高阻抗电弧的深度探讨

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简介:高阻抗电弧|介电击穿|Dielectric Breakdown|破坏性放电|Disruptive discharge|
测试耗材

高阻抗电弧的深度探讨

以全球市场的观点而言,产品制造厂商必须依照不同的安规测试标准来生产符合不同国界产品的需要。例如销往欧洲的产品要符合如IEC(国际电工技术委员会)或EN(欧洲标准),或是以美国市场为主的UL标准等。

就提高产品的安全性与可靠性来说,抗电测试(通常称为高压测试、瞬间测试或安规测试)就是产品的质量保证,也是日后产品能正常运作的依据。所谓的高压测试就是把比正常电压高的电压加在被测设备(DUT)的通电流导体与不通电流部件之间,其目的是检测绝缘超过正常运作上可能遇到的情况。而高压测试则是被用来证明被测设备能在额定电压下安全地运作,而且能够「抵抗」由电源开关而来或其它类似的市电输入电压现象引起的瞬间超压。这种测试也是用来寻找产品缺陷非常有效的方法,例如:导体之间的间隔减小或是绝缘损坏。

是什么构成介质电击穿呢?应该把高阻抗打飞弧(Arcing)的情况看作一种介电失效吗?最大容许泄漏电流该怎样正确设置呢?当使用不同高压测试仪来测试产品时,其产生的测试结果常常出现这些问题。在高压仪器中使用的失效探测线路类型与电流灵敏度设置常常因几个原因而改变。这些原因包括所测试产品的类型与结构和它们所必须符合的技术规格(标准)。为了确任适合用途的正确设置,我们必须先弄清楚“介电击穿(Dielectric Breakdown)”和“击穿放电(disruptive discharges)”的一般定义。

什么是介质崩溃?(Dielectric Breakdown)?

介质崩溃的定义是:「介电击穿是当加在电介质材料上的电场强度超过临界值时,流过该电介质材料电流的突然增大,而电介质材料完全失效的特征是由于一个突然增加的高电压而导致其击穿放电。」

什么是击穿放电(Disruptive Discharge)?

依照美国电气电子工程师学会给予的定义:「破坏性放电(Disruptive discharge)是在电压作用下与绝缘失效有关的现象。在试验中,放电全部桥接了绝缘,电极间的电压降低到零或接近零。击穿放电受随机变化的影响,为了得到统计上有效击穿放电的电压值必须进行大量的观察。

一般定义击穿放电是这样描述:固体、液体、气体介质及其组合介质在高电压作用下,介质强度丧失的现象;破坏性放电时,电极间的电压迅速下降到零或接近于零。

这些定义使我们对这些专业名词有了基本的了解。同时,许多安全机构标准给我们进一步定义应看作失效的情况。然而,他们往往没有对高压测试仪的击穿或电弧灵敏度应该如何设置提供具体的界限。

IEC 60601 医疗电子设备节20.4F规定

「试验时不得发生闪络或击穿。如发生轻微的电晕放电,但当试验电压暂时降到高于基准电压(U)的较低值时,放电停止,且这种放电现象不会引至试验电压的下降,则这种电晕放电可以不考虑。」(摘自IEC601-1---1988)

IEC60950 信息技术设备的安全5.2.2规定

「(耐压)测试期间,绝缘不应击穿。当由于加上试验电压而引起的电流以失控的方式迅速增大,即绝缘无法限制电流时,则认为已发生绝缘击穿。电晕放电或单次闪络不认为是绝缘击穿。」(摘自IEC60905-1---2001)。

UL 544 医疗与牙科设备64.1.3节这样定义不能接受的性能表现

「不能接受的性能表现通常由测试设备中一个适当过载保护器的跳闸来表示,但是电压表读数的突然减小、滞后的非线性增加或电流的突然增大也都可能是绝缘失效的表示。必须特别注意电器中的高阻抗电路,以便探测出造成着火或电击危险的击穿情况。」UL 511还进一步规定「测试设备的最大灵敏度必须符合UL120,000奥姆要求,这要求按测试电压来设定允许的泄漏电流。」

有些安规标准建议泄漏电流最大允许值应该由制造产品的厂家来决定,透过确认的良品进行多次测试并记录其泄漏电流,然后把高压仪的漏电流上限值调到比这个漏电流值稍高的值,并以此值为跳闸电流值。

上面的几个标准说明高压仪测试仪器的失效标准。虽然几个标准都涵盖医疗产品和其它产品,而且都认为击穿放电应视为失效,但是它们在探测高阻抗电弧情况或电晕方面却不同。

电弧失效与高电流失效有什么不同?

