前言
耐壓(Withstanding)、絕緣(Insulation Resistor)、接地電阻(Ground Bond)是電氣安規(guī)測試儀的測試功能，其中的耐壓測試是用電設備出廠前的必測項目，雖然這些測試應用廣泛，但是許多工程師還是存在著一些知其然卻不知其所以然的問題，在這份應用白皮書中我們整理了十個最常見的問題，從基本面來探討這些問題的解答。
這十個問題分別是：
1. 耐壓測試的電壓要設置多少? 為何耐壓測試的電壓比工作電壓高那么多?
2. 為何有三種測試波形?
3. 測試時間要設定多久?
4. 耐壓儀器的容量如何選擇?
5. 絕緣體及絕緣崩潰的定義?
6. 按照絕緣崩潰的定義，如何避免誤判?
7. 發(fā)現(xiàn)電弧ARC、閃絡(Flashover)是否意味絕緣已崩潰?
8. 絕緣電阻與耐壓的測試順序，通過絕緣電阻測試后可以不測耐壓嗎?
9. 高壓的耐壓測試是否會損壞電路中昂貴的芯片?
10. 接地與導通性量測的差別?
除了這十個常見的問題外，因為高壓儀器(用于絕緣電阻量測或耐壓測試的儀器)的安全隱患，所以IEC制定了對于高壓儀器的最新規(guī)范IEC-61010-2-034來確保工程師使用儀器的安全，本文也將探討這些安全隱患以及儀器廠商的因應對策，讓您在分析絕緣材料或產(chǎn)測時得以安全地完成測試任務，最后我們將從研發(fā)到產(chǎn)測的測試計劃及設備選購提供有效的建議。
電氣安規(guī)測試的十個為什么?
一、耐壓測試的電壓要設置多少? 為何耐壓測試的電壓比工作電壓高那么多?
圖一輸配電系統(tǒng)示意圖 (圖片授權方式如圖下說明)
紅色是發(fā)電設施(包含電廠的發(fā)電機組及升壓變壓器)；藍色是輸電設施(采取765、500、345、230及135kV高壓傳輸?shù)哪康氖菫榱藴p少輸電線路上的損失)；綠色是配電設施；黑色是客戶端(大型工廠為特高壓用電138、161或230kV；中型工廠為超高壓用電26、69kV；小型工廠為高壓用電4、11、13、22kV；住家、商家用電為110、120、220、240V)。
圖二 家用、商用的配電示意圖
絕緣材料的耐壓測試是以材料所處的輸配電線位置可能產(chǎn)生的最大瞬變電壓為依據(jù)，瞬變電壓的來源包含雷擊、線路中電感性負載切換的感應電壓、接地不良、靜電放電(ESD)、市電故障排除等，輸配電系統(tǒng)每一段的最大瞬變電壓皆不相同，以住家、商家的110~240V為例，瞬變電壓會達1000伏特(圖三)，GE公司在住宅電力在線紀錄24小時的瞬變電壓結果。
圖三 瞬變電壓
我們常見的耐壓測試公式：1000V+兩倍的工作電壓，便是基于圖三的研究，絕緣材料須可承受配電位置可能的瞬變電壓1000V，而兩倍的工作電壓是工作電壓再加上一個工作電壓當余裕度(Margin)以確保用電設施的絕緣是安全無虞的。
另一個瞬變電壓的線索可以從EN61010-2-030標準的量測類別得知，儀器的量測類別分為CAT II(插座到用電設備一次側)突波峰值電壓2500伏、CAT III(插座到配電盤的無熔絲開關)突波峰值電壓4000伏、CAT IV(配電盤到低壓配電裝置) 突波峰值電壓6000伏。
二、為何有三種測試波形？
耐壓測試的波形有三種：分別是交流，直流、還有沖擊波(Impulse)。
使用交流波形測試最為標準單位接受，原因在于交流波形與我們實際的用電環(huán)境相同，正半周、負半周皆有測試，對于待測物(DUT)的雜散電容，交流波形沒有充放電的議題，這些都是交流波形的優(yōu)點，但交流波形也有缺點，缺點的部分我們會在第四題中以測試的等效電路來說明，產(chǎn)測時通常以泄漏電流作為合格(Pass)/不合格(Fail)的判斷準則，使用直流波形的目的是為了解決交流波形測試的泄漏電流量測誤差較大的問題。
最后一種波形是沖擊波(Impulse)，沖擊波(Impulse)是模擬輸配電線路上的實際波形樣貌，瞬變電壓分為脈沖型與震蕩型，沖擊波(Impulse)模擬雷擊等脈沖型瞬變電壓，變電、輸配電系統(tǒng)中使用的裝置，例如：斷路器、隔離器，絕緣礙子等便需要用這種波形來測試。
總而言之：測試波形是為了還原真實使用環(huán)境的波形樣貌或解決測試上的議題。
三、測試時間要設定多久？
耐壓測試分為研發(fā)階段的型式測試(Type test)與量產(chǎn)時的例行性測試(Routine test)， 型式測試在研發(fā)階段從絕緣材料的選用、組成模塊到雛型機等階段都要進行測試，雛型機型式測試的測試時間是60秒，如果是對材料或模塊進行余裕度驗證(Margin verification)則會進行破壞性實驗，測試電壓與測試時間皆以實驗到材料或模塊發(fā)生絕緣崩潰為止。
