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安規工程：電氣安全測試深度解析—耐壓、絕緣、洩漏、接地及間隙查驗 (IEC標準)

電氣安全相關測試是產品安全符合性評估的核心組成部分，其根本目的在於透過一系列標準化且可重複的試驗程序，驗證產品在電氣設計與結構上是否能有效防止電擊（Electric Shock）、電氣引發的火災（Fire Hazards）以及其他潛在電氣危害，確保產品在正常使用、可預見的誤用及特定的單一故障條件（single fault conditions）下，均能維持必要的安全水平。本文將針對幾項關鍵的電氣安全測試項目進行深入的工程解析。



1. 耐電壓測試 (Dielectric Voltage Withstand Test / Hipot Test) – 絕緣屏障完整性之嚴苛考驗


耐電壓測試，通常稱為 Hipot 測試，是評估產品絕緣系統（insulation system）在承受遠高於正常工作電壓（working voltage）的瞬時電氣應力（electrical stress）時，其介電強度（dielectric strength）是否足夠，以及是否存在可能導致絕緣擊穿的缺陷。此測試對於暴露製造過程中的瑕疵（如絕緣材料損傷、厚度不足、內部氣隙、污染物引入）或設計上的不足（如電氣間隙/爬行距離不合規）至關重要。


  • 工程原理與目的： Hipot 測試透過在兩個或多個被絕緣隔開的導電部分之間施加一個高電壓（遠超正常工作電壓，但不足以在合格絕緣上造成永久性損傷），來加速絕緣老化或暴露潛在弱點，若絕緣系統存在缺陷，高電壓將導致絕緣崩潰，產生一個可被偵測到的擊穿電流（breakdown current）或發生飛弧（flashover）。此測試主要驗證基本絕緣（Basic Insulation）、附加絕緣（Supplementary Insulation）及強化絕緣（Reinforced Insulation）的完整性。

  • 測試電壓的選定與施加：

    • 測試電壓類型： 可分為交流 (AC) Hipot 與直流 (DC) Hipot。

      • AC Hipot： 更能模擬實際交流工作條件下的應力，能同時檢測因電容效應產生的總洩漏電流（包含阻性洩漏電流和容性洩漏電流）。測試時，容性負載較大的待測物會呈現較大的總洩漏電流，可能需要較高容量的測試設備。AC測試後無需對待測物放電。

      • DC Hipot： 主要量測的是通過絕緣的實際阻性洩漏電流（resistive leakage current），對於高容性待測物，DC測試在充電完成後讀取的電流較為穩定，更能反映絕緣的真實狀態，但DC電壓對絕緣材料的應力分佈可能與AC不同，且測試後必須對待測物（尤其是電容性負載）進行安全放電，以防殘餘電荷造成危險。

    • 測試電壓幅值： 通常由適用的安全標準規定，其大小取決於產品的工作電壓、絕緣類型（基本、附加、強化）、**過電壓類別（Overvoltage Category）**以及測試點（例如，一次側對地、一次側對二次側）。常見的經驗公式如 2 x U + 1000V（U為工作電壓）用於基本絕緣的AC測試，強化絕緣則可能要求更高，如3000Vac、3750Vac甚至更高。

    • 施加時間（Dwell Time）： 標準的型式試驗（Type Test）通常要求施加高壓持續 60 秒，而在生產線的例行試驗（Routine Test）中，為提高效率，允許縮短施加時間（如 1 至 3 秒），但通常需配合將測試電壓提高約 10% 至 20%。

    • 電壓爬升與下降速率（Ramp-up / Ramp-down Rate）： 為避免對絕緣造成不必要的瞬時衝擊，測試電壓應以受控的速率逐漸上升至設定值，並在測試結束後以受控速率下降。

  • 擊穿電流閾值設定與結果判讀： Hipot 測試儀需設定一個擊穿電流的上限（Trip Current），若測試過程中流經待測物絕緣的電流超過此閾值，儀器將判為不合格並自動切斷高壓輸出，此閾值的設定需足夠靈敏以偵測真實的絕緣擊穿，同時又要避免因待測物本身正常的容性洩漏電流（尤其在AC Hipot時）或充電電流（DC Hipot初期）導致的誤判。合格的結果是，在整個測試電壓施加期間，無絕緣擊穿（即電流未超過設定的跳脫值）、無持續飛弧或閃絡（flashover）現象。



