跨越間隙：絕緣協調的物理原理、失效機制與實務挑戰

Sonya Chan
10月30日
讀畢需時 8 分鐘

產品安全設計的演進，已從「符合標準」（Prescriptive-based）的被動應對，轉變為「預防失效」（Performance-based）的主動工程，在此演進中，絕緣協調（Insulation Coordination）始終是所有電氣安全的核心基石。

熟練地查表（Look-up tables）以獲取距離，是安規工程的基礎，然而，更高階的工程實踐，在於理解「為何」是這個距離？表格背後隱藏了哪些物理妥協？以及當新技術（如高密度設計）挑戰這些傳統表格時，應如何回到底層原理（First Principles）進行判斷。

本文探討絕緣協調背後的物理失效機制、關鍵決策因素，以及實務中面臨的棘手挑戰。

絕緣協調的核心哲學與依據

為何需要「協調」（Coordination）？

絕緣協調，其精髓並非僅僅是「絕緣」，而在於「協調」，它是一門系統工程科學，使設備的絕緣耐受能力（Dielectric Strength）與其所處的電氣環境（工作電壓、瞬態過電壓）及微觀環境（污染、氣壓）相匹配，以在預期的壽命週期內，將失效風險控制在可接受的經濟與安全水平。

它不是一個「是/否」的開關，而是一個機率問題，絕緣間距的設計，本質上是在定義一個可接受的「閃絡機率」（Flashover Probability）。

核心標準：IEC 60664-1 的定位

絕緣協調的原則，其權威來源是 IEC 60664-1: Insulation coordination for equipment within low-voltage systems，這份基礎標準（Basic Safety Publication）並不直接針對終端產品，而是為 IEC 62368-1（ITE/AV）、IEC 61010-1（實驗室設備）或 IEC 60335-1（家用電器）等產品標準委員會（TCs）提供統一的工程方法論。

理解 IEC 60664-1，就是理解所有現代安規標準中關於電氣間隙設計的「母語」。

失效的物理學：解構空間距離與沿面距離

安規工程的實踐，核心在於對抗兩種主要的絕緣失效模式：空氣的瞬間擊穿（電弧）和固體材料表面的緩慢侵蝕（漏電起痕）。

空間距離 (Clearance): 對抗電弧的戰役

空間距離（Clearance），定義為兩導體間經由空氣的最短路徑，它的存在是為了防止因電壓應力（主要是瞬態過電壓）導致的空氣介質擊穿。

失效機制：電離雪崩 (Ionization Avalanche)

一個關鍵觀念是：空氣並非絕對的絕緣體，空氣中始終存在著少量由宇宙射線等引發的自由電子和離子。

應力施加： 當一個高壓（特別是快速上升的瞬態脈衝）施加在兩個導體上時，會在間隙中產生強電場。
電子加速： 這個電場會加速那些自由電子，使其獲得足夠的動能。
碰撞電離： 高能電子撞擊中性的空氣分子（如氮氣、氧氣），將其「擊碎」，釋放出更多的電子。
雪崩效應： 新釋放的電子被再次加速，引發指數級的連鎖反應。這被稱為「電子雪崩」（Electron Avalanche）。
電漿通道： 當這個雪崩過程變得自我維持時，空氣會瞬間從絕緣體轉變為導體，形成一個高溫的電漿通道（Plasma Channel）——這就是電弧（Arcing）。

空間距離的設計，就是要確保在預期的最大瞬態過電壓下，電場強度也不足以觸發這個自我維持的雪崩效應。

沿面距離 (Creepage): 抑制漏電起痕的緩慢戰爭

沿面距離（Creepage），定義為兩導體間沿著絕緣材料表面的最短路徑，它的存在是為了防止在長期工作電壓和環境污染的共同作用下，絕緣材料表面發生漏電起痕（Tracking）。

