安規工程：防火與熱安全測試深度解析—材料可燃性、溫升及異常操作 (IEC標準)

在產品安全工程領域，預防由電氣設備引發的火災危害（Fire Hazards）及避免使用者遭受熱危害（Thermal Hazards，如燙傷），是與電擊防護同等重要的核心目標。這需要透過一系列嚴謹的設計評估與符合性測試，確保產品在正常操作、可預期的誤用以及特定的單一故障條件（single fault conditions）下，不會因過熱、材料燃燒或火焰蔓延而對使用者或周遭環境構成威脅。本篇將針對安規標準中關鍵的防火與熱安全相關測試項目，進行深入的工程解析。

1. 材料可燃性測試 (Material Flammability Tests) – 構築防火安全的第一道屏障

選用具有適當阻燃等級（flammability rating）的材料是產品防火設計的基石。材料可燃性測試旨在評估各種非金屬材料（尤其是塑膠、印刷電路板基材、絕緣材料、線纜護套等）在特定火源作用下的點燃難易程度、燃燒持續性、火焰蔓延速率以及是否有燃燒滴落物等特性。

1.1 灼熱絲測試 (Glow-Wire Test - GWT) – 模擬內部熱源引燃風險

灼熱絲測試系列（依據 IEC 60695-2-10、-11、-12、-13 等標準）主要用於模擬產品內部因故障（如電阻器過載、不良電氣連接產生高接觸電阻）而導致某個元件或部件異常發熱，成為一個灼熱源，並接觸到鄰近的固體絕緣材料時，該材料是否會被引燃以及火焰是否會蔓延的情況。此測試對於無人看管設備（unattended appliances）或持續通電運行的設備（permanently-connected equipment）以及那些安裝在靠近電氣連接點或發熱元件的絕緣零部件尤為重要。

• 工程原理與測試方法學：
  

  • 灼熱絲元件： 使用一個由鎳鉻 (Ni/Cr 80/20) 合金製成的標準環形灼熱絲，其尖端溫度可透過電流精確控制並由熱電偶監測。

  • 試驗溫度設定： 測試溫度根據被測材料在產品中的具體應用位置、鄰近潛在熱源的功率、以及產品標準的要求來選定，常見的測試溫度等級有 550 °C、650 °C、750 °C、850 °C、960 °C。

  • 樣品施加： 將待測材料的樣品（或從成品上取下的部件）以規定的力（例如 0.8 N 至 1.2 N）壓向預熱至規定溫度的灼熱絲尖端，並保持 30 ± 1 秒。

  • 觀察與記錄： 詳細記錄樣品是否被引燃、火焰的高度（若起燃）、火焰或材料灼熱的持續時間（從移開灼熱絲開始計算）、以及是否有燃燒滴落物引燃放置在樣品下方的標準包裝絹紙（wrapping tissue paper）或松木板。
    

• 主要的灼熱絲測試類別及其判讀：
  

  • 灼熱絲焰試驗 (Glow-Wire End-product Test, GWEPT) – IEC 60695-2-11： 直接對最終產品或其組件進行測試。合格標準通常為：

    1. 樣品不起燃。

    2. 樣品起燃，但在移開灼熱絲後 30 秒內火焰或灼熱自熄，且燃燒滴落物未引燃下方的絹紙。

  • 材料的灼熱絲可燃性指數 (Glow-Wire Flammability Index, GWFI) – IEC 60695-2-12： 評定材料本身抵抗火焰蔓延的能力。GWFI 是指材料在三次測試中，火焰或灼熱持續時間不超過 2 秒（在移開灼熱絲後）的最高測試溫度。

  • 材料的灼熱絲起燃溫度 (Glow-Wire Ignition Temperature, GWIT) – IEC 60695-2-13： 評定材料抵抗引燃的能力。GWIT 是指材料在三次測試中，被灼熱絲引燃且火焰持續時間超過 5 秒的最低測試溫度，要求實際應用中材料的 GWIT 值應高於（通常至少高25K）其可能接觸到的潛在灼熱源的最高溫度。