耐電壓 (Hipot) 測試核心參數與工程考量

參數/考量點

AC Hipot

DC Hipot

工程通用考量

主要偵測電流

總洩漏電流 (阻性 + 容性)

阻性洩漏電流 (充電完成後)

確保能區分正常洩漏與真實擊穿

對電容性DUT影響

容性電流大，可能需大容量設備

充電電流大 (初期)，穩態後電流小

了解待測物電容特性以設定合理跳脫電流

電壓應力

更接近實際交流工作應力

可能與AC應力分佈不同

依標準選擇電壓類型與幅值

測試後處理

無需特別放電

必須安全放電 (尤其對高容性待測物)

確保操作人員安全

優點

模擬真實應力、檢測某些AC特定缺陷

更能反映真實絕緣電阻、對高容性待測物洩漏判讀較清晰

都是驗證絕緣強度的有效手段

測試電壓設定

通常 2 x U_work + 1000V (基本絕緣) 或更高 (強化絕緣)

通常為AC測試電壓的 √2 倍或依標準規定

嚴格遵循適用產品安全標準的要求

跳脫電流設定

需考慮容性電流，避免誤判

主要為阻性洩漏，設定相對較低

應足夠偵測早期擊穿，同時避免因非擊穿因素（如電暈放電）導致的誤判，通常在數mA至數十mA範圍



2. 絕緣電阻測試 (Insulation Resistance Test / Megger Test) – 絕緣品質之量化評估


絕緣電阻測試，俗稱「搖表」或 Megger 測試（源於早期著名製造商），是用以量化評估電氣設備或系統中絕緣材料在直流測試電壓作用下的電阻值，藉此判斷其絕緣品質、乾燥程度、潔淨度以及是否存在潛在的導電通路。


  • 工程原理與目的： 此測試向被測絕緣施加一個穩定的直流電壓（通常為 100Vdc、250Vdc、500Vdc、1000Vdc，甚至更高，視被測物工作電壓和絕緣等級而定），並量測流過的微小直流電流，然後依據歐姆定律計算出絕緣電阻值，一個健康、乾燥、潔淨的絕緣系統應呈現極高的電阻值（通常在 MΩ 或 GΩ 等級）。此測試對於檢測絕緣材料受潮、表面污染、老化劣化或碳化等問題非常有效。

  • 測試條件與參數設定：

    • 測試電壓選擇： 應根據被測設備的額定電壓和適用的安全標準來選擇，一般而言，工作電壓越高，要求的測試電壓也越高。

    • 最小允許絕緣電阻值： 標準通常會規定一個最小可接受的絕緣電阻值，例如，許多標準要求在 500Vdc 測試電壓下，絕緣電阻不應低於 1 MΩ 或更高（如 2 MΩ、5 MΩ、20 MΩ，視絕緣類型和應用而定）。

    • 測試持續時間： 由於絕緣材料在加壓初期存在吸收電流（absorption current）和充電電流（capacitive charging current），真實的洩漏電流（leakage current）（反映絕緣電阻）需要在這些瞬態電流衰減後才能穩定顯現，因此，標準通常要求在施加測試電壓後持續一段時間（如 60 秒）再讀取絕緣電阻值。

  • 結果判讀與影響因素：

    • 合格標準： 量測得到的絕緣電阻值必須大於或等於標準規定的最小值。

    • 影響讀值的因素：

      1. 溫度： 絕緣材料的電阻率對溫度敏感，溫度升高，絕緣電阻通常會顯著下降。測試時應記錄環境溫度，或將讀值校正至參考溫度。

      2. 濕度： 高濕度環境易使絕緣材料表面吸濕或凝露，導致表面洩漏電流增加，絕緣電阻降低。

      3. 表面潔淨度： 絕緣表面若有導電性塵埃、油污或其他污染物，會形成並聯的洩漏通路，降低測得的絕緣電阻。

      4. 殘餘電荷： 測試前應確保被測物已充分放電，否則殘餘電荷會影響測試的準確性。

    • 趨勢分析： 對於大型設備或長期運維的系統，定期進行絕緣電阻測試並記錄數據，分析其變化趨勢，可以作為預測性維護的依據，絕緣電阻值若隨時間持續顯著下降，則預示著絕緣可能正在劣化。