例行測試(Routine test)因為考慮產(chǎn)能與測試成本，所以測試時間多半為1~3秒，為了彌補測試時間變短可能無法檢出不良品的議題，通常會將測試電壓提高10~20%。對于一些不容出錯的應用或是對自身質(zhì)量要求高的廠商，還是會用形式測試的60秒作為例行測試的時間。
注意事項：以上的測試時間是指在待測物(DUT)上已建立足夠的測試電壓為前提。
建立足夠的測試電壓：交流耐壓必須考慮從零點啟動到建立設定的測試電壓所需的時間；直流耐壓必須考慮雜散電容與濾波電容的充電時間，電容器的特性是時變的電壓會產(chǎn)生電流，電容不允許電壓瞬間變化。
電容不允許電壓瞬間變化，電壓的變化從上式(2)中可以看出受到兩個變量的影響，第一個變量是充電電流(I charge)、第二個變數(shù)是電容值(C)。
假設一個線路中充電電流是1uA、雜散電容是0.0025uF，如果我們要在這個電容上建立1500V的電壓，帶入(2)式后計算得知每1秒的上升電壓為400V，要建立一個1500伏特的時間需要花3.75秒，這是物理特性上的限制。
所以在測試前最好用LCR表量測一下待測物的等效電容，這樣有助于精準的確認所需的上升時間，從這個說明也可以理解到直流耐壓測試的一個缺點，就是電容的充電與放電時間會影響產(chǎn)測的測試產(chǎn)能。
敬請期待，未完待續(xù)，在下篇文章中我們將繼續(xù)為大家介紹4-10的內(nèi)容。
用于絕緣電阻量測或耐壓測試的儀器是透過輸出高電壓，量測小電流，再透過歐姆定律換算電阻，過去的標準未思考到許多客戶端的安全隱患，這些隱患包含：
1. 原本基本絕緣的要求不足以保證使用者的安全
2. 意外輸出：操作儀器高電壓輸出的按鈕可能被誤觸
3. 電力系統(tǒng)斷電、電力恢復后儀器可能處于自動輸出的危險狀態(tài)
4. 設備未能有效地將測試的殘余電壓放電至安全電位
5. 后面板輸出時在后面板并未提供警告
IEC/EN 61010-1:2010 測量，控制和實驗室用電器設備的安全要求 - 第1部分：通用要求。儀器本身要符合IEC/EN61010的標準，因為以上的安全隱患，對于絕緣電阻和耐壓測試設備于2017年新增了IEC 61010-2-034:2017 測量，控制和實驗室用電器設備的安全要求 - 第2-034部分：絕緣電阻測量設備和耐壓測試設備的特殊需求，但凡輸出電壓超過50伏特(交流)或120伏特(直流)的絕緣電阻測量設備和耐壓測試設備的儀器須適用此新標準，標準公布后于2021年生效，UL于2019年7月12日參照IEC標準發(fā)布UL61010-2-034標準，中國于2020年12月24日國家標準化管理委員會下達2020年第四批推薦性國家標準計劃(文件號 國標委發(fā)[2020]53號)序號115將IEC61010-2-034編列計劃號20204746-T-604，由此可見此安全議題已受到主要國家的重視。
固緯電子于2020年4月16日發(fā)表全球第一臺符合IEC-61010-2-034標準的GPT-12000系列電氣安規(guī)分析儀，針對上述的安全隱患提出了完整的對策。
1. 高壓繼電器、高壓變壓器改采符合雙重絕緣的零件，高壓板的走線距離亦符合雙重絕緣的要求，量測回路變更設計，加入保護阻抗，隔離高壓側危險電壓，以符合雙重絕緣要求。
2. IEC新規(guī)范對于意外輸出的規(guī)定，可采取以下對策的其中之一來因應。
2-1 高壓輸出開關要長按1秒后才可以有輸出 (考慮安全與產(chǎn)測的便利與效率，固緯GPT12000/15000系列采取此對策)
2-2 輸出開關需要鑰匙才能啟動
2-3 輸出開關需在彈簧蓋之下，啟動時需打開彈簧蓋才能按輸出開關
2-4 需要使用兩只手同時按壓兩個開關才能輸出
3. 設備輸入端電源供應失效再回復后，即便輸出開關是按下的，設備還是要處在安全的情況(無危害)，固緯的GPT12000/15000系列在偵測輸入電源消失10個周期后便會停止輸出。
4. 在放電回路加上56k歐姆的放電電阻，確保直流模式下針對大電容測試完成后的放電機制必須要在10秒內(nèi)放電至低于30%的安全電壓。
5. IEC的標準要求使用閃爍(50-300次/分鐘，亮起的時間至少40%)或恒亮的紅色警示燈號?；蚩刹捎酶邔Ρ榷壬目梢?可變指示器，或采用高音量的聲音警示(70 dBA以上/小于5kHz)。固緯電子采用前、后面板皆設置輸出警示燈方式處理。
高壓儀器使用上的自保之道
即使采用了符合IEC61010-2-034最新安全標準的儀器，如果在使用現(xiàn)場未能依據(jù)安全的安裝及操作方法，儀器操作人員還是會有安全顧慮。
1. 儀器一定要正確接地，本文的問題十已討論過接地的重要性，但是建筑物的接地狀況如何確定? 看到插座有三孔就是有接地嗎?
