前言

21世纪电力能源产品高速发展的大背景下，电气设备与电力驱动类产品的高速发展；高压电控产品的数量日益增多，功耗日益增大，工作电压日益提升的大环境下；产品因电气设计不合理所导致的电弧、电火花与电痕破坏放电所引起的各项故障与事故的形势也日益严峻；如何有效的在产品设计中，如何充分的考虑产品在实际应用条件、环境及极限工况下可能存在的电弧、电火花与电痕破坏放电的发生及可能存在的潜在失效影响；已经成为了当前高压电控产品在设计开发与验证过程中的一项重点工作。本文就电弧、电火花与电痕破坏的产生机理与控制基于作者自身的理解做出相应分析，愿与业内同行讨论、交流，为高压电控产品的设计提供更好的思路与解决方案。

高压产品常见的电气失效类型

高压电控产品在实际的使用过程中常见的电气设计失效类型主要有：电弧放电、电痕腐蚀两大类；对于击穿放电的电火花放电和辉光放电，未产生电极之间击穿放电的电晕放电和电刷放电等放电模式，本文暂不展开逐一讨论。高压电控产品的电弧放电失效如下图1所示，电痕腐蚀失效如下图2所示。

图1 图2

电弧放电是我们日常生活中常见的一种气体放电现象，是电流通过空气所产生的瞬间火花；是电极的电子或离子游离到空气中，并产生瞬间电火花，致使电极之间的空气自持导电的一种现象。以生活常见的高压开关在带电工作过程中，断开时所产生的电弧为例，电弧放电产生的过程分析如下：

高压开关闭合——正、负电极良好搭接阻抗约等于0欧姆，高压开关正常流过工作电流，正、负电极之间的电势差约等于0V；
高压开关开始断开——正、负电极的触点开始分离时，电极接触阻抗逐渐增大；正、负电极之间开始有电势差产生，并随着触点的分离度与接触阻抗的增大，持续增大；
高压开关继续断开——正、负电极的触点继续分离到脱离接触瞬间，电极接触阻抗达到最大值；正、负电极之间的电势差达到最大值；正、负电极之间的电气间隙非常小，绝缘材料（空气）在强电场的作用下，使空气中的电子发生电离；形成自持导电的电弧放电；
高压开关继续断开——正、负电极的电弧放电持续，开关触点继续脱离接触，间距越来愈大，正、负电极之间的电气间隙越来越大，绝缘材料（空气）所受的电场强度逐渐减小；电弧放电功率减小；
高压开关完全断开——当开关触点继续脱离接触，间距大到一定值，正、负电极之间的电气间隙大到一定阈值后，正负电极之间的电场强度小到一定阈值后，绝缘材料（空气）停止电离，恢复到绝缘状态，电弧放电结束；

图3

电痕腐蚀是电极之间的高分子绝缘材料在受到环境污染（潮气和导电污染物）时，因电极之间的绝缘材料表面所形成的泄漏电流；在漏电流焦耳热作用下所形成的一种特殊电火花放电形式，最终在高分子绝缘材料表面将生成具备腐蚀性和导电性的碳化物；碳化物的生成破坏了高分子绝缘材料的原有机械与电气性能；最终将导致电极之间形成短路。

电弧或电火花放电，主要破坏的是高压电控产品的金属电极；而电痕腐蚀主要破坏的是电机之间的绝缘材料。电弧对于电极的破坏所需时间相对较短（微秒级），而电痕腐蚀破坏需要较长的时间（小时级）；但两种损坏方式最终都会引起电极间的绝缘完全失效，危害同样巨大；故而在高压电控产品的设计与应用中均需要避免电弧放电与电痕破坏放电的产生。

高压电控产品的常见失效机理

电弧、电火花形成的关键是由于绝缘介质（如：空气）被击穿，失去绝缘性能导致的瞬时放电。故而分析电弧、电火花与电痕破坏产生的主要工作便是——分析电极间绝缘介质被击穿，形成电流通路的原因。而绝缘介质被击穿的核心要素便是——电极间的电场强度大于绝缘介质的耐受能力，使绝缘介质发生电离，形成电流通路，继而引起电弧或电火花放电。形成电离的基本原理如下图4所示：