灼熱絲測試 (Glow-Wire Test) 主要類別及其工程意義

測試類別	依據標準 (舉例)	測試對象	核心評估指標	主要合格判斷 (簡述)
GWEPT	IEC 60695-2-11	最終產品/組件	產品實際應用狀態下的抗灼熱源引燃及火焰蔓延能力	不起燃；或起燃後30秒內自熄且滴落物不引燃絹紙
GWFI	IEC 60695-2-12	材料試樣	材料本身抵抗火焰蔓延的特性 (火焰持續時間≤2秒的最高溫度)	材料符合特定GWFI溫度等級要求 (如 850 °C，表示在850°C下火焰持續時間≤2s)
GWIT	IEC 60695-2-13	材料試樣	材料本身抵抗被引燃的特性 (火焰持續時間>5秒的最低溫度)	材料符合特定GWIT溫度等級要求 (如 775 °C，表示材料在775°C下才可能被持續引燃，用於與熱源溫度比較)

1.2 針焰測試 (Needle-Flame Test) – 模擬小火焰引燃風險

針焰測試（依據 IEC 60695-11-5）用於評估材料或產品在受到一個由設備內部小功率故障（如小範圍短路、不良連接產生的小火花）所產生的、類似於針狀的小火焰作用時的燃燒行為。

• 工程原理與測試方法學：

  • 標準火焰： 使用一個由特定燃氣（通常為丁烷或丙烷）產生的、高度為 12 ± 1 mm 的標準針狀試驗火焰。

  • 火焰施加： 將試驗火焰以規定的角度（通常為垂直或 45 度）施加到待測樣品（可以是材料試片或成品上的特定部位）的邊緣或表面，施加時間根據標準或產品的特定要求選定（例如，5s、10s、30s、60s、120s）。

  • 觀察與記錄： 記錄樣品是否被引燃、移開試驗火焰後的燃燒持續時間（duration of flaming, t_f）、火焰是否蔓延到樣品的特定區域、以及是否有燃燒滴落物引燃下方的絹紙或松木板。
    

• 結果判讀與應用： 合格標準通常要求樣品不起燃，或在移開試驗火焰後，火焰在規定的時間內（例如 30 秒）自熄，且無燃燒滴落物引燃絹紙，同時火焰蔓延範圍也可能有限制。此測試結果有助於評估在小火焰擾動下，材料是否會助長火勢或產生二次火災風險。

1.3 水平/垂直燃燒測試 (Horizontal/Vertical Burning Tests) – 材料阻燃等級之判定

這類測試（如 UL 94 或其對應的 IEC 60695-11-10（水平與垂直燃燒）及 IEC 60695-11-20（500W火焰，即5V級測試））旨在將塑膠等高分子材料按照其在標準火焰作用下的燃燒特性（如燃燒速率、自熄性、是否有燃燒滴落物）進行分類，以便工程師在產品設計中選擇合適阻燃等級的材料。

• 工程原理與測試方法學：
  

  • 樣品製備與調節： 通常使用標準尺寸的條狀或板狀試樣，並在規定的溫濕度條件下進行預處理。

  • 火焰源： 使用標準的本生燈（Bunsen burner）產生規定高度和特性的試驗火焰（例如，20mm 火焰用於HB、V-0/1/2 等級；125mm 火焰用於5V 等級）。

  • 火焰施加與觀察：

    • 水平燃燒 (HB)： 水平放置試樣，施加火焰於一端，量測火焰在規定標線間的燃燒速率。

    • 垂直燃燒 (V-0, V-1, V-2)： 垂直懸掛試樣，底部施加火焰（通常2次，每次10秒），記錄每次施加火焰後的餘焰時間（afterflame time）和餘灼時間（afterglow time），並觀察是否有燃燒滴落物引燃放置在下方的脫脂棉。

    • 5V 級燃燒 (5VA, 5VB)： 垂直懸掛板狀試樣或將火焰施加於實際成品外殼，施加5次更強的火焰衝擊（125mm火焰，每次5秒，間隔5秒），觀察燃燒行為及樣品是否被燒穿。
      

