北广精仪计算机控制介质材料耐电弧测试仪BDH-20KV

  应用于电机、电器和家用电器等行业的电工用塑料、树脂胶和绝缘漆等在允许电压下不导电的材料的耐电弧性能评定一般适用于固体在允许电压下不导电的材料如：塑料、薄膜、树脂、云母、陶瓷、玻璃、绝缘油、绝缘漆、纸板等介质的耐电弧性能测试.

  电弧是一种气体放电现象。当两电极之间施加的电场强度越过气体的击穿强度时，原本绝缘的气隙被击穿，形成一条持续或间歇的放电通道。这条通道内的温度可达数千摄氏度，能级高度集中，同时伴随强烈的紫外线、可见光辐射与电磁干扰。落在材料表面的电弧，会把局部区域的有机成分迅速分解、碳化，形成一层导电性很强的残炭。残炭一旦把两电极之间的通道连通，材料表面就出现了导电通路，绝缘性能随之丧失。

  在电机、电器、开关、家用电器这类设备中，绝缘材料常常处在电极之间或者带电部件附近。分合闸的瞬间、触点弹跳的间隙、绝缘件表面受污染或受潮之后，都可能诱发弧光放电。绝缘件一旦在这类放电中被啃出碳化通道，轻则漏电流上升、绝缘电阻下降，重则直接击穿、短路，构成安全风险隐患。因此，材料能不能抵抗电弧的反复作用而不形成导电通路，是绝缘材料的一项关键性能，工程上把它叫作耐电弧性能。

  要把这项性能测出来，用大电流是不行的。大电流电弧会在瞬间把材料整体烧毁，得不到材料从尚能耐受逐步走向失效的连续过程，也就无法区分不一样的材料的优劣。工程上因此采用高压小电流的方式：电压施加到数千伏直至两万伏，电流控制在毫安级，让电弧在材料表面反复作用，观察材料从表面轻微碳化、局部起痕到形成导电通路的全过程，记录这样的一个过程所能维持的时间，作为耐电弧性能的量度。

  本文围绕 BDH-20KV 这台计算机控制的介质材料耐电弧测试仪展开，介绍它的试验原理、试验过程的阶段划分、主要技术指标、电极系统、安全防护、操作流程与典型应用场景，供从事绝缘材料检验、来料验证与产品研发的工程技术人员参考。

  耐电弧性能，指的是绝缘材料抵抗电弧作用、在材料表面不形成导电通路的能力。它衡量的不是材料的绝缘电阻有多高，也不是击穿电压有多大，而是在电弧这种局部、高温、带电粒子的严酷作用下，材料表面抗碳化、抗起痕的本领。

  电弧电流，指电弧通道中流过的电流。本类试验采用小电流方式，典型档位为十毫安、二十毫安、三十毫安、四十毫安几档，从小到大分级施加，模拟材料在不同能量强度下的表现。

  间歇电弧与连续电弧，是两种不同的施加方式。间歇电弧按规定的时序通断，比如通四分之一秒、断四分之七秒，让电弧周期性地作用在材料表面；连续电弧则保持导通，电弧持续作用。材料在一定条件下可能经受住间歇电弧，却在连续电弧下较快失效，两种方式的组合能把材料的耐受边界刻画得更为细致。

  通断时间，即电弧导通与断开各自持续的时间。它是试验波形的重要参数，其准确程度直接影响试验结果的可比性，因此设备对这一时间误差有明确要求。

  电极距离，指两电极之间的间隙。间隙大小决定了电场强度与电弧的形态，是试验条件中需要固定并复核的一项。

  电极材料与规格，不一样的材料、不一样的形状的电极，放电特性与热传导特性不同，因而标准对电极的板厚、长度、宽度、配置角与重量都有规定。试验必须在规定的电极条件下进行，结果才具备可比性。

  判定依据，通常以材料表明产生导电通道、材料起火燃烧、或电流达到规定值并持续规定时间作为失效判据。不同标准对判据的表述略有差异，试验时需要按所执行标准的具体条款把握。