图4

绝缘介质中的分子或原子中的电子，在电场力或热应力等外力的作用下，获得动能而摆脱原子核的束缚，形成可运动的自由电子；
原有的分子或原子因失去带负电荷的电子后，成为带正电荷的离子；
自由电子在电场力的作用下，由阴极向阳极运动的过程中，与绝缘介质中的其它分子或原子发生碰撞后，失去动能而被其他原子核捕获；
捕获自由电子的分子或原子成为带有负电荷的负离子；
根据能量守恒的原则，自由电子在与其它分子或原子的碰撞失去动能，被捕获的过程中，自由电子原先所具有的动能，转换为光子形成光能向外发射；故而在电弧或电火花放电时，可看到明显的光电效应。
当绝缘介质的电离度达到一定阈值后，便形成电极之间的电弧或电火花放电。

高压电控产品在实际应用中，形成电弧或电火花放电的原因主要有以下几类型：

强电场发射：极间的电场强度非常大，使电极间绝缘材料的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射；
热电子发射：电极间的接触部位剧烈发热，阴极表面温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射；
碰撞游离：积聚足够大动能的电子，在高速向阳极运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞时，从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离；
热游离：绝缘材料的分子或原子在高温下的剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，被游离而形成电子和正离子。

由于形成电弧或电火花放电的根本原因是绝缘介质被击穿；故而对于导致绝缘介质击穿的根本原因进行分析，便是解决电弧、电火花放电形成的关键。如前所述，电弧、电火花放电形成的关键是电场强度大于绝缘介质的耐受能力使其发生电离；而影响绝缘材料耐受能力的关键便是其自身的耐受能力（不同应用环境下的绝缘能力）与外界环境（电场强度、温度、湿度等）的施加应力两大方面。

绝缘材料的耐受能力:绝缘材料原子核外围的电子，摆脱原子核的束缚发生电离具备导电能力，所需获得外部能量大小的阈值。在确定的外部环境下，绝缘材料的耐受能力由其自身的材料特性与形状特性所决定。

就材料特性而言，其主要影响因素有：

材料内部可自由移动的电荷数量；
绝缘材料内部电子在电场作用下形成强电场发射，所需的电场强度；
绝缘材料内部产生热游离，所需的温度阈值；

绝缘材料的阻抗特性如下式1所示：

R=ρl/S ——公式1

绝缘材料的材料特性决定其内部可自由移动的电荷数量，直接决定其阻抗系数ρ。在绝缘材料确定的情况下，其绝缘耐受能力便主要由其形状特性所决定。就形状特性而言，其主要的影响因素由绝缘材料的厚度l和绝缘材料的截面积S决定。

外界环境的应力——外界环境施加在绝缘材料上，影响其介电性能的外加应力；常见的外在应力有：电力应力与环境应力两大类。就电力应力而言，最为直接的便是电场强度；而对于环境应力而言最为直接的就是温度所施加在绝缘材料上的热应力，和湿度、污染等级等所施加在绝缘材料上直接影响绝缘材料介电性能的环境应力。

电场强度——单位距离内电压的高低或单位电荷在电场中受力的大小（单位V/m或N/C）；其基本的计算公式如下所示：

E=U/d或E=F/q ——公式2

由以上的基础公式可知：从宏观角度来讲，平板型电极影响电场强度的关键因素是电极之间的电压U与电极之间的距离d。对于高压电器产品而言，其正常的工作电压范围是确定的，即U的值是确定的；故而在产品设计过程中需要做的就是根据实际的工作电压范围，合理的控制电极之间的距离来确保产品在运行过程中的稳定性与可靠性。

