耐压测试_原理

耐压测试原理一．概述电子设备的安全性是决定其质量的各要素中最重要的部分。安全参数包括了以下的参数：交/直流高电压、直流高绝缘电阻（或绝缘电阻）、接地电阻、泄漏电流、脉冲高压、脉冲大电流等。自IEC65号公告《电网电源供电的家用和类似一般用途的电子及有关设备的安全要求》于1952年首次颁布并经五版，七次修订以来，全球范围内已形成IEC安全标准和美国UL安全标准两大体系。大多数制造商，特别是信息技术设备制造的制造商们，选择四种最主要的产品安全检测作为生产流程最后的常规产品测试。它们包括耐压测试（WithstandingVoltageTest）、绝缘测试（InsulationTest）、接地导通测试（GroundContinuityTest）和泄漏电流测试（LeakageCurrentTest）。设计这些测试是为了确保使用者在操作设备时不会因为误操作或仪器失效而发生触电事故。二．耐压测试耐压测试（WithstandingVoltageTest）又称作高压测试（HipotTest）或介电强度测试（DielectricTest），可能是大家熟悉和在产品流程安全测试中用的最多的。它实际上在每一个安全标准中都被引用，这一点表明了它的重要性。2.1测试目的耐压测试是一种无破坏性的测试，它用来检测经常发生的瞬态高压下产品的绝缘能力是否合格。它在一定时间内施加高压到被测试设备以确保设备的绝缘性能足够强。进行这项测试的另一个原因是它也可以检测出仪器的一些缺陷，例如制造过程中出现的爬电距离不足和电气间隙不够等问题。下图是IEC60601-1中对仪器的绝缘距离的规定和一个常见的间隙不足的例子。2.2仪器原理最初的耐压测试仪仅仅是一个简单的变压器和调压器，它把市电变为所需要的测试电压，施加到被测试样品上。然而，由于市电的波动性，人们有时不得不把输出电压调节到大于实际需要值的20%的程度，以防止输入电压可能的波动。同时，在很多安全标准中都特别要求所使用的耐压测试仪有500VA以上的容量，这是为了保证在样品有较大的漏电流时，耐压测试仪仍然有足够大的输出电压。然而随着技术的发展，这种要求已经过时了。新型的耐压测试仪都具有足够的源电压调整率和负载调整率，只有一些老的安全标准仍然有这方面的要求。实际上很多的新标准已经不再将500VA容量列入对耐压测试仪的要求。从使用人员的角度来看，耐压测试仪500VA的容量反而是一种对操作员的威胁。由于各种测试标准不同、流水线大批量测试及人们对电器安全性能的认识不断提高，要求耐压测试装置的功能相应提高，调压器式的耐压测试仪器的功能有限，采用全电子程控技术和功率电子技术的新型耐压测试仪正在普及。目前，这类耐压测试仪器主要分为两种：一种采用单片机作为监控中心、数字波形合成技术＋线性功率放大器作为测试源；另一种采用单片机作为监控中心、SPWM(正弦脉宽调制)脉冲发生器＋IGBT(绝缘栅双极晶体管)脉冲功率放大器作为测试源。这种耐压测试仪的结构较复杂，抗干扰能力和可靠性取决于整机的设计和电子元件的质量，输出波形失真小，输出频率可变(50Hz/60Hz),输出电压调整范围宽、控制精度高，在功率范围内的输出电压稳定，不受负载变化的影响，测试源输出功率一般可达到500W，超功率输出时仪器能自动保护，输出电压设置在无电压输出的情况下进行，安全性好，对被试品有电弧、爬电、闪络等绝缘性能方面的潜在隐患的检测容易实现，电压输出方式可通过软件满足多种标准要求，如分段升压、定时升压、定速升压等，能进行击穿点分析，击穿保护速度快，漏电流显示分辨率可达纳安级，非常适用于高标准的电器或元器件测试。