  这台设备对标的是一组围绕固体在允许电压下不导电的材料耐电弧性能的试验方法，涵盖国内标准、国际电工标准、国际通行标准与行业标准几类：

  GB1411-2002《固体电工在允许电压下不导电的材料高压小电流间歇耐电弧试验方法》，是国内开展此类试验的直接依据，规定了高压小电流间歇耐电弧试验的电极、试样、试验程序与判定要求。

  IPC650，电子组装与印制电路领域通行的试验方法标准，其中包含材料耐电弧相关的试验方法。

  IEC 61621，国际电工委员会关于固体在允许电压下不导电的材料耐电弧试验的方法标准。

  ASTM D495，国际材料试验领域关于固体电在允许电压下不导电的材料高电压、低电流、干式电弧电阻的试验方法。

  UL 746A，北美安全认证体系中对高分子材料电气性能评定的方法标准之一。

  上述标准的编号与版次以现行有效版本为准。设备在设计与试验程序上对应这一些方法，实际开展试验时，应以所执行标准对试样尺寸、电极状态、施加电压、电流档位、通断时序与判定条件的逐条规定为准，不可仅凭设备默认设置直接出结论。

  试验的基础原理是：在规定的电极条件下，把试样置于两电极之间，逐级施加规定电压与规定电流的电弧，按预设时序在试样表面反复放电，观察并记录试样表面的碳化与导电通道形成情况，以此评定材料的耐电弧性能。

  本设备把整个试验划分为七个阶段，各阶段的电流档位、通断方式、单阶段维持的时间与累计时间都有明确规定。为便于检索与理解，下面按阶段逐条列出（原资料的阶段名称、电流、通断时间、维持的时间与试验所经时间均照原样保留）：

  试验过程第 1 阶段：过程代号 1/8-10，弧电流为 10，通断时间为 1/4s 通、7/4s 断，维持的时间为 60，试验所经时间为 60。

  试验过程第 2 阶段：过程代号 1/4-10，弧电流为 10，通断时间为 1/4s 通、7/4s 断，维持的时间为 60，试验所经时间为 120。

  试验过程第 3 阶段：过程代号 1/2-10，弧电流为 10，通断时间为 1/4s 通、7/4s 断，维持的时间为 60，试验所经时间为 180。

  试验过程第 4 阶段：过程代号 10，弧电流为 10，通断方式为导通，维持的时间为 60，试验所经时间为 240。

  试验过程第 5 阶段：过程代号 20，弧电流为 20，通断方式为导通，维持的时间为 60，试验所经时间为 300。

  试验过程第 6 阶段：过程代号 30，弧电流为 30，通断方式为导通，维持的时间为 60，试验所经时间为 360。

  试验过程第 7 阶段：过程代号 40，弧电流为 40，通断方式为导通，维持的时间为 60，试验所经时间为 420。

  从这七个阶段能够准确的看出试验节奏的规律：前三个阶段电流维持在十毫安，采用通四分之一秒、断四分之七秒的间歇方式，每一阶段持续一分钟，累计到三分钟；从第四阶段起转为连续导通，电流按十毫安、二十毫安、三十毫安、四十毫安逐级提高，每一阶段同样持续一分钟，累计到七分钟。整一个完整的过程把间歇与连续低电流与高电流两种维度组合起来，形成一条由缓到急的加载路径。试验中如果在某个阶段出现规定的失效判据，即记录该阶段对应的时间作为试验结果。

  设备名称中的计算机控制，不是一句装饰性的描述，而是落实在试验过程的多个具体环节上。把这些环节讲清楚，才能理解操作人员所做的工作与设备所承担的工作是如何分工的。

  其一，升压与调压的自动化。 试验电压在零到两万伏之间连续可调。试验开始后，控制器按设定值驱动高压回路升压，并按阶段需要维持或调整电压输出。全过程不需要人工转动调压机构逐点对位，避免了人为操作造成的电压波动与读数偏差。电压控制误差优于百分之二，意味着实际输出电压与设定值之间的偏离被控制在较小范围内，不同批次试验之间的电压条件更容易保持一致。