从微观角度来讲，平板型电极并非绝对的平板；其表面实际是由凹凸不平的无数半球面组成；而球壳形电极上的电场强度计算公式如下式3所示：

E外=kQ/r2 ——公式3

产品在实际使用时，电极也可能会根据其具体的应用需要，设计成锥形、棒形或是直角连接等方式。故而电极的实际电场强度，在不同的区域可能存在较大的差别；其实际的大小除工作电压外，还受到电极的外观形状和粗糙度等的影响；电极表面的电场强度与电极表面球壳半径的平方成反比。故而在产品的电气设计时，在条件允许的情况下尽量加大电极外形的球壳半径；降低电极之间的电场强度不均所引起的潜在风险。

电痕破坏形成的关键因素是污染物对绝缘阻抗降低的影响。在电气产品的实际应用过程中，当环境污染等级上升时，由潮气和带有正、负离子等组成的污染物在电极之间绝缘材料的表面形成覆盖时，降低了电极之间的绝缘阻抗；当电极之间绝缘阻抗降低到一定阈值后，其电极所形成的泄露电流也将达到一定阈值；在泄漏电流焦耳热的作用下，形成对绝缘材料所覆盖污染物中水分的蒸发；而因水分蒸发所形成的局部干燥点，将引发不均匀电场的闪络放电，造成绝缘材料碳化，形成绝缘材料的电痕破坏。

电极之间的绝缘材料一旦发生电痕破坏，随着产品的使用时间推移，电极之间由于漏电起痕所形成的碳化物将持续增加；电极间的绝缘阻抗持续下降。如此恶性循环将导致绝缘材料三种可能的劣化现象：

电极之间出现因碳化形成的黑色树枝状导电通道，经过连续多次放电后，导电通道逐渐增长，直到两电极之间桥连时，引起绝缘材料的击穿破坏；
绝缘材料在多次放电后，所积累的碳化物达到一定量，使得泄漏电流达到一定阈值时，其泄漏电流的焦耳热效应引起绝缘材料着火；
绝缘材料表面出现凹坑，持续不断的放电产生电腐蚀，引起凹坑的进一步加深，最终发生电极之间的击穿破坏。

结合上述的电弧放电、电火花放电及电痕破坏的形成原因分析可知：高压电控产品电极之间的电弧或电火花放电主要受电气间隙的设计影响；而电痕破坏主要受到爬电间距的设计影响。为保证电气产品的稳定性与可靠性，电极之间的绝缘设计需要对产品实际应用的环境与条件做好充分的调研与分析；根据其实际工作的电压、温度、湿度、海拔、环境污染等级等设计输入，选择合适的极间绝缘材料；在产品空间尺寸条件允许的情况下，尽量加大电极之间的电气间隙与爬电间距。

高压电控产品电气设计入门——理论分析

高压电控产品电气设计的核心参数

高压电控产品为保证在其实际应用过程中不出现电弧放电、电火花放电及电痕破坏等电气损坏；需对产品内部所有带电的部件、元件之间，充分考虑其电极之间的绝缘介质耐受能力；为此在高压产品的电气设计中引入了针对电弧和电火花放电衡量标准的电气间隙，及针对电痕破坏衡量标准的爬电距离两个核心参数。

电气间隙——两个导电零部件在空气中的最短距离。

爬电间距——两个导电零部件沿绝缘材料表面的最短距离。

电气间隙与爬电间距的定义如下图5所示：

图5

电气间隙和爬电间距，既是高压产品设计中的宏观考核指标，也是微观考核指标。电气间隙在微观环境下，其绝缘介质的耐受能力主要与气体分子的导电活性相关；而气体分子的导电活性又主要由空气分子的密度（海拔高度）和组成成分（湿度、污染等级）所决定。爬电间距在微观环境下，对其绝缘能力的影响主要体现在绝缘材料的特性、环境的污染等级、极限工作电压的范围和类型等因素。故而对于电气间隙与爬电间距的影响因素与产品应用条件的分析如果不够充分，则易导致产品在售后市场因电弧放电、电火花放电或电痕破坏而引起电极间的绝缘破坏、极间短路、起火等严重故障。

电气间隙的主要影响因素分析

对于产品设计来讲，高压产品的电气间隙直接决定了产品的结构尺寸与机械外包络边界的大小。那么电气间隙又主要受哪些因素直接影响呢？电气间隙主要受以下六大因素的直接影响：绝缘类型、过压类型、海拔高度、温度与湿度、气体成分、电场类型。

