前言

耐压(Withstanding)、绝缘(Insulation Resistor)、接地电阻(Ground Bond)是电气安规测试仪的测试功能，其中的耐压测试是用电设备出厂前的必测项目，虽然这些测试应用广泛，但是许多工程师还是存在着一些知其然却不知其所以然的问题，在这份应用白皮书中我们整理了十个最常见的问题，从基本面来探讨这些问题的解答。

这十个问题分别是：

1. 耐压测试的电压要设置多少? 为何耐压测试的电压比工作电压高那么多?

2. 为何有三种测试波形?

3. 测试时间要设定多久?

4. 耐压仪器的容量如何选择?

5. 绝缘体及绝缘崩溃的定义?

6. 按照绝缘崩溃的定义，如何避免误判?

7. 发现电弧ARC、闪络(Flashover)是否意味绝缘已崩溃?

8. 绝缘电阻与耐压的测试顺序，通过绝缘电阻测试后可以不测耐压吗?

9. 高压的耐压测试是否会损坏电路中昂贵的芯片?

10. 接地与导通性量测的差别?

除了这十个常见的问题外，因为高压仪器(用于绝缘电阻量测或耐压测试的仪器)的安全隐患，所以IEC制定了对于高压仪器的最新规范IEC-61010-2-034来确保工程师使用仪器的安全，本文也将探讨这些安全隐患以及仪器厂商的因应对策，让您在分析绝缘材料或产测时得以安全地完成测试任务，最后我们将从研发到产测的测试计划及设备选购提供有效的建议。

电气安规测试的十个为什么?

一、耐压测试的电压要设置多少? 为何耐压测试的电压比工作电压高那么多?

图一输配电系统示意图 (图片授权方式如图下说明)

红色是发电设施(包含电厂的发电机组及升压变压器)；蓝色是输电设施(采取765、500、345、230及135kV高压传输的目的是为了减少输电线路上的损失)；绿色是配电设施；黑色是客户端(大型工厂为特高压用电138、161或230kV；中型工厂为超高压用电26、69kV；小型工厂为高压用电4、11、13、22kV；住家、商家用电为110、120、220、240V)。

图二 家用、商用的配电示意图

绝缘材料的耐压测试是以材料所处的输配电线位置可能产生的最大瞬变电压为依据，瞬变电压的来源包含雷击、线路中电感性负载切换的感应电压、接地不良、静电放电(ESD)、市电故障排除等，输配电系统每一段的最大瞬变电压皆不相同，以住家、商家的110~240V为例，瞬变电压会达1000伏特(图三)，GE公司在住宅电力在线纪录24小时的瞬变电压结果。

图三 瞬变电压

我们常见的耐压测试公式：1000V+两倍的工作电压，便是基于图三的研究，绝缘材料须可承受配电位置可能的瞬变电压1000V，而两倍的工作电压是工作电压再加上一个工作电压当余裕度(Margin)以确保用电设施的绝缘是安全无虞的。

另一个瞬变电压的线索可以从EN61010-2-030标准的量测类别得知，仪器的量测类别分为CAT II(插座到用电设备一次侧)突波峰值电压2500伏、CAT III(插座到配电盘的无熔丝开关)突波峰值电压4000伏、CAT IV(配电盘到低压配电装置) 突波峰值电压6000伏。

二、为何有三种测试波形？

耐压测试的波形有三种：分别是交流，直流、还有冲击波(Impulse)。

使用交流波形测试最为标准单位接受，原因在于交流波形与我们实际的用电环境相同，正半周、负半周皆有测试，对于待测物(DUT)的杂散电容，交流波形没有充放电的议题，这些都是交流波形的优点，但交流波形也有缺点，缺点的部分我们会在第四题中以测试的等效电路来说明，产测时通常以泄漏电流作为合格(Pass)/不合格(Fail)的判断准则，使用直流波形的目的是为了解决交流波形测试的泄漏电流量测误差较大的问题。

最后一种波形是冲击波(Impulse)，冲击波(Impulse)是模拟输配电线路上的实际波形样貌，瞬变电压分为脉冲型与震荡型，冲击波(Impulse)模拟雷击等脉冲型瞬变电压，变电、输配电系统中使用的装置，例如：断路器、隔离器，绝缘碍子等便需要用这种波形来测试。