  其二，电流档位的自动切换。 七个阶段对应四个电流档位（十、二十、三十、四十毫安）。控制器按阶段时序自动完成档位切换与电流给定，不需要操作人员在各阶段之间手动拨挡。手动切换不仅繁琐，而且切换瞬间存在电流中断与冲击，容易干扰试验进程；自动切换让加载过程平稳衔接，与标准规定的励电顺序相符。

  其三，通断时序的自动控制。 前三个阶段的间歇方式对时序精度要求比较高：通电四分之一秒、断电四分之七秒，如此循环。人工无法稳定复现这样的时序，而控制器依靠内部计时单元输出控制信号，把电弧通断时间误差控制在小于五毫秒的水平，使间歇阶段的波形具备重复性。这项能力也正是间歇耐电弧试验能够标准化的前提。

  其四，控制与测量的精度保障。 设备对电流控制精度要求优于正负百分之十，对电流测试精度要求优于正负百分之一点五，对试验电压控制误差要求优于百分之二。这些指标共同界定了设备所能达到的加载与测量水平。精度指标由控制回路与测量回路共同实现，属于计算机控制在指标层面的体现。

  其五，试验过程的数据记录。 控制器在试验过程中采集电压、电流与时间等量，记录各阶段的运作时的状态。触摸屏人机界面上可查看实时参数与运作时的状态，便于操作人员在试验进行中掌握进程、在试验结束后读取结果。

  其六，安全联锁与管理逻辑。 设备设置超压保护、过流保护、短路保护、安全门开启保护与软件误操作保护五项措施，其中软件误操作保护由控制系统软件的逻辑判断实现，用于拦截不当操作、避免异常加载。安全联锁与过程控制相结合，使试验在人员安全与设施安全两个层面都得到约束。

  综合来看，操作人需要完成的是试样准备、电极装夹、参数设定与结果判读等判断性工作，重复性的调压、切档、定时与记录则交给控制器执行。这种分工减少了人的因素对试验结果的干扰，也让不同操作者、不同次试验之间更为容易得到一致的结果。

  设备的整机可以按功能划分为几个部分，理解这些部分之间的配合关系，有助于把握设备的整体面貌。

  试验主机与机箱，是设备的框架。它把高压回路、控制回路、测量回路、试样台与操作界面集成在同一个箱体内，形成一台台式的试验装置；试样与电极置于机箱内部，试验过程在闭合的箱体内进行，这为安全防护提供了基础。

  两万伏高压发生器，是设备的高压来源。它把输入的单相交流电变换为可调的高压输出，输出范围覆盖零到两万伏，电器容量为两千伏安。高压发生器是电弧的能源，其输出稳定性直接决定试验条件的稳定程度。

  试验电极系统，是把电压施加到试样上的部件。设备配有板状不锈钢电极与钨钢电极两类，规格与配置角按标准规定执行，电极位置可调，用以设定并复核电极距离。

  控制与测量部分，是设备的中枢。它承担升压调压、电流档位切换、通断时序发生、参数采集与安全联锁等功能，是计算机控制的载体。控制与测量一体的设计，让给定信号与反馈信号在同一个系统内闭环，有利于提高控制与测量的准确性。

  安全防护部分，包括超压、过流、短路、安全门与软件误操作五类保护，覆盖电气异常与操作异常两类风险。

  人机界面，即触摸屏操作面板。操作人员通过界面设定试验参数、启动与停止试验、查看实时数据与运作时的状态。界面把复杂的控制逻辑转换为直观的操作项，降低了设备的使用门槛。

  几个部分围绕按标准规定的时序，稳定地向试样施加规定的高压小电流电弧这一目标协同工作。这种架构的特点在于高压与弱电分离、操作与高压隔离、控制与测量一体，兼顾了试验能力与使用安全。

