基本原理闡述

導體與絕緣

簡單來說，凡物質中存有大量可自由移動的帶電質點者稱為導體，反之則稱為絕緣體。絕緣體並非完全沒有可移動的電子，只是比例上數目很少，也因此當外加電場強度增強時，就有可能把物質由絕緣體變成導體，形成所謂的絕緣崩潰（Insulation Breakdown）。

若絕緣是以氣體或液體形式存在，其絕緣性能是可以在絕緣崩潰發生後再恢復的，條件是外加電場降低至該絕緣的崩潰場強（Breakdown Field Strength，即造成崩潰所需之電場強度）以下，也因此氣體或液體絕緣常被稱為可恢復的絕緣（Renewable Insulation）。但若絕緣是以固體形式存在，通常發生絕緣崩潰後就無法再繼續提供原有的絕緣功能。

絕緣性能的評估

電氣強度測試即是用於確認該絕緣在特定電場作用下是否仍能保持所需之絕緣性能的重要指標，亦是決定電力設備及其元件最終使用壽命的關鍵因素。絕緣的崩潰電壓通常受材料的組成、厚度、環境條件及電極形狀、佈置…等因素影響。材料抵抗電場作用的能力通常以介電強度（Dielectric Strength）來表示。均強電場下，介電強度定義為樣品崩潰電壓與其厚度之比，單位常為MV/m，比方說：石英（Quartz）可達8MV/m，而空氣一般則分佈於0.4MV/m（針狀電極）至3.1MV/m（平版電極）的區間。此外，當電介質中含有水分、氣泡及細微雜質時，亦可使得崩潰場強降低。

電氣強度測試的意義

基本上，電氣強度測試的測試電壓通常大於設備工作電壓，或者換言之，當設備可能暴露於特定過電壓等級（Overvoltage Category）並大於設備存在的工作電壓時，對絕緣的允收標準就必須拉高到過電壓等級。反之，當設備的工作電壓高於過電壓等級時，測試電壓就不能小於該工作電壓。所以電氣強度測試的第一要務就是提供一個預期待測絕緣可能暴露的電場強度。

電氣強度測試是要驗證該電氣絕緣是否能夠符合標準所規範的最小要求，進而確保電氣隔離（例如：隔離變壓器）不至崩潰，而讓使用者可觸及的區域暴露於危險電壓下。電氣強度測試也常常運用於機械性測試或故障模擬測試之後，以確認絕緣能力是否依然存在。生產線上的電氣強度測試可以檢驗因組裝而產生的機械性絕緣受損，亦可發現設備是否有外物進入等。

此外，電氣強度測試可用於對設備本體所提供的絕緣阻抗做一次全面的總體檢，亦適用於檢驗某材料的崩潰場強是否大於實際應用可能承受之電場強度。

國際安規標準 UL/IEC 60950-1 相關條文精讀

絕緣崩潰的定義

UL/IEC 60950-1章節 5.2.2 對於絕緣崩潰的敘述如下：

• Insulation breakdown is considered to have occurred when the current that flows as a result of the application of the test voltage rapidly increases in an uncontrolled manner, that is the insulation does not restrict the flow of the current. Corona discharge or a single momentary flashover is not regarded as insulation breakdown.

絕緣崩潰的認定是：待測絕緣所流經之電流已經可以隨測試電壓的上升而產生對應的電流（失控地陡升），也就是說，待測絕緣已經無法有效地於測試電場強度下限制電流的增長。電暈放電（Corona Discharge）與單一瞬間的閃絡（Flashover）並不會被認定為絕緣崩潰。該定義基本上是符合現今科技的認知。

絕緣並聯於提供直流路徑（d.c. Path）的元件

章節5.2.2裡的NOTE 3是另一個值得注意地方：

• NOTE 3 Components providing a d.c. path in parallel with the insulation to be tested, such as discharge resistors for filter capacitors and voltage limiting devices, should be disconnected.