• 等級判定與工程選材： 根據測試結果，材料被賦予相應的阻燃等級，如 HB（最低，允許水平緩慢燃燒）、V-2（垂直燃燒，允許滴落物引燃脫脂棉）、V-1（垂直燃燒，滴落物不引燃棉花，餘焰時間較V-0長）、V-0（垂直燃燒，火焰快速自熄，滴落物不引燃棉花，阻燃性高）、5VB（更嚴苛的垂直燃燒，樣品允許燒穿形成孔洞）、5VA（最高等級，不允許燒穿）。安規工程師需根據零部件在產品中的位置、鄰近熱源情況、是否構成**防火外殼（Fire Enclosure）**等因素，選用具有適當UL 94或IEC等級的材料。

2. 溫升測試 (Temperature Rise Test / Heating Test) – 正常工作下熱平衡之驗證

溫升測試的目的是評估產品在模擬最嚴苛的正常工作條件下長時間運行，直至達到熱平衡（thermal equilibrium）狀態時，其內部關鍵元器件的溫度及使用者可能接觸到的外殼表面溫度，是否均在各自的安全限值之內，以防止因過熱導致材料加速老化、元件性能下降或失效、絕緣系統損壞、引燃鄰近可燃材料，或對使用者造成燙傷。

• 測試條件的嚴謹設定：

  • 供電條件： 通常在產品額定電壓的上限（例如，1.06 倍或 1.1 倍額定電壓，若為電壓範圍則取最不利值）及額定頻率下進行。

  • 負載與操作模式： 應選擇使產品內部發熱量最大、或關鍵部件溫度最高的正常操作模式和負載條件，例如，對於電源供應器，可能是在最大輸出功率且最低輸入電壓（導致輸入電流最大）；對於馬達驅動設備，可能是在最大持續負載。

  • 環境溫度： 測試通常在一個受控的、無強制通風的環境中進行（Draft-free environment），標準環境溫度通常為 25 ± 5 °C，或依產品規格聲稱的最高工作環境溫度再加餘量進行。若在非標準環境溫度下測試，最終溫升結果需進行校正。

  • 樣品安裝： 樣品的安裝方式應模擬其預期的正常安裝條件（如台式、壁掛、嵌入式）。
    

• 測溫點的選擇與熱電偶佈置：

  • 關鍵元器件： 需在預期溫度較高或對安全至關重要的部件上佈置測溫點，如變壓器繞組與鐵芯（transformer windings and core）、功率半導體管殼（power semiconductor cases）、功率電阻表面（power resistor surfaces）、電解電容頂部（electrolytic capacitor tops）、印刷電路板（PCB）上的熱點區域、內部接線端子、開關觸點等。

  • 可觸及表面： 針對使用者在正常操作中可能接觸到的外殼表面（包括金屬、塑膠、玻璃等不同材質），根據其材質和可能的接觸時間，選擇代表性測點。

  • 熱電偶（Thermocouples）： 通常使用細線徑的**K型（Type K）或T型（Type T）**等精度符合要求的熱電偶，並確保其測溫端與被測表面良好熱接觸（例如，使用導熱膠、絕緣膠帶固定，或嵌入繞組內部）。
    

• 結果判讀與限值比較：

  • 熱平衡判定： 當所有測點的溫度在一小時內的變化不超過 1°C 或 2°C（視標準而定）時，可認為達到熱平衡。

  • 溫度限值： 量測得到的各點最高穩定溫度（或溫升值 ΔT = T_測量點 - T_環境），需與以下限值進行比較：

    1. 元器件自身的額定最高工作溫度（Maximum Rated Operating Temperature）： 由元件製造商規定。

    2. 絕緣材料的相對溫度指數（Relative Thermal Index, RTI）： 材料長期在該溫度下工作，其關鍵性能不應顯著下降。

    3. 塑膠外殼材料的球壓試驗允許溫度或持續工作溫度上限。

    4. 可觸及表面的燙傷限值： 依據 IEC 62368-1 表12 或類似標準，針對不同材料（金屬、塑膠、玻璃、木材）和預期接觸時間（短時、長時、持續），規定不同的最高允許表面溫度，以防止燙傷。

