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电气产品的绝缘

2014-01-1310910安规与电磁兼容网

绝缘(Insulation),简单的定义就是把产品上,人可触及的地方(Accessible part)和危险电源(Hazardous part)做一适当的隔离,这是评估电气产品安全性一个非常重要的因素。图一至图三所示的便是一些基本情形,而图一是其中最简单的一种,电路除了电源外,并没有其他外接之处,这类产品只须将外壳和电路做适当的绝缘便可,例如电磁炉即属此种。图二是指有马达的产品,如风扇、搅拌机等,此类产品除了要留意电路与外壳的绝缘外,同时也须注意马达轴心与电路的绝缘,因为这个轴心通常都会因功能上的需要而凸出外壳。图三则是指带有低压电路可让使用者触及的产品,例如资讯产品中的电脑等即是,而所谓可触及的低压电路,就如电脑用来外接周边产品的端子(Accessible Connector),因为这些端子是人手可触及的,故其电路亦需和危险的电源有足够的隔离。


图 一

图 二

图 三

绝缘通常可经由五种途径来达成或鉴定,分别是:
- 空间距离(Clearance)
- 沿面距离(Creepage Distance)
- 隔绝物(Insulator)
- 耐压测试(Electric Strength Test)
- 绝缘阻抗测试(Insulation Resistance Test)

以下我们将逐一分析这五种绝缘的概念,并向大家介绍有关产品之绝缘上的分类(Classification)。

一、电气间隙/空间距离(Clearance)

在美国,通常称之Through Air Spacing。空间距离即是两个导体间的最近距离,且此距离的量测并不限制采用何种途径。假如某产品是使用绝缘材料来当外壳,则此外壳的开孔或隙缝处都应当成导体考虑,就如有层铝泊纸铺于其上一般,依然须和内部的导体保持一定的距离,因为这些地方都是易于被人手触及的地方。

要了解空间距离是如何规定的,就有必要先了解,那些因素会影响空间距离的要求:

1、 和谐电场及非和谐电场 (Homogeneous field and Inhomogeneous field)
所谓和谐电场,即两电极(Electrodes)间的电压梯度(Voltage Gradient)成线性(Linear)的电场;反之,非和谐电场则为非线性的电场。简单的说,一个理想的和谐电场,便是由两个圆球形的电极所构成,且这两个电极的半径需大于两球的距离;非和谐电场,则是由两个相对的锥形电极所构成的电场。和谐电场与非和谐电场的差别,乃在于前者不易产生电弧(Arc-over)的放电情形,而后者却反之。因此,不同形状的电极是会影响距离之要求的。

一般的安规标准,为了使距离的要求较合理化,多数采用和谐电场与非和谐电场之间的数据。或许有人会想到:假如非和谐电场的情形真的存在于某产品时该怎么办呢?其实这是不用担心的,因为所有的标准均会要求产品进行耐压测试。

2、 瞬变电压(Transients Voltage)
瞬变电压形成的主要原因分为外在和内在两种。外在原因乃由于闪电或配电系统的故障,例如短路等情况而造成的。这种在美国电源系统上称为Type 1的瞬变电压,平均每年约计有12次。另外的内在原因,则是产品在开关时,或其本身的线路特性所产生的。

       就外在原因而言,产品设置在配电系统不同的地方,也会有不同程度的影响。国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)将之分为四类(Categories),如图四所示。

Category IV指的是主电源,其中也包括了屋外的配电线;Category III的电源通常用于固定设备(Fixed Equipment)或大型设备,如电梯、空调、照明灯等;Category II即指一般家用或办公室用的电源;而Category I则多为Category II产品的附件,例如键盘(Key board)或滑鼠(Mouse)等。这四类设置地方所可能涉及的瞬变电压,则如图中所示。实则上,这也就是安规标准在制订时的参考。

每个Category的瞬变电压各有其不同的缘故。主要是:
- 有过电压保护装置的存在
- 有隔离变压器可吸收(Absorbing)及降压
- 有电容的存在,将高压旁流(Bypass)
- 有阻抗将高压牵制(Damping)
- 一个主配电有数个支配电,可将能量分散(Diverting)
由于多数的电气产品都在Category II的范围中使用,因此大部分的标准,也都是以此Category II为其基准。

3、 污染(Pollution)
若两导体间的空间有了污染物,也同样会影响绝缘程度。一般标准艘将污染分为四个程度(Degree):
- Pollution Degree 1 :没有污染物或只有干燥且非导电性的污染物出现,这种程度的污染并不影响空间距离。可以用封闭式外壳,或将电路板的表面塗覆(Coating),便能符合此一程度的污染。
- Pollution Degree 2 :是指偶有导电性污染物出现的污染,例如水气的冷凝(Condensation)便是。长期开机以维持较高的温度,是消除这种现象的最简易方法。
- Pollution Degree 3 :指的是经常有导电性污染物出现的污染。
- Pollution Degree 4 :导电性污染物持久性的存在,此类污染通常发生在室外产品。

另外,有些挥发性物质在高温情况下,亦会形成传导性的气体而造成另一种污染。

4、 高度/海拔(Altitude)
       根据巴斯成定律(Paschen’s Law)一个和谐电场的崩溃电压(Breakdown Voltage)乃是与气压和两极间的距离之乘积成正比。换言之,当电场的两极距离固定时,气压愈小,崩溃电压也就愈低。而气压又和海拔成反比,由此可得到一个结论,那便是当海拔愈高时,崩溃电压就愈低,所以海拔高度也是影响空间距离的重要因素之一。

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