圖十：為Amprobe公司的電源插座檢查器 (本圖參考自Amprobe公司網(wǎng)站)
可用三用電表來檢查或是用圖十簡易的電源檢查器，這種檢查器可確認接地是否正確接地，火線、水線是否反接等電源配電議題。固緯的GPT12000/15000系列后面板具備額外的接地連接端子，當電源的三插無正確接地時，可透過此端子另做接地，再者儀器本身具備接地失效偵測功能，當偵測到儀器接地失效時會停止輸出以達到保護要求(此功能亦可關閉)。
圖十一：固緯GPT-12000系列后面板
2. 絕緣桌墊、絕緣地板、絕緣手套、護目鏡等安全措施一個不能少，也由于操作時須戴絕緣手套，所以耐壓測試儀器不建議采用觸控屏幕的操作接口設計。
從研發(fā)到產(chǎn)測的測試計劃及設備布建
研發(fā)階段：透過破壞性實驗，了解絕緣材料余裕度。安規(guī)分析儀須具備V-I曲線掃描功能，確認絕緣崩潰。接下來透過統(tǒng)計功能，計算平均值，設定產(chǎn)測允收標準?？苫仡檲D七的絕緣崩潰V-I曲線，統(tǒng)計分析請見圖十二。GPT12000/15000系列提供屏幕快拍功能，可儲存測試畫面，簡化您制作測試報告或產(chǎn)測的標準作業(yè)流程(SOP)的工作以節(jié)省時間。
產(chǎn)測的布建：當制程穩(wěn)定、良率高時，可透過多信道的掃描盒或多信道的安規(guī)分析儀(請見圖十三)來提高產(chǎn)測的效率，產(chǎn)測的安規(guī)分析儀若支持U盤的設定復制功能，則可以節(jié)省產(chǎn)線的測試布建時間。
圖十二：統(tǒng)計分析
圖十三：圖左多信道GPT-9500系列。圖右GPT-9800系列搭配掃描盒
結論
選擇符合最新安全標準IEC 61010-2-034:2017的耐壓/絕緣測試設備并正確的接地是保障使用安全的第一要務，應用層面的不二法門便是了解測試標準與儀器工作原理，透過這十個問題的釋疑希望對安規(guī)工程師的工作有所幫助。而根據(jù)臺北市2017~2019年的統(tǒng)計，電氣因素造成的火災占20.1%(783件/2560件)，電氣因素火災造成的傷亡為受傷29人占46.8%、死亡15人占34.1%，從這些數(shù)據(jù)我們更期盼安規(guī)工程師能為產(chǎn)品的電氣安全嚴格把關，讓這些不幸事件可以降到最低。
如有測量的應用議題歡迎透過以下郵箱與筆者交流(作者： 固緯電子 吳俊賢協(xié)理)
stephen_wu@goodwill.com.tw 或 stephen.wu2006@gmail.com
參考文獻：
1. 2013年2月消防月刊：電氣事故處理之探討(上) 作者：徐忠賢
2. 世騰認證集團 Cerpass EN 61010 之安規(guī)簡介
3. 2014年10月15日 The Hipot test 作者：Richard Nute
4. 施耐德電機 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 18 號白皮書 七種類型的電源問題 作者：Joseph Seymour 和 Terry Horsley
5. 維基百科 Wikipedia
6. 判別產(chǎn)品絕緣特性的電氣強度測試 安規(guī)測試專欄（4）作者：UL
7. 電力人第16期 2014年11月 電力技術專欄：絕緣電阻要高或要低 作者：黃圣祿、邱敏彥、李長興、顏世雄
8. NTS公司網(wǎng)站https://www.nts.com/services/testing/electrical/electrochemical-migration/
9. Amprobe公司網(wǎng)站
10. 臺北市火災3年釀44死 電氣肇因逾3成 記者黃麗蕓 2020年4月26日