    5. 產品標準中針對特定部件（如繞組、端子）規定的溫升限值。 任何測點溫度超過其對應限值，均判為不合格。

溫升測試之關鍵工程參數與考量

測試環節	關鍵工程參數/考量
測試電源	輸入電壓 (通常為額定電壓上限，如1.06~1.1倍Un)、頻率 (額定頻率)
負載/操作模式	選擇產生最大內部熱耗或關鍵部件最高溫度的正常工作條件 (如最大輸出功率、最大負載)
環境條件	標準環境溫度 (如25±5°C，或製造商聲稱最高環溫)、無強制通風環境
測溫點選擇	關鍵發熱元件 (變壓器、功率半導體、電阻、電容)、PCB熱點、內部接線、絕緣材料表面、使用者可觸及外殼表面 (金屬/塑膠/玻璃等)
測溫工具	精校熱電偶 (如K型/T型)、數據採集器；確保熱電偶與測點良好熱接觸
熱平衡判斷	所有監測點溫度在規定時間內 (如1小時) 變化極小 (如≤1°C 或 ≤2°C)
結果判讀	比較各測點最高穩定溫度/溫升與對應限值：元件額定溫度、材料RTI、可觸及表面燙傷限值 (依IEC 62368-1 表12等)、產品標準對特定部件的溫升限值。任何超限均為不合格。

3. 異常操作與故障條件測試 (Abnormal Operation and Fault Condition Tests) – 極限狀態下安全性能之檢驗

此系列測試旨在模擬產品在實際使用中可能遇到的各種單一故障條件或可預見的誤用情況，評估在這些非正常、甚至極端的狀態下，產品是否仍能維持必要的安全水平，特別是不引發火災、不產生熔融金屬噴濺、不導致危險帶電部件外露、以及相關的**保護裝置（如過流保護、過溫保護）**能否正確、及時地動作。

• 模擬故障的類型與工程原理： 標準通常會列出一系列需要模擬的典型故障，安規工程師還需根據產品的具體設計（FMEA - 故障模式影響分析的結果）來確定其他可能的故障模式：
  

  • 元件故障：

    • 半導體元件（如電晶體、二極體、IC）的短路或開路。

    • 電容器的短路或開路（特別是跨接在危險電壓線路間的X電容，或連接到SELV電路的Y電容）。

    • 電阻器的開路或阻值漂移。

  • 負載故障：

    • 輸出端持續短路或嚴重過載。

    • 馬達堵轉（Locked Rotor）或啟動繞組持續通電。

  • 冷卻系統故障：

    • 風扇停轉、卡死或進/出風口被部分或完全堵塞。

    • 散熱片鬆脫或導熱不良。

  • 控制電路故障：

    • 感測器（如溫度感測器）失效，導致控制失靈。

    • 微控制器或邏輯電路工作異常。

  • 變壓器故障：

    • 次級繞組匝間短路或對鐵芯短路。

  • 使用者誤操作：

    • 以錯誤的電壓或頻率供電（若產品未設計對應保護）。

    • 長時間連續操作超出設計預期的間歇工作制設備。
      

• 測試執行與監控： 在模擬上述故障條件後，產品通常需持續通電運行直至達到熱平衡狀態，或直至保護裝置動作，或達到標準規定的最長測試時間（例如，數小時甚至數日，對於某些持續性故障）。測試過程中需嚴密監控：
  

