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次级电路间发生抗电强度失效机理分析

T107283

2017/08/11

文/欧启贤（华测检测）
常规的安规测试中，会把特定的绝缘抗电强试验电压施加到设备的初级电路和可触及电路之间，以评估该绝缘的耐受性，来检验产品的初次级绝缘隔离是否充分。安规概念中的工作电压是指设备在额定电压供电情况下绝缘可能承受的最大电压。工作电压的峰值决定电气间隙要求，工作电压的均方根值决定爬电距离的要求。
工作电压的测值决定了抗电强度测试值。通常产品的的抗电强度测试值为千伏级别。以信息产品IEC 60950-1为例，在工作电压不超过特定条件下，额定电压为230VAC的设备，基本绝缘抗电强度试验值为1500V, 加强绝缘抗电强度试验值为3000V。如果这个3000V量级的加强绝缘抗电强度试验值施加于初级电路与可触及电路之间，那么通过Y电容、固体绝缘隔离、特定绝缘材料隔离、光耦隔离、磁路耦合的变压器隔离等高阻抗形式对初级与次级电路进行隔离后，抗电强度施加电压的大部分电压会分压到该绝缘部件上，使得绝缘击穿基本上只会发生在绝缘隔离部件上。这使得产品电路设计工程师、安全认证工程师经验主义地认为，抗电强度失效只发生于绝缘隔离部件上。
华测安规实验室经过近两年的研究和不断试验，发现和证实抗电强度失效也会以闪络、飞弧形式出现在经过加强绝缘电路隔离后的次级电路和更远处的次级电路间。因此，以经验推断分析抗电强度失效原因和制订规避方案的难度严重加大。
次级电路部件间的闪络、飞弧现像是由于部件间的不规整，由粗糙的毛刺和较小的电气间隙造成。如图1所示，当毛刺针尖出现时闪络、飞弧动作时，施加在上面的电压会产生不均匀的电场分布，针尖上的电场强度数百倍于未动作时的均匀电场。而该电场强度（即加的分布电压）只要大于可以产生闪络、飞弧的局部放电的门限电压时，即会表现出抗电强度失效现像。

图1 毛刺针尖的电场分布
如图2所示，以发生在次级电路和其金属外壳间闪络为例，通过解析不发生在初次级电路间的抗电强度失效的物理基理，可以很容易从原理上找到二次电路抗电强度失效的规避方案和失效后的整改措施。由于产品的金属外壳的毛刺与二次电路的距离为 X, 施压在这个X间存在不均匀电场的现像。当这个距离X小于某特定值并且和电场强度试值V大于某特定值时，即达到触发局部放电的条件。这个X-V物理曲线如图3所示，曲线对应的下方为未击穿区域，曲线的上方为击穿区域。非均匀电场限值曲线和均匀电场限值曲线夹层区域，命名为“场决定区”。由于日常对产品的抗电强度工作中的常规经验的分布通常逼近均匀电场曲线，故由场夹层区域偏非均匀场曲线所带来的抗电强度失效现像，直接挑战人们的经验主义判断。
现像表现为：在非均匀电场下，即使同样的电气间隙下，若施加在上面的电压大大降低，便可以产生击穿现像。如在0.01-0.1mm的距离下，只要300-600V的电压，就可以产生击穿，这在一般的均匀场下几乎不可能发生。而图2的产品绝缘图显示，即使初级与次级有大于50兆欧的绝缘阻抗，次级电路与可触及外壳间也存在兆欧级别的隔离，次级电路与外壳间也会很容易产生超过300V以上的抗电强度局部分压，诱使触发非均匀电场下闪络、飞弧等局放现像。
了解到次级电路间抗电强度失效的机理，可以针对自身的产品特点，采取最佳整改方案。

图2 产品的绝缘图

图3 产生局部放电的距离vs电压关系
参考文件： IEC 60664-1:2007 Insulationcoordination for equipment within low-voltage systems -Part1:Principles, requirements and tests

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