失效機制：污染、潤濕與碳化

漏電起痕是一個緩慢、漸進且不可逆的失效過程，它遠比電弧複雜：

污染積累： 設備運行環境中的灰塵、鹽分、濕氣等污染物，會隨時間在絕緣表面積累。
表面潤濕： 當濕度足夠高（例如冷凝）時，這些污染物會溶解，在絕緣表面形成一層導電的電解質薄膜。
微小放電： 在工作電壓（Working Voltage）的作用下，這層導電膜會產生微小的漏電流，由於薄膜的分佈和乾燥情況不均勻，會產生局部的高電阻點，導致微小的火花放電（Scintillations）。
表面碳化： 這些微小放電的局部高溫，會開始灼燒絕緣材料（特別是如果材料是有機的），如果材料的化學鍵結不夠穩定，就會在表面分解並析出導電的「碳」（Carbon）。
軌跡形成： 這些碳化的斑點會連接起來，形成一條導電的「軌跡」（Track），這條軌跡會進一步縮短有效絕緣距離，使漏電流和放電加劇。
最終失效： 隨著時間推移，這條碳化路徑會不斷生長，如同樹根穿透岩石，最終完全橋接兩個導體，導致短路或火災。

沿面距離的設計，就是要提供足夠的「緩衝區」，使得在預期的污染物和材料特性下，這種碳化軌跡在設備的生命週期內，沒有足夠的時間發展到足以橋接間隙的程度。

絕緣設計的四大支柱

IEC 60664-1 的方法論，要求在設計絕緣系統時，必須考量四個關鍵變數。

關鍵因素一：工作電壓 (Working Voltage)

工作電壓是系統長期承受的電氣應力，一個常見的考量誤區是僅僅考慮均方根值（RMS, Root Mean Square）。

RMS 的作用： RMS 值主要關聯到熱效應（如電流發熱）。
峰值 (Peak) 的關鍵性： 對於絕緣介質而言，真正施加壓力的是峰值電壓（Peak Voltage），對於直流（DC）或高波峰因數（Crest Factor）的交流波形，峰值電壓遠高於 RMS 值。
沿面距離的關聯： 沿面距離的表格主要是基於 RMS 電壓，因為漏電起痕是一個與長期能量消耗相關的過程。
固態絕緣的關聯： 固態絕緣的耐受能力則同時取決於 RMS（長期熱老化）和 Peak（瞬間介質擊穿）。

關鍵因素二：瞬態過電壓 (Transient Overvoltages)

這是決定空間距離（Clearance）的最關鍵因素，標準將設備的安裝位置分為四個過電壓類別（Overvoltage Category, OVC）。

OVC IV： 電源源頭，如戶外電線桿或電錶，瞬態能量極高，保護困難。
OVC III： 建築物的固定安裝，如配電盤、斷路器。
OVC II： 連接到固定安裝的設備，如家用電器、插在牆上插座的電源供應器，這是絕大多數消費性產品的類別。
OVC I： 處於被「保護」環境中的設備，例如在 OVC II 電源供應器之後的低壓電路。

OVC 本身不是一個物理常數，而是一個基於統計和風險的「假設」，它假設了在 OVC II 的環境中，來自電網的瞬態（如雷擊感應）已被建築物佈線抑制到某個可控的水平（例如，對於 230V 系統，假定為 2500V 瞬態），空間距離的設計，就是在這個「假定的最壞情況」下防止電弧。

關鍵因素三：污染等級 (Pollution Degree, PD)

這是決定沿面距離（Creepage）的最關鍵因素。它定義了設備所處的微觀環境。

PD 1 (無污染或僅乾燥非導電污染)： 必須是完全密封或灌膠（Potting）的環境，在此條件下，沿面距離可以被極大縮減，甚至等於空間距離（因為漏電起痕的機制被抑制了）。
PD 2 (僅非導電污染，偶爾因冷凝而短暫導電)： 典型的家庭或辦公室環境，這是預設的評估條件。
PD 3 (導電污染，或乾燥的非導電污染因濕氣而變為導電)： 工業環境或戶外（未受保護）的環境，需要非常寬的沿面距離。

污染等級實質上是一個「設計選擇」，工程師可以透過設計（例如增加外殼的 IP 等級、使用灌膠或塗層）將微觀環境從 PD 2 改變為 PD 1，從而合法地縮小沿面距離，以實現高密度設計。

關鍵因素四：材料比較性漏電起痕指數 (CTI)

CTI（Comparative Tracking Index）是絕緣材料本身抵抗漏電起痕能力的量化指標，它是在受控的污染（氯化銨溶液）和電壓下，材料表面在失效（形成持續軌跡）前所能承受的液滴數量的度量。