  • 溫度變化： 關鍵部件及外殼表面的溫度。

  • 電流變化： 輸入電流及關鍵電路的電流。

  • 外觀與狀態： 是否有冒煙、起火、熔融物滴落、外殼變形、異響、焦臭味等現象。

  • 保護裝置的動作情況： 熔斷器是否熔斷、斷路器是否跳脫、TCO是否動作，及其動作是否符合預期。
    

• 結果判讀標準： 在整個異常測試過程中及測試結束後，產品應滿足：
  

  1. 不應有火焰持續燃燒或火勢蔓延至產品外部。

  2. 外殼溫度不應超過燙傷限值或導致周圍材料引燃的溫度。

  3. 不應有熔融金屬噴濺對周圍環境造成危險。

  4. 在故障清除後，若設備仍能運作，其基本安全性能不應受損；若永久失效，則應處於安全狀態。

  5. 危險帶電部件不應變得可觸及。

  6. 保護裝置（若設計有）應能按預期動作以限制危害。

4. 球壓試驗 (Ball Pressure Test) – 熱塑性材料高溫機械穩定性之評估

球壓試驗（依據 IEC 60695-10-2）主要用於評估那些在產品中起到支撐危險帶電部件或構成防火/電氣絕緣屏障作用的熱塑性塑膠材料，在高溫環境下的抗蠕變（creep resistance）和尺寸穩定性（dimensional stability）。

• 工程原理與測試目的： 熱塑性材料在持續受熱和機械應力作用下，容易發生軟化和永久變形。若用於固定帶電部件的塑膠支架或作為絕緣屏障的塑膠外殼在高溫下發生過度變形，可能導致電氣間隙或爬行距離減小、帶電部件移位而變得可觸及、或防火屏障的完整性受損，從而引發電擊或火災風險。此測試即為模擬這種高溫下的承壓狀態。
  

• 測試設備與執行步驟：
  

  • 測試裝置： 主要包括一個能施加 20 ± 0.2 N 總壓力的加載裝置，其壓力頭為一個直徑 5 mm 的淬火鋼球。以及一個能精確控溫的烘箱。

  • 樣品製備： 通常從成品上取下待測部件，或使用與成品相同材料和工藝製作的厚度不小於 2.5 mm 的平板試樣。

  • 溫度設定： 烘箱溫度根據被測部件的具體應用設定：

    1. 對於支撐載流連接（current-carrying connections）或危險帶電部件的絕緣部件：通常為 125 ± 2 °C。

    2. 對於其他僅作為外殼或非關鍵支撐的外部熱塑性部件：通常為該部件在溫升測試中測得的最高穩定溫度 T_max 再加上 10 ± 2 K 的餘量，且不低於 75 ± 2 °C。

  • 測試過程： 將樣品和加壓裝置（不含砝碼）一同放入已達到設定溫度的烘箱中預熱 60 ± 5 分鐘，然後將砝碼輕輕加上，使鋼球對樣品表面施加 20 N 的壓力，並在此狀態下持續加熱 60 ± 5 分鐘。之後，將樣品浸入冷水中（約 10-20°C）淬火 10 ± 5 秒，取出擦乾。
    

• 結果判讀： 在樣品完全冷卻至室溫後，量測鋼球在樣品表面形成的壓痕直徑，若壓痕直徑小於或等於 2.0 mm，則判為合格，表明該材料在規定高溫和壓力下具有足夠的機械穩定性。若壓痕直徑大於 2.0 mm，則不合格，需更換更高耐熱等級或更優機械性能的材料。

結論：防火與熱安全測試在構建可靠產品中的核心地位

防火與熱安全相關的測試項目，構成了產品安全認證流程中極其關鍵的驗證環節，它們從材料的本質安全特性到產品在正常與極端故障條件下的整體熱行為，進行了全面而系統的評估。安規工程師必須深刻理解每一項測試背後的工程原理、標準要求及潛在失效模式，並將這些知識有效地應用到產品設計、材料選擇、元件佈局、以及生產製造的各個階段。透過嚴謹的材料可燃性測試、溫升測試、異常操作測試及球壓試驗等，不僅能夠確保產品符合強制性的法規要求，更重要的是，能夠從根本上提升產品的固有安全性，預防潛在的火災與熱危害，為使用者提供一個安全可靠的產品體驗，同時也捍衛了企業的品牌聲譽與市場信賴度。