在介电击穿之前,导体周围可能形成电晕或高阻抗电弧。在某些情况下,可以把电晕定义为空气电离引起的荧光放电、电场中导体边棱处电应力集中引起的部分击穿,或是高阻抗电弧与电晕产生迭加到低频波上的高频脉冲,这些脉冲的频率可能在从不足30 kHz到超过1 MHz的范围,持续时间可能非常短,很多时候这些脉冲远短于10微秒。(参看图一)

高阻抗电弧|介电击穿|Dielectric Breakdown|破坏性放电|Disruptive discharge|

图一

这些短时间的脉冲或尖峰不会立即造成引起电流增大或输出电压跌降的击穿放电。(如上述安全机构标准的规定),如果测试电压降低时电晕停息或者打弧的情况并不表现出电击或着火的危险,那就不认为是失效。所以虽然某些安全标准许可有电晕的被测设备通过高压测试,但这种电晕却表示绝缘系统可能有潜在问题。

电弧的结构不是一成不变的。例如,在间隔相同时两个圆滑表面之间的击穿电压跟两个尖针之间的会有很大不同。电弧发生点与探测器之间线路的阻抗与分布电容,也可能影响由电弧探测器监视电流波形产生的di /dt(电流随时间的变化速率)。而电压量、上升速率、极性和波形全都影响电晕与电弧情况发生的速度;温度、湿度和气压则会影响电晕开始出现的电压和击穿的电压电频。

高压仪怎样区分电弧失效和其它的失效?

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图二

先进高压测试仪实际上有三个分开的探测器线路去侦测高压测试中失效发生的原因(参看图二)

泄漏探测系统(HI / LO -LMT)

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图三

第一个探测器电路是泄漏探测系统(HI / LO -LMT),这个线路提供一个可调节的最小电流值、可透过程控或者仪器内存的最大电流值,并以每秒3~5次的取样速率取样泄漏电流值,并比较其测量出的泄漏电流高低值。低限线路对探测产品安全性不是必要的,但是通过监视测试中有一个最低电频的电流流过可以确保对被测设备进行适合的测试。如果由于操作员的失误、断开的测试引线或者一个连接器的插针断了而没有正确连结被测设备的话,测试时就产生不了最小泄漏电流。高限线路监视超过使用者在仪器调试时编程好的最高电平的过量泄漏(参看图三)。

过载探测系统(OVERLOAD)

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图四

第二个线路是主回路过载探测系统(OVER LOAD),这个电路有高于输出电流额定值的固定硬件设定点,其一当被测设备中发生灾害性短路或击穿的情况时就在400微秒内关掉高压(参看图四)。这个线路因为当探测到有可能超过仪器的最大输出电流的高电流失效时就迅速把高压关掉,为使用者提供了最大的安全性。

电弧探测系统(ARC)

图五

第三个电路是电弧探测系统(ARC),它是透过一个对高于10 kHz的高频有回应的高通滤波器。当这些高频信号被送进一个比较器并对照使用者在调试时选定的灵敏度位准来检验。如果超过该位准,一个中断信号就送进CPU,CPU就在400微秒内关掉高压仪(参看图五)。有的仪器设置容许使用者关掉电弧探测电路。一般厂家会将电弧侦测用于研发或品保的验证上,但是生产线进行的高电压测试;由于环境及各种因素下容易造成误判,会建议将电弧探测系统关闭。

结论

测试条件的多变和电弧发生原因在各安全机构标准上缺少明确的定义及规范,以至各制造高压测试仪的厂家难以给这些失效探测模式定义出一个固定范围。高压测试仪有泄漏电流限值(HI/LO Limit)设定和电弧位准(Arc Level)设定功能可以具体符合安规及各厂家的测试要求。总而言之,当电弧探测系统在正确的条件下使用且使用得当时,可以提供有关产品设计与安全性的有价值的信息。然而,厂家首先要确定电弧探测是适用于他们的产品,免得把实际上为安全的电器产品判为失效。

 


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