工作时对电网干扰小，仪器的校准通过按键或通信接口进行，便于和计算机联网完成测试统计、分选工作，可对被试品连续进行测试。耐压测试仪主要是由交（直）流高压电源，定时控制器，检测电路，指示电路和报警电路组成，基本工作原理是：将被测仪器在耐压测试仪输出的试验高电压下产生的漏电流与预置的判定电流比较，若检出的漏电流小于预设定值，则仪器通过测试，当检出的漏电电流大于判定电流时，试验电压瞬时切断并发出声光报警，从而确定被测件的耐压强度。耐压测试仪的技术指标主要包括其输出交直流电压和预设定切断电流。模拟指示型的耐压测试仪通常采用引用误差的形式表征其电压最大允许误差，比如3级的电压表，表示电压表的指示值误差应小于其满量程值的3%。对于数字式的耐压测试仪则采用不同的方式进行确定。三．耐压测试方法3．1基本方法测试的连线方法，一般情况下高电压将施加在被测绝缘体之间，例如加在电源初级回路和被测仪器的金属外壳之间。如果其间的绝缘性足够好，加在上面的电压差就只会产生很小的漏电流。另一个情况是测试电源初级和次级回路之间的绝缘性。在这种情况下，将所有的输出端都短接，并与耐压测试仪的低端线路连接，然后将被测仪器电源初级端的L线和N线短接，并与耐压测试仪的高压输出端连接。在测试时一定要记住，被测仪器并不接工作电源，处于不工作状态，但必须将其电源开关打开。实践表明，在不打开电源开关的情况下，耐压测试非常容易通过测试，但仪器本身可能是不合格的。测试电压的确定应参考不同的安全标准。如果测试电压太低，绝缘材料就会因为没有施加足够的电压而导致不合格的绝缘通过测试；如果电压过高，测试时会对绝缘材料造成永久性的损害。但是，有一个通用的规则，就是采用经验公式：试验电压=电源电压×2+1000V。例如：试验产品的电源电压为120V，则试验电压=120V×2+1000V=1240V。实践上这种方法也正是大多数安全标准化采用的方法。用1000V作为基础公式一部份的原因就在于任何产品的绝缘性能每天都在受到瞬态高压的冲击，实验室和研究表明，这一高压最高可以达到1000V。通常耐压测试时间为一分钟。由于在生产线上要进行大量的产品耐电测试，测试时间通常降低到只有几秒钟。有一个典型实用的原则，当测试时间降到只有1~2秒的情况下，测试电压必须增加10~20%，以保证短时间测试时绝缘的可靠性。报警电流的设定应当根据不同的产品来确定。最好的方法是预先对一批样品做漏电流试验，得到一个平均值，然后确定一个略高于此平均数的值为设定电流。由于被测试仪器不可避免存在着一定的泄漏电流，因此应该保证所设定的报警电流足够大，以免被泄漏电流误触发，同时应足够小以避免放过不合格的样品。在某些情况下，还可以通过设定所谓的下限报警电流来判断样品是否与耐压测试仪的输出端有接触。3．2交直流测试的选择测试电压，大部分的安全标准允许在耐压测试中使用交流或直流电压。若使用交流测试电压，当达到电压峰值时，无论是正极性还是负极性峰值时，待测绝缘体都承受最大压力。因此，如果决定选择使用直流电压测试，就必须确保直流测试电压是交流测试电压的倍，这样直流电压才可以与交流电压峰值等值。例如：1500V交流电压，对于直流电压若要产生相同数量的电应力必须为1500×1.414即2121V直流电压。使用直流测试电压的其中一个好处在于在直流模式下，流过耐压测试仪报警电流测量装置的是真正的流过样品的电流。采用直流测试的另一个好处在于可以逐渐的施加电压。在电压增加时通过监视流过样品的电流，操作者可以在击穿发生前察觉到。需要注意的是当使用直流耐压测试仪时，由于电路中的电容充电，必须在测试完成后对样品进行放电。