总而言之：测试波形是为了还原真实使用环境的波形样貌或解决测试上的议题。

三、测试时间要设定多久？

耐压测试分为研发阶段的型式测试(Type test)与量产时的例行性测试(Routine test)， 型式测试在研发阶段从绝缘材料的选用、组成模块到雏型机等阶段都要进行测试，雏型机型式测试的测试时间是60秒，如果是对材料或模块进行余裕度验证(Margin verification)则会进行破坏性实验，测试电压与测试时间皆以实验到材料或模块发生绝缘崩溃为止。

例行测试(Routine test)因为考虑产能与测试成本，所以测试时间多半为1~3秒，为了弥补测试时间变短可能无法检出不良品的议题，通常会将测试电压提高10~20%。对于一些不容出错的应用或是对自身质量要求高的厂商，还是会用形式测试的60秒作为例行测试的时间。

注意事项：以上的测试时间是指在待测物(DUT)上已建立足够的测试电压为前提。

建立足够的测试电压：交流耐压必须考虑从零点启动到建立设定的测试电压所需的时间；直流耐压必须考虑杂散电容与滤波电容的充电时间，电容器的特性是时变的电压会产生电流，电容不允许电压瞬间变化。

电容不允许电压瞬间变化，电压的变化从上式(2)中可以看出受到两个变量的影响，第一个变量是充电电流(I charge)、第二个变数是电容值(C)。

假设一个线路中充电电流是1uA、杂散电容是0.0025uF，如果我们要在这个电容上建立1500V的电压，带入(2)式后计算得知每1秒的上升电压为400V，要建立一个1500伏特的时间需要花3.75秒，这是物理特性上的限制。

所以在测试前最好用LCR表量测一下待测物的等效电容，这样有助于精准的确认所需的上升时间，从这个说明也可以理解到直流耐压测试的一个缺点，就是电容的充电与放电时间会影响产测的测试产能。

敬请期待，未完待续，在下篇文章中我们将继续为大家介绍4-10的内容。

用于绝缘电阻量测或耐压测试的仪器是透过输出高电压，量测小电流，再透过欧姆定律换算电阻，过去的标准未思考到许多客户端的安全隐患，这些隐患包含：

1. 原本基本绝缘的要求不足以保证使用者的安全

2. 意外输出：操作仪器高电压输出的按钮可能被误触

3. 电力系统断电、电力恢复后仪器可能处于自动输出的危险状态

4. 设备未能有效地将测试的残余电压放电至安全电位

5. 后面板输出时在后面板并未提供警告

IEC/EN 61010-1:2010 测量，控制和实验室用电器设备的安全要求 - 第1部分：通用要求。仪器本身要符合IEC/EN61010的标准，因为以上的安全隐患，对于绝缘电阻和耐压测试设备于2017年新增了IEC 61010-2-034:2017 测量，控制和实验室用电器设备的安全要求 - 第2-034部分：绝缘电阻测量设备和耐压测试设备的特殊需求，但凡输出电压超过50伏特(交流)或120伏特(直流)的绝缘电阻测量设备和耐压测试设备的仪器须适用此新标准，标准公布后于2021年生效，UL于2019年7月12日参照IEC标准发布UL61010-2-034标准，中国于2020年12月24日国家标准化管理委员会下达2020年第四批推荐性国家标准计划(文件号 国标委发[2020]53号)序号115将IEC61010-2-034编列计划号20204746-T-604，由此可见此安全议题已受到主要国家的重视。

固纬电子于2020年4月16日发表全球第一台符合IEC-61010-2-034标准的GPT-12000系列电气安规分析仪，针对上述的安全隐患提出了完整的对策。

1. 高压继电器、高压变压器改采符合双重绝缘的零件，高压板的走线距离亦符合双重绝缘的要求，量测回路变更设计，加入保护阻抗，隔离高压侧危险电压，以符合双重绝缘要求。

2. IEC新规范对于意外输出的规定，可采取以下对策的其中之一来因应。

2-1 高压输出开关要长按1秒后才可以有输出 (考虑安全与产测的便利与效率，固纬GPT12000/15000系列采取此对策)

2-2 输出开关需要钥匙才能启动

2-3 输出开关需在弹簧盖之下，启动时需打开弹簧盖才能按输出开关

2-4 需要使用两只手同时按压两个开关才能输出

3. 设备输入端电源供应失效再回复后，即便输出开关是按下的，设备还是要处在安全的情况(无危害)，固纬的GPT12000/15000系列在侦测输入电源消失10个周期后便会停止输出。