  安全保护措施：（1）超压保护；（2）过流保护；（3）短路保护；（4）安全门开启保护；（5）软件误操作保护

  需要说明的是，输出电压与试验电压连续可调两项在资料中分别列出，指向的都是零到两万伏这一可调范围，本文按原文分列保留，未作合并。电极规格一项包含板状电极、钨钢电极、配置角与电极重量四项内容，按原文一并列出。

  电极规格与作用。 设备配有不锈钢板状电极与钨钢电极两类。板状不锈钢电极的规格为 25.4mm×12.7mm×0.15mm，属于薄板状电极，其宽度与厚度按标准规定设定，用以在试样表明产生规定形态的放电；钨钢电极的规格为直径 2.4mm、长度 70mm，钨钢材料具备较高的耐高温与耐烧蚀能力，适合承受电弧的反复作用。电极配置角为 110 度，这一角度决定了放电通道相对试样的方位。电极重量为 50G，重量与电极对试样的压力相关联，也与电弧作用位置的稳定程度相关。

  电极距离。 电极距离设定为 6.35±0.1mm 且可调。之所以要可调，一是便于按不同标准与不同试样的要求设定间隙，二是便于在电极因烧蚀而需更换或修整之后重新校准。试验前后都应复核电极距离，并保持两电极表面清洁、无残炭附着，否则放电形态会发生改变。

  试样装夹。 试样应平整、无明显翘曲与污渍，按规定要求放置于电极之间。装夹时应使电极与试样表面接触状态一致，避免因接触不良导致放电位置偏移。试样表面的清洁程度对结果影响较大，手指印、油渍与粉尘都有几率会成为电弧的引发点或碳化通道的起点。

  电极的维护。 电极在多次试验后会逐渐烧蚀、变形，表面出现坑蚀或积碳。达到某些特定的程度时应按标准规定的方法修整或更换，不宜在电极状态明显劣化的情况下继续试验，否则试验条件已经改变，结果失去可比性。

  耐电弧试验涉及两万伏的高压，安全防护是设备设计中的一项重要内容。本设备设置了五项保护措施，分别针对电气异常与操作异常两类情形。

  超压保护，用于防止输出电压超过设定范围。一旦电压出现异常升高，保护动作切断高压输出，避免高压施加到不该承受的部件上。

  过流保护，用于防止回路电流异常增大。电弧试验本身就是一种放电过程，回路中难免出现电流波动，保护的功能是识别真正异常的电流并切断加载，避免元件因过流而损坏。

  短路保护，用于应对回路出现短路的情形。短路时电流会急剧上升，保护动作及时切断输出，避免事故扩大。

  安全门开启保护，针对的是人员误入高压区域的风险。试验在闭合箱体内进行，一旦箱门被打开，保护立即切断高压输出，使操作人员在打开箱门的瞬间接触到的不是带高压的部件。

  软件误操作保护，由控制系统软件实现。当操作人员输入了不合理参数，或在非允许状态下执行操作时，软件予以拦截并给出提示，避免因误操作导致设备或试样受损。

  这五项保护措施覆盖了电与人两方面：前三项针对回路中的电气异常，第四项针对人员接触风险，第五项针对操作逻辑错误。试验过程中不应以任何方式屏蔽或绕过这些保护；若保护频繁动作，应查明原因，而不是忽略报警继续试验。

  下面是按此类设备的通行做法整理的操作的过程，供参考。真实的操作应以所执行标准的具体条款与设备随机使用说明书为准。

  步骤一：试验前检查。 确认设备接地可靠、电源相符、箱门关闭正常。检查电极表面是否清洁、有无明显烧蚀或积碳，电极距离是不是满足设定值。检查试样表面平整与否清洁，有无污渍与损伤。

  步骤二：试样准备与装夹。 按规定要求裁取试样，置于电极之间，调整电极位置使电极与试样按规定的方位与间隙就位。装夹后复核电极距离，避免装夹过程中发生偏移。

  步骤三：参数设定。 通过触摸屏界面设定试验方式（间歇电弧或连续电弧）、试验电流档位、试验电压以及各阶段的运行参数。设定值应与所执行标准一致，不宜沿用与本次试验无关的旧参数。