    • 極化指數 (Polarization Index, PI) 與介電吸收比 (Dielectric Absorption Ratio, DAR)： 對於具有較大絕緣系統（如大型馬達、變壓器、電纜）的場合，PI (R10min / R1min) 和 DAR (R60sec / R30sec) 測試更能反映絕緣介質的乾燥和潔淨程度，但這在一般電子產品的安規測試中較少直接應用，更多用於電力設備的狀態評估。



3. 洩漏電流測試 (Leakage Current Test) – 使用者接觸安全之直接衡量


洩漏電流測試是用以模擬在產品各種預期操作模式及特定故障條件下，使用者因接觸設備可觸及表面（accessible surfaces）或經由保護接地導體（protective conductor）流向大地的電流，其量測值直接關聯到使用者的電擊風險，必須嚴格控制在安全限值以內。


  • 工程原理與分類： 洩漏電流主要源於設備內部帶電部件與外殼或大地之間，通過絕緣、濾波電容（尤其Y電容）、寄生電容等路徑產生的電流。根據量測位置和評估目的，可分為：

    • 保護導體電流 (Protective Conductor Current / Earth Leakage Current)： 在 Class I 設備中，經由其保護接地導體流向大地的總電流，此電流過大可能導致上游的剩餘電流裝置 (RCD/GFCI) 誤動作，或在 PE 線意外斷開時，使設備外殼帶上危險電壓。

    • 接觸電流 (Touch Current / Enclosure Leakage Current)： 模擬人體接觸設備可觸及導電部件或非導電外殼時，可能流經人體的電流，這是直接關係使用者安全的重要指標。

    • 患者洩漏電流 (Patient Leakage Current)： 專用於醫療電氣設備，量測經由患者連接部分流向大地、或從患者連接部分流入患者、或在不同患者連接部分之間流動的電流，其限值要求遠為嚴苛。

  • 測試儀器與人體阻抗模擬網路 (Measuring Device, MD)： 測試時，需使用符合特定標準（如 IEC 60990《接觸電流和保護導體電流的量測方法》）的洩漏電流測試儀，儀器內部包含一個或多個人體阻抗模擬網路（Measuring Device, MD），這些 MD 由電阻和電容組件構成，用以模擬在不同接觸條件和電流頻率下人體的平均電阻抗特性，標準中定義了多種 MD 配置（如 Fig.3, Fig.4, Fig.5 等），適用於不同類型設備或評估不同生理效應。

  • 測試條件的嚴謹設定：

    • 電源條件： 測試應在產品的額定電壓範圍（例如，標準常要求在額定電壓的 1.06 倍或 1.1 倍，以及最低工作電壓）及額定頻率下進行。

    • 操作模式： 應在產品所有預期產生最大洩漏電流的正常操作模式下進行量測。

    • 電源極性與接地配置： 對於單相設備，需分別在 L/N 線正常連接和反向連接（若結構允許）的情況下測試，對於 Class I 設備，需在 PE 線連接和模擬 PE 線斷開（評估單一故障下的接觸電流）等不同配置下進行。

    • 可觸及點的選擇： 需對所有使用者在正常操作或維護時可能接觸到的導電或非導電表面進行掃描或量測。

    • 環境條件： 高溫高濕環境可能增加洩漏電流，標準可能會規定在特定環境預處理後進行測試。

  • 限值要求與結果判讀： 不同產品安全標準會針對不同類型的洩漏電流和設備應用（如資訊技術設備 IEC 62368-1、家電 IEC 60335-1、醫療設備 IEC 60601-1）規定明確的限值（通常在 µA 至 mA 等級），醫療設備的患者洩漏電流限值最低，僅數十 µA，而資訊技術設備的接觸電流限值可能在 0.25 mA 至 3.5 mA 範圍，若量測值超過標準限值，則產品不合格，需排查原因，可能涉及 Y 電容的容值過大或品質不良、絕緣設計缺陷、內部佈線不當、或電源濾波器設計不合理等。



洩漏電流類型及其測試重點

洩漏電流類型

英文名稱

量測對象/路徑

主要關聯標準 (舉例)

工程考量重點

保護導體電流

Protective Conductor Current / Earth Leakage Current

Class I 設備，經由PE導體流向大地的電流

IEC 62368-1, IEC 60950-1

Y電容總容值限制、濾波器設計、防止RCD誤動作、PE斷開時的潛在接觸電壓

接觸電流

Touch Current / Enclosure Leakage Current

人體接觸設備可觸及導電/非導電表面時，可能流經人體的電流

IEC 62368-1, IEC 60990

絕緣品質、Y電容設計、MD選用、單一故障條件 (如PE斷開)、最壞情況操作模式、表面材料與面積

患者洩漏電流

Patient Leakage Current

醫療設備，經患者連接部分流動的電流 (對地、流入患者、患者輔助電流、不同應用部分間)