4. 在放电回路加上56k欧姆的放电电阻，确保直流模式下针对大电容测试完成后的放电机制必须要在10秒内放电至低于30%的安全电压。

5. IEC的标准要求使用闪烁(50-300次/分钟，亮起的时间至少40%)或恒亮的红色警示灯号。或可采用高对比度色的可见/可变指示器，或采用高音量的声音警示(70 dBA以上/小于5kHz)。固纬电子采用前、后面板皆设置输出警示灯方式处理。

高压仪器使用上的自保之道

即使采用了符合IEC61010-2-034最新安全标准的仪器，如果在使用现场未能依据安全的安装及操作方法，仪器操作人员还是会有安全顾虑。

1. 仪器一定要正确接地，本文的问题十已讨论过接地的重要性，但是建筑物的接地状况如何确定? 看到插座有三孔就是有接地吗?

图十：为Amprobe公司的电源插座检查器 (本图参考自Amprobe公司网站)

可用三用电表来检查或是用图十简易的电源检查器，这种检查器可确认接地是否正确接地，火线、水线是否反接等电源配电议题。固纬的GPT12000/15000系列后面板具备额外的接地连接端子，当电源的三插无正确接地时，可透过此端子另做接地，再者仪器本身具备接地失效侦测功能，当侦测到仪器接地失效时会停止输出以达到保护要求(此功能亦可关闭)。

图十一：固纬GPT-12000系列后面板

2. 绝缘桌垫、绝缘地板、绝缘手套、护目镜等安全措施一个不能少，也由于操作时须戴绝缘手套，所以耐压测试仪器不建议采用触控屏幕的操作接口设计。

从研发到产测的测试计划及设备布建

研发阶段：透过破坏性实验，了解绝缘材料余裕度。安规分析仪须具备V-I曲线扫描功能，确认绝缘崩溃。接下来透过统计功能，计算平均值，设定产测允收标准。可回顾图七的绝缘崩溃V-I曲线，统计分析请见图十二。GPT12000/15000系列提供屏幕快拍功能，可储存测试画面，简化您制作测试报告或产测的标准作业流程(SOP)的工作以节省时间。

产测的布建：当制程稳定、良率高时，可透过多信道的扫描盒或多信道的安规分析仪(请见图十三)来提高产测的效率，产测的安规分析仪若支持U盘的设定复制功能，则可以节省产线的测试布建时间。

图十二：统计分析

图十三：图左多信道GPT-9500系列。图右GPT-9800系列搭配扫描盒

结论

选择符合最新安全标准IEC 61010-2-034:2017的耐压/绝缘测试设备并正确的接地是保障使用安全的第一要务，应用层面的不二法门便是了解测试标准与仪器工作原理，透过这十个问题的释疑希望对安规工程师的工作有所帮助。而根据台北市2017~2019年的统计，电气因素造成的火灾占20.1%(783件/2560件)，电气因素火灾造成的伤亡为受伤29人占46.8%、死亡15人占34.1%，从这些数据我们更期盼安规工程师能为产品的电气安全严格把关，让这些不幸事件可以降到最低。

如有测量的应用议题欢迎透过以下邮箱与笔者交流(作者： 固纬电子 吴俊贤协理)

stephen_wu@goodwill.com.tw 或 stephen.wu2006@gmail.com

参考文献：

1. 2013年2月消防月刊：电气事故处理之探讨(上) 作者：徐忠贤

2. 世腾认证集团 Cerpass EN 61010 之安规简介

3. 2014年10月15日 The Hipot test 作者：Richard Nute

4. 施耐德电机 — 数据中心科研中心 第 18 号白皮书 七种类型的电源问题 作者：Joseph Seymour 和 Terry Horsley

5. 维基百科 Wikipedia

6. 判别产品绝缘特性的电气强度测试 安规测试专栏（4）作者：UL

7. 电力人第16期 2014年11月 电力技术专栏：绝缘电阻要高或要低 作者：黄圣禄、邱敏彦、李长兴、颜世雄

8. NTS公司网站https://www.nts.com/services/testing/electrical/electrochemical-migration/

9. Amprobe公司网站

10. 台北市火灾3年酿44死 电气肇因逾3成 记者黄丽芸　2020年4月26日

关键词:耐压测试仪 安全 电气安规测试

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来 源：固纬电子

编辑：仪器仪表WXF

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