高压产品根据其实际应用的特性与防护要求，就绝缘类型而言，可分为如下几类：

功能绝缘 Functional Insulation：仅为设备运行所必需的绝缘；
基本绝缘 Basic Insulation：施加于带电部件提供基本防护的绝缘；
附加绝缘 Supplementary Insulation：除基本绝缘以外施加的独立的绝缘，用以保证在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击的发生；
双重绝缘 Double Insulation：由基本绝缘和附加绝缘两套绝缘所构成的双重绝缘；
加强结缘 Reinforced Insulation：提供的防电击能力不低于双重绝缘的绝缘，它可以由几层像附加绝缘或者基本绝缘那样单独进行试验的绝缘构成；

针对各类绝缘定义的理解，以常见的电机举例说明如下：电机定子的漆包线上所用的绝缘漆便是基本绝缘；在漆包线外再加上的热缩管（或黄腊管），便是附加绝缘；将漆包线和热缩管（或黄腊管）组合在一起，便构成了双重绝缘；在漆包线和定子冲片之间，采用真空浸漆的方式，将绝缘漆填充至漆包线和定子冲片之间，并使漆包线和定子冲片之间形成固定结合（不可分割），且绝缘强度不低于双重绝缘的绝缘方式，便是加强绝缘。

高压产品在电力系统的实际使用中，针对其所处位置的不同，其所对应需要承受的过电压等级也不相同。过压类型（Over-voltage Category）参考IEC 60664、GB/T 18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》中，第3.5条的描述如下：

过电压类别I：连接至具有限制瞬态过电压至相当低水平措施的电路的设备（例如：具有过电压保护的电子电路）上所承受的过电压；
过电压类别II：由配电装置供电的耗能设备（此类设备包含如器具，可移动式工具及其他家用和类似用途负荷）上所承受的过电压。如果此类设备的安全（可靠）性和适用性具有特强要求时，则采用过电压类别III；
过电压类别III：安装在配电装置中的设备，以及设备的使用安全（工作可靠）性和适用性必需符合特殊要求者（此类设备包含如安装在配电装置中的开关电器和永久连续至配电装置的工业用设备）上所承受的过电压；
过电压类别IV：使用在配电装置电源端的设备（此类设备包含如电表和前级过电流保护设备）上所承受的过电压；

直接引用IEC或GB/T标准的原话较难理解；就汽车产品而言，可简单理解为：I类级别过电压一般指汽车内部的低压低能量级别并带保护装置的产品（如：VCU、低压配电盒等产品）；II类级别过电压是从主供电电路分支出来的低压高能量级别产品（如：EPS、EPP、启停控制器等产品）；III类级别过电压是指高压主供电路中的高压高能量级别产品（如MCU、高压配电盒、DC/DC、OBC等产品）。

对电气间隙的绝缘耐受能力而言，由于其绝缘介质是空气，空气中的气体密度与组成成分，直接决定了其绝缘能力的强弱。地球不同海拔高度（ Operating Altitude）的空气密度会有较大差别；当海拔升高时，气压减小后空气将变得稀薄，伴随气体密度的下降，空气中带电粒子的平均自由行程将增大，带电粒子在运动中积累的动能将增大，将使电极之间的绝缘耐受能力也随之下降；故而海拔高度是直接影响高压产品电气间隙设计的一个关键因素。

空气相对密度在非标准大气压下换算成标准大气压的计算公式4如下：

由空气密度的计算公式可知：空气密度与大气的压强P成正比，与气体温度成反比。在非密闭的空间中，空气的密度会随温度的升高而减小；故而在高压电控产品的电气设计时，还需要重点关注高温、高海拔等极限条件下产品电极的电气间隙距离与耐压的设计校核。

