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高頻電介質(zhì)強度測試

時間:2023/9/13閱讀:1216
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高頻絕緣測試(HF)必非常小心地被執(zhí)行。

擊穿的機制不同于一般的電源頻率電介質(zhì)強度測試  它主要是利用熱,而不是單純從原子中剝離電子。此外,對于大部分的電源頻率測試,測試所求和絕緣體能承受的范圍往往有很大差距,這使得測試方法中的錯誤并不總是重要的。相比之下,HF 的誤差是微小的,此種測試方法能忠實呈現(xiàn)測試結(jié)果。

往往因為絕緣失效而導致的 HF 燒毀事件持續(xù)成為最常引起su的爭端。特別值得注意的是,這種常被忽視而造成的意外燒傷有很高的致死率。

對于那些參與 HF 絕緣設計或測試的人來說,了解 HF 絕緣背后的理論以及導致故障的原因絕對是至關(guān)重要的。

 

[理論]

所有絕緣材料都像電容器一樣,在施加交流電壓后會有一些電流流過。當在 230V 50 / 60Hz 時的電流量非常小,每 2m 的導體僅有 20uA 電流通過。但是在 300-400kHz 時,電流量幾乎高出 10,000 倍,短短 10 公分的電纜內(nèi)便有高達 500Vrms 的 10mA 電流。

由于有交流電場,所有絕緣材料都會升溫。這被稱為介電加熱或偶極子加熱。其原理為在電場中時,分子運動的摩擦能使物體加熱。而這種特性也被應用在微波爐加熱食物以及工業(yè)上,像是焊接塑料等。這些應用皆是利用高頻,范圍通常在 MHz 或 GHz 內(nèi)。

在 50-60Hz 時,加熱量很小,只能到達一定程度。但當調(diào)至 300-400kHz 時,加熱量足以熔化絕緣體。

溫度升高的幅度可以利用以下公式估算:dT = 2π V2 f ε0εrd t / H D d2 (K or °C)

雖然這個公式看似復雜,但它主要由特定的材料參數(shù)組成,這些參數(shù)都可從一些研究得到(下面提供了更多細節(jié))。在頻率為 400kHz 的狀況下,以電壓和厚度為變量,預估兩種常見材料:聚氯乙烯(PVC)和鐵氟龍(Teflon)的溫度變化量,可得以下表格:

400kHz 下之預測絕緣體溫度

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(表1)

由于相當高的損耗因子(d = 0.016),一般常見厚度的 PVC 皆可以熔化。 建議常見應用在 HF 手術(shù)上 PVC 的厚度至少要 0.8mm 以上。

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(表2)

Teflon 具有低得多的損耗因子(小于 0.0002),因此即使只有 0.1mm 也足以應用于廣泛的 HF 手術(shù)。
但是,由于鐵氟龍的高質(zhì)量和高成本,絕緣體厚度往往減少到 0.1mm 左右。

 

至于 PVC,經(jīng)由小規(guī)格熱電偶作為負電極的實驗測試中,分別在測試期間和之后監(jiān)測溫度,發(fā)現(xiàn)預測值與實驗測試的結(jié)果非常相近。在 900Vrms 300kHz 的電壓下,厚度在 0.3mm 和 0.5mm 之間的絕緣體的溫度已超過 80°C。而當電壓增加到 1100Vrms 時,絕緣體已經(jīng)分解。

 

實際測試

如公式所示,溫度上升量和電壓平方的函數(shù)(溫度上升量和電壓平方成正比/正相關(guān)),并且是厚度的平方反函數(shù)(且和溫度上升量和厚度平方的倒數(shù)成正比/正相關(guān))。舉例而言,當電壓加倍,或厚度減半時,溫度變化量將上升四倍。因為溫度對電壓及厚度的平方關(guān)系,使得即使是 10-20% 這種微小的改變也會對結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。

因為在正常接線中的絕緣厚度變化很大,所以可能有一個樣品通過,而另一個可能沒有。雖然 IEC 60601-2-2 和 IEC 60601-2-18 不需要多個測試樣品,因為良好的測試設計能充分為樣品背書,但這亦取決于設定差異。例如,如果您的額定電壓僅為 400Vrms,而厚度是 0.8 +/- 0.2mm,如此利潤意味著測試只是一種形式。另一方面,如果是 1200Vrms,厚度同樣為 0.8 +/- 0.2mm,也許需要 10 個樣本才足夠。

測試實驗室需要注意所施加的電壓是否準確和穩(wěn)定,而這不是一件容易的事。大多數(shù)的測試使用 HF 手術(shù)設備作為輸出源,然而,這些通常不夠穩(wěn)定。再者,HF 的電壓測量是一個未被充分理解的領域。一般建議不要使用無源 HV 探測器(例如 1000 : 1 探測器),因為在 400kHz 時,這些探測器所執(zhí)行的電容區(qū)域中的校準不一定有效且往往有大誤差出現(xiàn)。建議使用經(jīng)過特殊選擇的有源探頭或定制分頻器,這些分頻器已在 400kHz(或其他頻率)下進行了驗證。

也許對測試結(jié)果的最大影響是散熱,因為上述的公式僅適用于絕熱系統(tǒng)。然而,IEC 60601 -2-2 和 IEC 60601-2-18 中描述的測試方法不要求測試樣品是隔熱的。也就是說,部分熱量可能會被絕緣體兩側(cè)的金屬導體、被開放空間中的空氣對流、甚至被浸泡在液體中或用鹽水浸濕的布裹住的樣品旁的液體吸走。

熱能散失的程度隨著測試設置的不同而有所差異。IEC 60601-2-2(繞線測試)中的測試也許是受影響的,即使是像測試方向(水平或垂直)這種簡單的改變也會大大地影響測試結(jié)果。

由于這三個因素(絕緣厚度、施加電壓、散熱程度),HF 絕緣的臺架測試僅能用來支持計算的設計。測試實驗室應該詢問制造商材料的屬性,然后計算材料是否為在額定電壓和頻率下維持熱穩(wěn)定。

這里再次重復上述公式,并由下表提供估算溫度變化量所需參數(shù)的更多細節(jié)。溫度升高量應與環(huán)境溫度(例如人體可能為 35°C)綜合考慮,然后與絕緣溫度限制進行比較。

dT = 2π V2f ε0εrd t / H D d2 (K or °C)

 電介質(zhì)同樣會出現(xiàn)在雙極的應用上,但因為明顯較低的電壓,其影響相對較小。


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