  步骤四：启动试验。 关闭箱门，确认无人员在高压区域内，启动试验。控制器按设定时序自动升压、切换电流档位并执行通断控制，试验过程由设备自动完成。

  步骤五：过程监视。 试验进行中通过界面查看实时电压、电流与运作时的状态，留意有无异常报警。如出现报警，应按保护动作的提示信息判断原因，必要时停止试验，不要强行继续。

  步骤六：观察与判定。 试验过程中观察试样表面的碳化情况。当出现规定的失效判据时，记录该时刻对应的试验所经时间，作为该项试样的耐电弧结果。

  步骤七：结束与放电。 试验结束后，设备自动切断高压输出。确认高压回路已放电完毕，使用放电棒对相关部位充分放电，然后再打开箱门。切勿在未确认放电的情况下接触电极与高压部件。

  步骤八：取样与记录。 取出试样，记录试验条件（试验方式、电流档位、电压、电极状态、环境条件等）与试验结果，一并归档。同一批试样应在相同条件下进行，便于比较。

  步骤九：设备复位与清洁。 清理电极与试样台上的残炭、粉尘，必要时按标准规定的方法处理或更换电极，使设备恢复到可再次试验的状态。

  步骤十：异常处理。 若试验结果异常，先核对试验条件、电极状态与试样状态，再排查设备参数是不是被误改。查明原因前不宜简单重复试验，更不宜通过调整判定门限去凑一个结果。

  耐电弧试验是一个涉及电场、热场、材料表面状态的复合过程，下列因素会影响结果，试验时应予关注。

  电极状态。 电极表面是否清洁、有无烧蚀坑蚀与积碳，直接影响放电形态与电弧的稳定程度。电极劣化后在相同参数下也难得到一致结果。

  电极距离。 间隙改变会改变电场强度与电弧长度，进而改变作用于试样的单位体积内的包含的能量。设定值 6.35±0.1mm 中的容许偏差需要在装夹后复核确认。

  电极压力。 资料给出电流对试验压力为 0.5±0.05N。压力影响电极与试样的接触状态，接触不良会使放电位置漂移。

  试样表面状态。 平整度、清洁程度、含水率与是不是真的存在预处理残留，都会影响电弧引发与碳化通道的形成位置。

  试样厚度与材质均匀性。 厚度不同，热传导路径不同；材质存在局部缺陷或纤维取向差异时，放电易沿薄弱处发展。

  试验电压与电流档位。 不同电压与电流组合施加的能量不同，试验结果必须与试验条件一并记录，脱离条件谈结果没有意义。

  通断时序。 间歇阶段的通四分之一秒、断四分之七秒是固定时序，其时序误差由设备控制在小于五毫秒；时序一旦偏离，间歇阶段的间歇无效次数与累计作用时间都会改变。

  环境条件。 环境温湿度对材料表面电阻、吸湿程度以及放电稳定性有影响。试验应在相对来说比较稳定的环境条件下进行，并在记录中注明环境条件。

  评定以标准规定为准。通常的判定思路是：在规定的试验条件下，观察试样表面是否形成导电通道、是否起火燃烧，或回路电流是不是达到规定值并持续规定时间。如果出现上述情形之一，即判定该试样失效，记录当时对应的试验所经时间。

  数据记录应包含以下内容，以便复核与比较：试样编号与规格、材质与来源；试验方式（间歇或连续）、电压与电流档位、通断时序；电极类别、规格与电极距离、电极状态；环境和温度与湿度；失效判据的判定依据与失效时刻；操作人员与试验日期。记录完整，试验结果才具备可追溯性。