高压电控产品在海拔：1000m＜Ha＜4000m的地区，电极的绝缘击穿电压修正关系的计算公式5如下所示：

由绝缘电压的修正计算公式可快速确认出电气间隙在不同海拔下的绝缘耐压电压。

对于电气间隙在不同温度下的绝缘耐压电压修正值，可以通过气体密度与压强及温度之间的相互关系计算公式4，将气体密度与温度条件下所对应的气压值计算出来，查表确认出气压值所对应的海拔高度，再通过海拔高度的修正公式便可计算出具体的绝缘耐压值。

空气湿度对于电气间隙之间的绝缘强度也存在直接影响，理论上在不产生凝露的情况下，空气湿度越高，空气的电离能力越低，相同间距的绝缘耐受能力越强；对于空气放电能起到有效的抑制作用。但在实际的实验中：在均匀或稍不均匀的电场中，电气间隙的击穿电压虽然会随湿度的增加而增加，但是程度很微弱，几乎可以忽略不计。其可能原因是：均匀电场中平均击穿强度较高，电子运动速度较快，分子不易吸附电子，故而湿度的影响较小。在极不均匀的电场中，平均电场的场强较低，湿气分子易吸附电子形成负离子，降低了自由电子从负极到达正极过程中，可能形成的碰撞游离和电子崩的发生可能性；使击穿电压会随空气湿度的增加而明显增加；故而在不均匀电场中的气隙放电电压需要进行湿度校正。

如前所述，电气间隙绝缘耐受能力的另一个主要影响因素便是绝缘介质的材质；高压电气产品中，某些产品由于其特殊的应用，会在产品的电极之间填充入负性气体，以提升产品电极之间的绝缘耐受能力。常用的强负性气体有：氮气、二氧化碳、六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等。强负性气体可增加电极间的绝缘耐受能力的主要原因有：a、负离子较强的电负性，即可削弱电离，又可加强复合；b、气体分子的量和直径大，电子之间的λ减小；c、电离过程伴随着离解过程，需要的外部能量更多。在高压电气产品的设计中，也需要考虑产品实际应用条件下是否存在导电悬浮杂质的污染；如金属粉尘、碳粉尘等对于高压产品的污染将直接影响其电气绝缘的耐受能力；故而在如：有刷电机系统、机械换向器的高压系统中，需要根据产品的实际运行工况和状态，及时进行IP防护检查和清洁保养。

高压电气产品中的电场类型，对于电气绝缘耐受能力的影响，可总结为：非均匀电场所要求的电气间隙要比均匀电场的电气间隙大。究其原因主要是：在非均匀电场中，虽然平均电场可能较低，但在正、负电极之间的局部位置（球壳半径非常小的位置），存在电场线的小范围聚集，使得电场强度可能很大；此时如按照均匀电场进行电气间隙的设计时，易导致在此局部空间内，因较高的电场强度导致空气击穿，形成电晕、电弧或电火花放电；最终引起高压产品的绝缘失效。

爬到间距的主要影响因素分析

对于高压电气产品设计来讲，作为高压电极之间用于支撑、固定和保护作用的绝缘材料，所形成的电极之间的爬电间距，将直接影响产品的结构布局、尺寸、机械外包络大小和实际的物料成本与重量。爬电间距主要受以下六大因素影响：绝缘类型、工作温度、污染等级、过压类型、电场类型、绝缘材料。针对在电气间隙影响因数章节已经分析过的绝缘类型、过压类型和电场类型，这里就不再赘述；我们重点针对绝缘材料、污染等级、工作温度三大因数对于爬电间距的影响做相关分析。

高压电气产品内部的电极之间计，一般都是按照功能绝缘的要求进行具体设计的；在此绝缘设计的基础上，对于绝缘材料的绝缘特性及受温度与环境污染等级的影响趋势评估便是爬电间距设计的重点。

电极之间的固体绝缘材料（Insulant）丧失绝缘性能的损坏方式主要有：

漏电起痕引起的绝缘破坏，最终形成导电通路；
高温工况下，因吸潮、结露等环境污染导致电极之间热击穿损坏，最终形成导电通路；

绝缘材料的绝缘特性中，最重要的衡量与考核指标为：CTI或PTI。相对漏电起痕Comparative Tracking Index ( CTI )与耐漏电起痕指数 Proof Tracking Index( PTI )主要用于评价绝缘材料在特定条件下发生电痕劣化，导致电痕破坏的耐受能力。高分子聚合物绝缘材料发生电痕破坏的机理如下：