電氣強度測試中，與待測絕緣並聯之阻型或變阻型元件（例如：RC濾波電路所使用之洩放電阻或是電壓限制型元件）是可以允許斷開的。在實務電氣強度測試中，這些能夠提供一個直流通過的路徑元件（即阻型元件），難以避免地會增加耐壓測試機所偵測之通過（Let-through）電流而觸發蜂鳴器，因而讓測試人員誤以為絕緣崩潰，也就是所謂的假失敗（False Failure），例如：測試所採用的耐壓機預設之觸發電流為10mA，所有通過絕緣的電流假設為12mA，只要通過電流足以維持定值，按標準是不可以判定為絕緣崩潰。

因此，大膽推斷，電氣強度測試主要是考慮阻型電流，根本不考慮或是默許電容性與變阻性所產生的洩漏電流。而電容性與變阻性洩漏電流的元件則是由5.2以外的章節來規範其安全性。

《圖一　假失敗（False Failure）圖示》

電氣強度測試的假失敗

我們無法否認觸發電流的設定對於判定絕緣崩潰確有其方便性、單純又不昂貴，且行之有年並為業界熟悉及接受。倘若以『使用設定觸發電流當作絕緣崩潰的判定依據』為假設，即表示其待測絕緣所通過的介電電流超過觸發電流的設定值即可判定為絕緣崩潰。這個立論適用於大部分的狀況，然而，當待測絕緣在測試電壓下的介電電流確為定值，且不及標準所定義之絕緣崩潰，一旦該電流大於預設之觸發電流就會推翻此立論，假失敗便會產生，對於原先符合標準要求的設備或材料即會判為不符合。

在標準中，未定義介電電流的標準值，換句話說，觸發電流的設定亦不存在一個絕對解。因此，當耐壓機觸發時，應更進一步確認待測絕緣是否崩潰，例如：透過示波器監測介質電流，不該直接判定失敗，而是透過診斷的方式找出絕緣崩潰的起始點，明確之後進而改善標的物。電氣和電子工程師協會所制訂的標準IEEE 95的第八章：故障位置診斷（Fault Location）對此有進一步的資訊。

《圖二　真失敗（True Failure）圖示》

耐壓測試儀器的技術要求

也因此，相較於觸發電流的設定值，更應關注以下議題：

預期短路電流（Prospective Short-circuit Current）

此參數乘以測試電壓之後的積，可以表示高壓測試設備的容量。如果我們說某一高壓測試設備內部之高壓變壓器（如圖三）最高可提供的測試電壓為5KV且容量是500VA，則其最小預期短路電流便是100mA。此參數的大小與該高壓變壓器的阻抗參數有直接的關係，它的變化也牽動著該測試設備是否可以有足夠的電磁轉換能力正確無誤地提供所需的測試電壓。

《圖三　耐壓機的典型方塊圖》

雖然UL/IEC 60950-1並未規範此一參數，但透過其絕緣相關的母法IEC 60664-1（低壓受電設備之絕緣協調Insulation Coordination for Equipment within Low-voltage System）中可找出蛛絲馬跡。IEC 60664-1章節6.1.3.4：A.C. Power Frequency Voltage Test交流電源頻率電壓測試，建議高壓產生設備之輸出短路電流不得小於200mA，且符合IEC 61180-2（對於低壓設備所施行之高壓測試方法High-voltage Test Techniques for Low-voltage Equipment，Part 2：Test Equipment測試設備），倘若測試電壓超過3 KV時，容量只要不小於600VA者則視為符合。對於觸發電流則建議為100mA也是傾向較高的設定；而生產線耐壓測試所用則不得小於3.5mA（DC則為10mA）即可。

UL/IEC 60065章節10.3.2更直接規範預期短路電流不得小於200mA；觸發電流亦不得小於100mA。其它產品標準，諸如UL/IEC 60335-1也有類似的要求。故可知其重要程度。

交流電壓？或是直流電壓？

大家普遍的認知是兩者之間的轉換，意即交流與直流的測試電壓可以透過sqr 2自由轉換。就技術上，交流與直流（交流值乘上根號2）電壓所提供的電氣應力並非完全相等。比較正確的作法是依循該待測絕緣承受電氣應力的形式而定，例如：變壓器正常是受交流型式之電氣應力的，所以應以交流電壓來實施。當待測絕緣存在過多的並聯電容時，直流電壓測試是可以允許的。

UL/IEC 60065 章節10.3.2有更直接的要求；IEC 60664-1亦有交流與直流測試電壓進一步的定義；IEC 61180-2則提供測試設備之儀器校驗與量測不確定度的相關要求。

結語

產品的絕緣性能好壞，可以透過電氣強度測試進行評估，然而測試的結果取決於環境、人為、對測試數值的判定等因素影響，因此瞭解電氣強度測試的立意，並考慮實際在量測儀器上的操作，將有助於電氣強度測試的準確評估。

…本文由UL提供，UL是一獨立且具公信力的產品安全標準發展、測試與認證組織，每年評估超過 1萬9000多種類的產品、元件及物料等，全球約有200多億個具UL標誌的產品在世界各地流通…