NO. 1335.1-93的標準來介紹美國和加拿大標準的耐壓測試的特點。

      • CAN/CSA-C22.2 No.68-92

       要求： 產品的帶電部分與可能接地的非帶電導電體間須施加適當頻率的交流電壓達1分鐘。具體測試電壓如下：
     a 額定電壓為31~250 V的設備，測試電壓為1000 V。
     b 額定電壓為251~600 V的設備，測試電壓為1000 V + 兩倍額定電壓。
     c 額定電壓為31~250 V，無接地而且可被人體觸及的設備，測試電壓為2500 V。
     d 對于30伏或以下的低電壓電路，測試電壓為500 V。

      • 雙重絕緣的產品

       直流耐壓測試和交流工頻耐壓測試的區別

        耐壓測試有兩種：一種是交流工頻耐壓測試, 另一種是直流耐壓測試。由于絕緣材料的特性決定了交流和直流電壓的擊穿機理不同。大多數絕緣材料和系統都包含了一系列不同的介質。當對之施加交流試驗電壓時，電壓將按材料的介電常數和尺寸等參數的比例來分配電壓。而直流電壓只按材料的電阻的比例來分配電壓。而且實際上，絕緣結構發生擊穿，往往是電擊穿，熱擊穿，放電等多種形式同時存在，很難截然分開。而交流電壓比直流電壓增加了熱擊穿的可能性。所以，我們認為交流耐壓測試比直流耐壓測試更加嚴格。實際操作中，在進行耐壓測試時，如果要使用直流做耐壓測試時，試驗電壓要求比交流工頻的試驗電壓高。一般直流耐壓測試的試驗電壓是通過把交流試驗電壓的有效值乘以一個常數K。通過對比測試，我們有如下的結果：電線電纜產品，常數K選用3； 航空工業，常數K選用1.6 至1.7；CSA對民用產品一般使用1.414。

       形式試驗和工廠測試

        形式測試是用來判斷產品的絕緣結構設計是否符合實際使用。通常是在溫升測試，潮態測試，異常測試和其它的一些測試后立即進行。一般是對產品施加試驗電壓一分鐘。

        工廠測試是檢測生產過程的生產缺陷，不是檢測絕緣結構的設計是否合理。通常是產品完成后準備包裝前進行的。產品絕緣結構的缺陷通常會有如下的情況：鋒利的部件損傷了電線絕緣層，連接線－地間或初級－次級間的電子元器件給短路了，電線的焊接點焊的不好或脫落了，爬電距離減少了，變壓器內的絕緣損壞了等等。為了適應大批量生產，工廠測試還可以將試驗電壓值提高20％，試驗時間由1分鐘縮短到1秒鐘。

       耐壓測試和擊穿測試

        標準中會指定測試時的具體電壓數值。經過耐壓測試只能說明產品的絕緣結構能承受該試驗電壓，而不能說明產品的絕緣結構究竟能承受多高的電壓。如果在進行絕緣材料的應用研究和電器設備的設計，需要測定絕緣強度時，就需要進行擊穿測試。擊穿測試就是測試電介質被擊穿時的電壓。當電場強度超過某一極限時，通過介質的電流與施加于介質的電壓關系就不符合歐姆定律，而是突然增加。如圖1所示。這時絕緣材料被破壞而失去了絕緣性能。對于一臺電氣產品，如果其絕緣發生了擊穿，它就失去了運行使用功能。這結果與耐壓測試完全不同。耐壓測試是要通過測試來保證產品沒有缺陷，能安全正常的工作。所以，耐壓測試的測試電壓是經過實踐證明是安全、可靠、有效的，應該嚴格按其執行。我們到工廠進行工廠審查時，有些工廠為了顯示其產品的質量好把耐壓測試的電壓特別提高，有的甚至提高到所要求的兩倍。這樣做是有百害無一益的。因為第一、這樣做有可能降低了產品的合格率。第二、雖然通過了測試，有可能損害了一部分絕緣結構，使產品的安全性降低。第三、有可能損壞一些元器件，使產品的質量降低，壽命減短。