材料分組（Material Group）：
- Group I: CTI ≥ 600
- Group II: 400 ≤ 600
- Group IIIa: 175 ≤ 400
- Group IIIb: 100 ≤ 175

CTI 與沿面距離是直接的「權衡取捨」（Trade-off），在相同的 PD 2 和工作電壓下，使用 CTI Group I 的優質材料（如某些高性能工程塑膠）所需的沿面距離，可能僅是使用 Group IIIb 材料（如普通酚醛樹脂）的一半，在空間受限的設計中，選擇高 CTI 的材料是至關重要的工程決策。

實務挑戰與前瞻性應用

理解四大支柱，是應對真實工程挑戰的基礎。

高海拔環境的挑戰：當空氣變稀薄

這是一個經典的空間距離（Clearance）問題。

物理原理： 在高海拔地區（例如超過 2000 公尺），氣壓顯著降低，空氣變得稀薄，代表空氣分子的「平均自由行程」（Mean Free Path）變長了。
失效機制： 在電場中，自由電子在兩次碰撞之間可以被加速更長的距離，從而獲得更高的動能，代表在較低的電壓下，電子就足以引發「電離雪崩」。
工程對策： 空氣的介電強度降低了，IEC 60664-1 要求必須使用「海拔修正係數」（Altitude Correction Factor）來增加空間距離，這不是隨意的安全裕量，而是對基礎物理定律的直接回應。

高密度設計的困境 (如 GaN 充電器)

GaN（氮化鎵）技術使電源供應器的功率密度達到了前所未有的高度，這給絕緣協調帶來了巨大壓力，一個 65W 的充電器可能只有火柴盒大小，但它仍然是 OVC II 設備，必須承受 2500V 的瞬態。

挑戰： 要在極小的 PCB 上同時滿足 OVC II 的空間距離和 PD 2 的沿面距離，幾乎是不可能的。
解決方案（回到 PD 1）：
1. 灌膠 (Potting)： 將整個高壓電路用環氧樹脂等固態絕緣材料完全封裝，這將微觀環境從 PD 2 變更為 PD 1。
2. 保形塗層 (Conformal Coating)： 在 PCB 表面塗覆一層絕緣漆。
新的挑戰： 這樣做之後，沿面距離的問題解決了，但同時也引入了新的失效模式——固態絕緣（Solid Insulation）的擊穿。

固態絕緣 (Solid Insulation) 的評估

當使用灌膠或塑膠外殼作為絕緣時，絕緣協調的評估就從「表面距離」轉變為「材料厚度與品質」。

失效機制： 固態絕緣的失效，通常不是因為材料本身的介電強度不夠（理論值都很高），而是因為製造缺陷。
氣泡 (Voids)： 灌膠過程中產生的微小氣泡。
雜質 (Impurities)： 材料中混入的導電顆粒。
局部放電 (Partial Discharge, PD)： 在這些缺陷處，電場會高度集中，即使整體電壓不足以擊穿整個絕緣層，在氣泡內部的局部電場也可能足以擊穿氣泡內的空氣，產生「局部放電」。
長期退化： 這種局部放電就像微型的電鑽，持續不斷地侵蝕氣泡周圍的固態絕緣材料，使其化學降解、碳化，最終導致完全的介電擊穿。

這就是為什麼 IEC 62368-1 等標準對於加強絕緣（Reinforced Insulation）不僅要求等效的距離，還對固態絕緣的「層數」（如兩層獨立絕緣）或「厚度與製造工藝」（如高均質性的單層）有著極其嚴格的規定。

超越查表的系統工程思維

絕緣協調的實踐，遠不止於拿著游標卡尺測量 PCB 上的距離，它要求工程師具備跨領域的知識：

物理學的思維：理解電弧和漏電起痕的底層機制。
材料科學的眼光：明智地選擇 CTI、熱指數和機械強度的平衡。
環境工程的視角：評估污染、濕度和氣壓的真實影響。
製造工程的嚴謹：管控固態絕緣中的微小氣泡和分層風險。

IEC 60664-1 提供的是一套強大的風險管理工具。安規工程的真正價值，不在於背誦表格，而在於當產品設計瀕臨標準的灰色地帶時，能運用這些第一性原理，做出既安全又具商業可行性的權威判斷。