  需要提醒的是，同一材料在不同标准、不同电极条件与不同电流档位下的结果并不可直接比较。跨标准引用数据时，应核对试验条件的对应关系。

  电极维护。 每次试验后清理电极表面的残炭与粉尘。按时进行检查电极的烧蚀程度，达到需修整或更换的程度时按标准规定处理，不要以还能用为由接着使用变形严重的电极。

  绝缘部件检查。 按时进行检查高压回路中的绝缘件有无污渍、受潮、裂纹与积碳。积碳会降低绝缘水平，可能会导致沿面闪络，应予以清除。

  放电与接地检查。 确认放电棒状态良好、接地连接可靠。放电棒为树脂式，属于高压安全用具，应谨慎保管，避免受潮与损伤。

  箱体与联锁检查。 保持箱内清洁，检查安全门联锁动作可不可靠。联锁失效会使安全门开启保护这一措施形同虚设，属于需要立即处理的隐患。

  控制与显示部分。 保持触摸屏表面清洁，按说明书要求定期查看设备状态与参数设置，避免参数被误改。

  长期停用后的处理。 恢复使用前应做通电检查与空载试验，确认升压、调压、切档与保护动作正常，再进行正式试验。

  设备适用于电机、电器、家用电器等行业，用于电工用塑料、树脂胶与绝缘漆等在允许电压下不导电的材料的耐电弧性能评定；适用的固体绝缘介质包括塑料、薄膜、树脂、云母、陶瓷、玻璃、绝缘油、绝缘漆、纸板等。具体到实际在做的工作，常见的应用场合包括：

  绝缘材料生产企业的出厂检验与型式试验，用于验证产品的耐电弧性能是不是满足技术条件。

  电机与电器制造企业的来料检验，对进厂的在允许电压下不导电的材料按批次抽检，作为质量控制的一环。

  家用电器制造企业的零部件评定，对开关座、接线板、绝缘支架等部件所用材料来耐电弧性能验证。

  树脂胶与绝缘漆的研发与配方筛选，通过比较不同配方在相同条件下的耐电弧时间，判断配方改进的方向。

  印制电路与电子组装领域的材料评定，按 IPC650 等方法对基材与相关材料的耐电弧性能作出评价。

  产品质量争议与失效分析，对疑似因耐电弧性能不足而失效的部件进行复现与分析。

  加载与控制的精细化。 试验条件的施加从能加上去向加得准、控得稳演进。电压控制误差、电流控制与测试精度、通断时序误差这些指标，反映的正是精细化程度。控制与测量一体、闭环调节的思路，使试验条件的稳定性不断提高。

  操作与记录的自动化。 试验过程由控制器自动执行，试验条件与过程数据自动记录，减少人为读数与手写记录带来的偏差与遗漏，也为数据的追溯与批量分析提供了条件。

  安全的冗余化。 电气异常、人员接触与操作逻辑三类风险分设保护，形成多层约束，是安全设计上的普遍取向。安全联锁与软件逻辑相结合，使设备在误操作等非典型情形下也具备一定的保护能力。

  数据的可追溯。 试验条件与结果的可追溯性慢慢的受到重视，数据记录从记下来向可查询、可复核发展。

  标准体系的协调。 国内标准与国际标准在电极、试样与试验程序上的协调，使得设备在设计上更便于同时对应多套方法，减少重复试验。

  BDH-20KV 计算机控制介质材料耐电弧测试仪以高压小电流间歇放电的方式，对固体在允许电压下不导电的材料的耐电弧性能做评定，覆盖 GB1411-2002、IPC650、IEC 61621、ASTM D495、JEC 149、UL 746A 等方法标准所对应的试验需求，适用于塑料、薄膜、树脂、云母、陶瓷、玻璃、绝缘油、绝缘漆、纸板等介质材料。

  它的七阶段试验过程把间歇与连续两种施加方式、十个到四十毫安四个电流档位组合为一条由缓到急的加载路径；它的计算机控制把升压调压、电流切档、通断时序与数据记录交给控制器执行，把操作人员的精力集中在试样准备、条件把握与结果判读这些真正需要判断的环节上；它的五项安全防护，则为人员与设备提供了约束。

  对使用者而言，把试样与电极状态控制好、把试验条件按标准设定准、把失效判据把握住、把试验条件与结果记录清楚，比单纯追求一个数字更重要——耐电弧性能的结论，只有在条件明确、过程可复现、记录可追溯的前提下才有意义。