IEC 60601-1

極其嚴格的限值、不同類型患者連接 (F-type)、正常與單一故障條件、不同工作模式、絕緣設計、電源隔離等級、應用部件材料選擇



4. 保護接地連續性測試 (Protective Earth Continuity Test / Ground Bond Test) – 生命安全線之可靠性驗證


對於依賴保護接地作為電擊防護重要手段之一的 Class I 設備，其保護接地導體（PE conductor）及其所有連接點構成的保護接地路徑（protective earthing path）的完整性、低阻抗特性以及機械可靠性，是確保在發生基本絕緣故障時，能夠有效將**故障電流（fault current）安全導入大地，並促使過電流保護裝置（OCPD）**迅速動作的關鍵，此測試即為驗證此「生命安全線」的有效性。


  • 工程原理與目的： 接地連續性測試，亦稱接地阻抗測試或接地環路測試，其核心目的在於確認從設備電源輸入端的保護接地端子（例如，電源插頭的接地插腳，或設備的專用PE接線柱）到設備內部所有設計要求進行保護接地的可觸及金屬部件（如金屬外殼、機箱、馬達框架、金屬操作桿等）之間，存在一條完整、牢固且具有足夠低電阻（或阻抗）的電氣通路。一個低阻抗的PE路徑，能確保在絕緣故障時：

    1. 可觸及部件的對地電壓（即接觸電壓 U_c）被限制在安全範圍內（例如，通常小於50V AC）。

    2. 有足夠大的故障電流流過，以確保供電迴路前端的OCPD能在規定的時間內可靠動作。

  • 測試電流的選定與施加方式：

    • 測試電流類型與幅值： 標準通常要求使用一個遠大於正常工作時PE導體可能承載的電流來進行測試，這有助於「燒穿」連接點輕微的氧化層或污染物，並能檢驗連接的機械強度和導體的實際載流能力。常見的測試電流包括：

      • 直流電流： 例如 10A DC、25A DC。

      • 交流電流： 通常為市電頻率（50/60 Hz），例如 10A AC、25A AC，甚至高達 30A 或 40A AC。部分標準（如 IEC 61010-1 對於量測、控制和實驗室用電氣設備）可能要求測試電流為設備最大額定輸入電流的 1.5 倍或 2 倍。

      • 使用交流測試電流，更能反映PE路徑在實際交流故障電流下的阻抗特性，特別是對於包含電感性元件的PE路徑。

    • 測試持續時間： 通常為 5 秒至 120 秒不等，視標準規定。

    • 開路電壓限制： 測試設備在輸出測試電流時，其開路電壓應被限制在一個安全水平（例如，不超過 6V 或 12V AC/DC），以防在PE路徑意外開路時對操作人員造成電擊。

  • 量測技術與結果判讀：

    • 四線法（Kelvin Probe / Four-Terminal Sensing）： 為消除測試引線自身電阻對量測結果的影響，獲得精確的PE路徑電阻值，強烈建議或標準直接要求使用四線量測法，兩條線路用於施加測試電流，另外兩條獨立的線路（電壓感測線）直接從被測PE路徑的兩端量測其間的電壓降（voltage drop）。

    • 合格標準（電阻限值）： 量測得到的電壓降除以實際施加的測試電流，即為PE路徑的電阻值，此值必須小於適用安全標準規定的上限。常見的限值包括：

      • 對於帶有不可拆卸電源軟線的設備：通常為 0.1 Ω 加上電源軟線中PE導體的電阻（可查表或實測計算），或總阻值不超過 0.2 Ω。

      • 對於永久連接或通過器具耦合器連接的設備，直接量測設備PE端子到內部接地點的電阻：通常要求小於 0.1 Ω。

    • 機械強度驗證： 在施加大電流測試的過程中，若連接點存在虛焊、螺絲鬆動、壓接不良或導線截面積不足等問題，可能導致該點發熱、電阻劇增甚至燒斷，從而使測試失敗，這也間接驗證了PE路徑的機械可靠性。