事实上，无论是测试电压是多少、其产品特点如何，在操作产品前对其放电都是有好处的。直流耐压测试的不足在于它只能在一个方向施加测试电压，不能像交流测试那样可以在两个极性上施加电应力，而多数电子产品正是在交流电源下进行工作的。另外，由于直流测试电压较难产生，因此直流测试比交流测试成本要高。交流耐压测试的优点在于,它可以检测所有的电压极性，这更接近与实际的使用情况。另外，由于交流电压不会对电容充电，因此大多数情况下，无需逐渐升压，直接输出相应的电压就可以得到稳定的电流值。并且，交流测试完成后，无需进行样品放电。交流耐压测试的不足在于，如果测试中的线路中有大的Y电容，在某些情况下，交流测试将会误判。大部分安全标准允许使用者在测试前不连接Y电容，或者改为使用直流测试。直流耐压测试在加高电压于Y电容时，不会误判，因为此时电容不会允许任何电流通过。3．3耐压仪最大允许误差的考虑由于耐压测试仪的输出电压不会100%准确，在确定测试电压的同时，应考虑仪器输出电压的误差，可以采用耐压仪本身的技术指标或上级机构的校准证书。例如在交流3000V下进行耐压测试，耐压测试仪在此上的最大允许误差为3%，即90V，那么为了保证足够的测试电压，应将输出测试电压调节到3090V才足够。当然，如果耐压测试仪本身输出偏高，则这样做存在电压偏高的风险，测试者应充分考虑。3．4准确测试的注意事项新型的程控耐压测试仪往往提供了许多老式型号中没有的功能，比如电压预设定、电流预设定、地线测试、电弧检测、电流除零等。这些功能可以为测试带来许多的方便，然而正确的使用这些功能却往往容易被忽视。3．5交流小电流测试某些仪器生产商宣称他们的耐压测试仪可以达到纳安级别的漏电流分辨率。然而，实际的交流测量使得人们很难真正进行这样小电流的测试。在任何电路中都有一定量的电容存在，即使是一个简单的变压器也在其绕线和铁芯间有电容。电容不但会因为有一定的电阻而产生漏电流，在交流电压下电容本身也是一个阻抗器件。这些电流是独立于用户所希望测试的电流之外的，其大小取决于电容值、频率和施加电压。图2大多数的耐压测试仪往往在电压回路端接地，有时被测试的样品也会在低端接地，因此在这种情况下，耐压测试仪所测量到的漏电流必然是通过被测样品的漏电流和耐压测试仪本身漏电流的总和。耐压测试仪本身漏电流通常是非常小的，然而在测量纳安级的漏电流时，它将是一个主要的问题。3．6除零误区某些型号的耐压测试仪提供了一种电流除零的功能，通常叫做OFFSET功能。其具体的方法是，首先在不接被测样品的情况下做耐压测试，此时的漏电流包括耐压仪本身和测试夹具所引入的漏电流。此电流被置零，在随后的测试中，显示的漏电流将是实际漏电流减去置零电流。下面的例子将揭示一些可能被忽略的问题。一个1mF的电容，则在1500V下，其漏电流为0.471mA；一个纯阻性的3MW的负载在1500V的电压下将有0.500mA的漏电流。当两者并联时，在1500V电压下将产生0.687mA的漏电流。通常，耐压测试仪本身和测试夹具引入的漏电流往往具有容性成分。假设耐压测试仪的零电流为相当于一个1mF的电容，在测试个纯阻性的3MW的负载时，由于采用了直接除零的方法，得到的结果是：0.687mA-0.471mA=0.216mA然而此时流过负载的实际电流却有0.500mA，这正是耐压测试仪简单除零的结果，这种方法没有考虑到不同负载的电流具有不同的相位。解决上述问题的方法是采用如下的耐压测试仪，图3采用回路低端浮地，而将接地点移动到电流表之后，可以使耐压仪的电流读数不包括仪器本身的漏电流。在使用这种方法时，还应该注意样品的低端不可以接地。