帶網口設備耐壓擊穿分析

朱乃榕

（福建省產品質量檢驗研究院，福州 350002）

引言

耐壓試驗，又名抗電強度試驗或介電強度試驗，是一種以高電壓施加于安全防護絕緣，用于考核電子產品絕緣抗電擊穿能力的安規試驗。電擊穿意味著，當放電完全橋接絕緣時在電應力作用下發生絕緣失效，電極間電壓降至零，形成絕緣短路，存在觸電危險。

耐壓試驗通常運用耐壓儀產生標準規定的試驗電壓，施加在被考核絕緣兩端，觀察絕緣漏電流是否以不受控方式增大，一旦絕緣擊穿產生過電流超出設定閾值即報警并判定試驗未通過。一般來說，依靠目稽耐壓儀告警來判斷試驗結果是最為直觀的。然而，網口設備的耐壓試驗中經常出現如下異?，F象：

1）帶網口設備的電源單元已經單獨通過耐壓試驗，對網口進行耐壓試驗時告警；

2）同一設備使用不同耐壓儀進行耐壓試驗，結果不一；

3）耐壓試驗時能聽到設備內發出輕微“吱吱”聲響；

4）移除跨接絕緣的濾波器件后，無法徹底地解決以上問題。

上述異?，F象的出現容易使經驗不足的設計人員和檢驗人員直接判定試驗失敗，極有可能造成誤判。

1 阻抗與分壓

有網口設備和無網口設備的主要差異在于，網口設備會在主板網口處安裝網絡變壓器和Bob-Smith 電路（見圖1）。網絡變壓器用于耦合信號電平和隔離干擾，而Bob-Smith 電路將空置的網絡數據端串接貼片式阻容件（大多選用75 Ω 電阻和1 000 pF 電容）連接大地，用于防浪涌沖擊。因為基本都采用貼片式安裝，所以網口處的器件線路排布十分緊密。

圖1 網絡變壓器及Bob-Smith 電路

常見的網口設備（例如計算機、服務器等），主要由電源單元和帶網口的主板組成。電源單元分為初級電路和次級電路，初次級電路間跨接有變壓器、光耦、濾波器及限流器件等，均具備一定的隔離能力。在耐壓試驗中，電源單元初次級電路的隔離器件自身阻抗很大，試驗電壓基本都會集中落在隔離器件上。但是，當電源單元連接到帶網口的主板，再進行耐壓試驗時，網絡變壓器將會改變整個耐壓回路上的電壓分布。

筆者通過實測一款網口設備的耐壓漏電流與接觸電流（見表1），來證明網絡變壓器對阻抗的影響（試驗參考IEC 60950-1《信息技術設備安全 第1 部分：通用要求》標準，計算結果均為理想值）。

表1 耐壓漏電流與接觸電流

以下計算運用歐姆定律。

由①得到含Y 電容的設備整體阻抗R整體1=3 000/424≈7 075（kΩ）；

由②、③得到主板阻抗R主板=264/34.5-264/74.0≈4 085（kΩ）；

因此，含Y 電容的電源單元阻抗R電源1=R整體1-R主板=2 990（kΩ）；

由④得到不含Y 電容的電源單元阻抗R電源2=264/11.8≈22 373（kΩ）；

因此，不含Y 電容的設備整體阻抗R整體2=R電源2+R主板=26 458（kΩ）。

從回路上看，整個耐壓試驗回路的順序為電源輸入端→電源變壓器（跨接有Y 電容）→電源輸出端（連接主板）→網絡變壓器（連接Bob-Smith 電路）→網口數據端。主板和Y 電容會影響回路的阻抗，進而影響各部位的分壓（見表2）。

表2 各部位的分壓

根據表2，得知當電源單元連接主板，進行整體耐壓考核時，會有一部分試驗電壓落在主板上。網絡變壓器的固有阻抗較大，是催生回路分壓的主要原因，而移除電源單元的Y 電容只能降低主板的分壓，并不能完全解決上述怪象。

一方面，電源變壓器和網絡變壓器均為高阻抗，不致于發生固體絕緣擊穿；另一方面，Bob-Smith 電路設計初衷面向弱電環境，貼片式封裝造成焊點密集，成百上千伏電壓落下時，在焊點密集處容易出現電弧（見圖2），同時伴隨有空氣擊穿，發出輕微“吱吱”聲響。

圖2 網口與Bob-Smith 電路焊點間拉弧

2 電弧偵測

當兩高壓電極間的距離很近時，會出現尖端放電現象（ARC），長期經受此類電應力會降低絕緣可靠性。有一些智能型耐壓儀配備了ARCING TEST（電弧偵測）功能，專門用于偵測兩點間因空氣距離不足或存在可導電介質，在通電時會產生電弧的現象。電弧信號通常是高于1kHz 的高頻信號（在電壓波峰處出現），故而ARCING TEST 被設計為當有高頻信號產生時，先將低頻信號過濾，然后再測量并判別是否為電弧（見圖3）。

圖3 ARCING TEST 偵測原理

電弧與放電兩點間的距離、電壓相關聯，假設出現電弧的兩點間電壓為3 000 VAC/50 Hz，絕緣阻抗為10 MΩ，則電弧電流為3 000 V×1.414/10 MΩ≈0.42 mA（理論電流峰值）。一旦偵測到有超過0.42 mA 的高頻信號即認為存在電弧。為了應對不同產品標準的檢測需求，通常將ARCING TEST 偵測電弧電流等級分為9 級，以便調節不同靈敏度（見表3）。

表3 ARCING TEST 偵測電流等級

電子產品的檢驗標準眾多，對耐壓試驗的規定各不相同。有些允許電暈放電或單次瞬間閃絡，有些則不允許出現飛?。ㄒ姳?）。當耐壓儀運用于不同標準產品的測試時，需要有針對性地開啟或關閉電弧偵測功能。如果忘記設置，可能會使得耐壓儀因飛弧而報警（而非絕緣擊穿報警），這是網口設備耐壓比對試驗出現判定偏差的主要原因之一。

表4 不同標準的耐壓試驗要求

3 應對策略

從安規角度來講，耐壓試驗的考核對象是安全防護絕緣的抗電擊穿能力。對于帶網口設備而言，無論網絡變壓器的隔離性能多么優越，都無法起到作為電網電源的隔離措施。因此，承擔有效安全防護絕緣的是電源單元，主要是電源變壓器及相應的跨接器件。

為了讓電源單元本體能夠承受完整的耐壓試驗考核，筆者提出3 點應對策略：

1）帶網口設備進行耐壓試驗時，優先考核電源單元本體的耐壓能力；

2）當電源單元本體通過耐壓試驗后，針對網口數據端可以改用直流電壓試驗；

3）不進行1）、2）步驟而直接測試電源單元與網口數據端間的整體耐壓時，旁路網絡變壓器與Bob-Smith電路，去除分壓或電弧影響。針對非安全防護的功能絕緣可以采用等電位連接方式，避免耐壓試驗電壓落到非安全防護電路上。

4 總結

筆者通過一項實例分析引言中所提到的四種怪象，推論出網絡變壓器的固有阻抗會影響網口設備耐壓試驗回路中的電壓分布，進而在Bob-Smith 電路焊點密集處產生電弧，觸發耐壓儀電弧偵測報警。現實情況中，復雜阻抗排布的產品結構可能會產生更多不同的耐壓問題，從業者應參考本文觀點，觀察試驗現象、分析電路原理，并結合耐壓儀提示信息深入研究，相信會有豐富收獲。