    • 多點測試： 必須對設備上所有設計要求保護接地的可觸及金屬部件逐一進行測試，確保每一條PE分支路徑均符合要求。



保護接地連續性 (Ground Bond) 測試之工程原理與實施要點

測試方面

工程考量與實施細則

測試目的

驗證Class I設備PE路徑的完整性、低電阻特性及機械可靠性，確保故障電流能安全導入大地並限制接觸電壓。

測試電流

通常為較大AC或DC電流 (如10A~40A，或1.5~2倍額定電流)，以檢測連接品質並模擬故障電流效應。

開路電壓

測試儀輸出測試電流時的開路電壓應受限 (如 ≤12V)，保障操作安全。

量測方法

強烈推薦或要求採用四線法 (Kelvin) 量測，消除測試引線電阻誤差，精確獲取PE路徑電阻。

合格標準

電阻限值依標準規定 (如 <0.1Ω 或 <0.2Ω，含電源線時需考慮線纜電阻)，確保故障時接觸電壓在安全範圍且OCPD能可靠動作。

測試點選擇

需測試從設備PE輸入端至所有應接地的可觸及金屬部件之間的每一條PE路徑。

潛在失效模式

連接點氧化、螺絲鬆動、壓接不良、導線截面積不足、焊接缺陷等，均可能導致測試不合格。


5. 電氣間隙與爬行距離符合性查驗 (Verification of Clearances and Creepage Distances) – 幾何尺寸之安全屏障確認


儘管電氣間隙與爬行距離的設計主要在產品研發和結構佈局階段完成，但其最終符合性的驗證，是安規測試實驗室中一項不可或缺的檢查項目，它涉及到對產品實際樣品進行精密的幾何尺寸量測，以確認這些關鍵的絕緣距離是否滿足設計規範及適用安全標準的最低要求。


  • 工程原理與檢驗目的： 電氣間隙旨在防止因空氣電離擊穿導致的飛弧，而爬行距離旨在防止因絕緣材料表面污染導致的電痕化，這兩者都是預防電擊和電氣火災的基礎物理屏障，其實際尺寸的符合性，直接關係到產品在長期使用和各種環境應力（如電壓波動、濕度、污染）下的電氣安全性。

  • 檢驗工具與方法：

    • 精密量具： 使用經過校準的游標卡尺（vernier calipers）、深度尺（depth gauges）、厚薄規（feeler gauges）、影像量測儀（video measuring systems）或帶有測微頭的顯微鏡（microscopes with micrometer heads）等工具，對PCB板上走線之間、元件引腳之間、元件與外殼之間、不同電位部件之間等關鍵位置的電氣間隙與爬行距離進行直接量測。

    • 標準參照： 檢驗前，安規工程師需根據產品的工作電壓、過電壓類別、污染等級、絕緣材料組別（CTI值）以及海拔高度等因素，查閱適用的安全標準（如 IEC 62368-1 的附錄 F 及相關表格，或基礎絕緣配合標準 IEC 60664-1），確定各個量測點應滿足的最小允許距離。

    • 考慮因素： 量測時需注意PCB的形狀、塗層（conformal coating，若作為絕緣的一部分則需評估其有效性）、肋條（ribs）和凹槽（grooves）的影響（它們可以有效增加爬行距離，但需滿足標準對其幾何形狀的規定），以及元件的公差和裝配變異。

  • 結果判定與不符合項處理： 任何一個量測點的實際距離若小於標準規定的最小值，即構成不符合項，需記錄其位置、量測值及標準要求值，並分析其成因（設計疏忽、製造偏差、元件替換等），不符合項通常需要進行設計修改，如調整PCB佈局（增加走線間距、使用安全隔離帶）、更改元件封裝、增加絕緣隔片、在絕緣表面開槽或設置肋條、或選用更高CTI等級的PCB基材等，修改後需重新進行檢驗直至所有點均符合要求。

結論：電氣安全測試於產品全生命週期之整合與實踐


上述各項電氣安全相關測試，並非孤立存在，而是相互關聯、共同構成一個完整的產品電氣安全評估體系，它們從不同角度、在不同層面考驗產品抵抗潛在電氣危害的能力，安規工程師的職責不僅在於理解每一項測試的原理和操作方法，更在於能將這些測試要求融入產品設計的早期階段（安全設計，Design For Safety Compliance），在研發過程中進行充分的預符合性測試（pre-compliance testing），並在最終的型式試驗中確保產品全面符合所有適用的安全標準，只有這樣，才能從根本上保障產品的電氣安全，為使用者提供可靠的保護，並使產品順利進入全球目標市場。

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