        經常有人提“多大的漏電流就認為是耐壓擊穿了？”的問題。其實這個漏電流很難精確確定。因為當高壓施加到產品時，會在絕緣間產生一個穩定的微小漏電流。由于每種產品復雜程度和絕緣結構都不同，這個漏電流會隨之變化。當絕緣給擊穿時，這個漏電流將迅速增加。如圖1所示。所以一般情況下，只要將此耐壓測試儀器的過電流繼電器動作電流（即是漏電流）設定為比產品正常施加高壓時而產生的漏電流稍高就行了。請注意，這里的漏電流與泄漏電流測試（Leakage Current Test）中的泄漏電流在本質上是一樣的，都是絕緣系統在電壓的作用下產生的極微小的電流。它們的不同之處在于耐壓測試中的漏電流是在高壓的情況下產生的，而泄漏電流測試中的泄漏電流是在額定電壓下產生的。

                                                                  圖1

      可免除工廠耐壓測試的情況

       當出現下列情況時，工廠的耐壓測試可以考慮免除：
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        產品的電源輸入是其它產品次級輸出的低壓（ELV）或超低電壓（SELV），例如電源或變壓器等。
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       當成品要使用另外的電源作為部件，而這個電源是CSA認證的、具有完整的外殼和輸入輸出連接器。由于此電源是CSA認證的，它已經經過耐壓測試了，所以可以考慮免除整個產品的耐壓測試。但必須注意安裝電源前必須檢查它是否有損壞。
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        當信號變壓器用在同一電壓的線路中，而且不作為安全器件時，可考慮免除初級到鐵芯間的耐壓測試。

        測試設備要求

       對600 V以下的產品，美國和加拿大標準中通常會要求耐壓測試儀器的變壓器容量最少為500 VA，輸出電流可以達到95 mA，帶電部分到地之間的電容值不超過0.1 mF。儀器最少一年計量校正一次。形式測試之前必須進行儀器檢查，工廠測試必須定期檢查儀器, 這樣做可以避免因儀器不正常而誤判或損壞產品。

       交流耐壓測試儀器一般包括高壓測試變壓器，調壓器，電壓測量系統以及控制和保護裝置等。

圖2是手動升壓試驗裝置線路圖，供參考
 

      測試方法

      下面介紹典型的耐壓測試方法：

      1. 檢查確認耐壓測試儀的主電源開關是處于“關”的位置
      2. 除非儀器的特殊設計以外，所有的不帶電金屬部分必須可靠接地
      3. 把受測設備的所有電源輸入端的電線或端子連接起來
      4. 合上受測設備的所有電源開關，繼電器等
      5. 把耐壓測試儀的測試電壓調為零
      6. 把耐壓測試儀的高電壓輸出線（通常為紅色）連接到受測設備的電源輸入端
       7. 把耐壓測試儀的回路接地線（通常為黑色）連接到受測設備的可觸及不帶電金屬部分
       8. 把耐壓測試儀的主電源開關閉合，緩慢升高儀器的次級電壓到要求值。一般升壓速度不超過500 V/sec的速度
       9. 在指定的時間內維持這個測試電壓
      10. 把測試電壓緩慢降下來
      11. 把耐壓測試儀的主電源開關斷開。先斷開耐壓測試儀的高電壓輸出線，再斷開耐壓測試儀的回路接地線

      下列情況表示受測設備通不過測試：
      • 當出現測試電壓不能升到指定電壓值或者電壓反而下降時
      • 耐壓測試儀出現警告信號時

       需要注意的是，由于耐壓測試中存在對人身產生危險的高電壓，進行測試時必須特別小心。

      下面幾點需要特別注意的事項：
       • 必須規定只有經過訓練和授權的人員才可以進入測試區域操作儀器
       • 必須在測試區域周圍安放固定的、明顯的警告標語，防止其他人員進入危險地帶
       • 當進行測試時，包括操作人員在內的所有人員必須遠離測試儀器和受測設備
      • 當測試儀器啟動時，千萬不要觸及其輸出線

       參考文獻：
      1． CAN/CSA C22.2 No.68-92 Motor-Operated Appliances (Household and Commercial)
      2． CSA C22.2 NO. 1335.1-93 Portable Electrical Motor-Operated and Heating Appliances: General Requirements
      3． 黃鎮海，《國際貿易中的電器標準及其認證制度》