高压电气产品在实际工作中，因冷热冲击、温湿交变等工况，在绝缘材料表面形成潮湿与污秽的凝结污染；当产品电极之间的电压足够高、电场足够大时，绝缘材料的表面将因凝结污染引起大于设计允许的漏电流产生；
电极间因漏电流增大，在电流的焦耳热作用下，使凝结污染物中的水分被蒸发；
随着水分的蒸发，将在绝缘材料表面形成液膜分离的缝隙（称为干燥带）；在干燥带形成瞬间，液膜间场强达到放电场强而形成电弧或电火花放电；
放电产生的瞬时高温使绝缘材料表面发生局部碳化，因碳化生成物的导电率高，电极间电场密度将集中于该碳化部分，引起重复放电；
重复放电产生更多具有导电能力且不断向电极之间延伸的碳化物，最终形成碳化导电通路，导致电极之间短路；
短路形成后，引起绝缘材料的起火、熔融或是完全碳化，最终导致产品功能的完全失效。

产品产生电痕破坏形成绝缘失效的过程示意图如下图6所示：

图6

基于GB/T 4207 -2003& IEC 60112《固体绝缘材料在潮湿条件下相比电痕化指数和耐电痕化指数的测定方法》对于CTI的与PTI的衡量指标与要求做了具体的规定。

PTI的实验验证要求：

绝缘材料要求：厚度为3mm，电极间距为4mm；
电解液要求：0.1%氯化铵水溶液，以30秒一滴速率连续滴50滴；
实验电压要求：IEC标准划分的四个等级或UL746A标准划分的六个等级；
实验电流要求：短路电流设定值为1A；
结果要求：不产生漏电起痕失效；

绝缘材料的漏电起痕测试，主要是模拟高压电气产品在实际应用中，是否会因为绝缘材料表面沉积有导电物质时，引起绝缘材料表面电痕破坏、击穿短路和起火危险而进行的设计检验和风险评估。故而在进行绝缘材料的设计评估时候，主要以PTI实验验证为选型设计的参考依据。CTI测试在定量评价绝缘材料的绝缘性能时也会使用，CTI与PTI的实验要求与布置方式等都极为相似；与PTI的实验区别主要在于：PTI采用标准划分好的固定电压进行漏电起痕测试；CTI采用固定的漏电流设定，不断的改变实验电压，以确定出绝缘材料在不发生漏电起痕失效要求下，所能承受的最高实验电压。

CTI等级划分主要参考IEC 60112和UL746A两份标准；IEC 60112将等级分为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa、Ⅲb四个等级；而美国的UL746A将等级分为： 0-5的六个等级。两个标准所对应的等级划分具体情况如下表1所示：

表1

高压电气产品所处运行环境的污染等级，参考GB 14048.1-2012（IEC 60947.1-2011）中第六章的大气条件中6.1.3.2的规定，分为以下4个污染等级：电极之间的绝缘材料发生电痕破坏的最主要原因——表面所沉积的导电物质。故而对于高压电气产品实际工作环境的电气污染等级界定与分析便是爬电间距设计的一个重点。在确定产品所处的环境污染等级后，根据爬电间距对于不同污染等级的要求进行查表便可确认出产品的最小爬电间距要求。

污染等级1：无污染或仅有干燥的非导电性的污染；
污染等级2：一般仅有非导电性污染，但必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性；
污染等级3：有导电性污染，或由于凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的；
污染等级4：造成持久的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。

绝缘材料的绝缘特性还受到其实际工作温度的影响；实际工作温度越高，绝缘材料在热应力的激发下，其分子的活性越强，绝缘性能越低；同时在高温、高湿的工作条件下，更易导致电痕破坏的发生，故而对于高压电气产品的最高工作温度的分析及爬电间距的校正也是保证产品设计可靠性的关键。

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