單芯屏蔽線束耐壓測(cè)試漏電流的大小的計(jì)算

陳霆 練生才

1.廣東林一新能源科技有限公司 廣州市廣東省 511400 2.廣州鴻海海洋專用設(shè)備有限公司 廣州市廣東省 510000

在新能源汽車高壓線束領(lǐng)域，產(chǎn)品的安全性能必須放在首位考慮，以確保線束產(chǎn)品在使用以及維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中不會(huì)對(duì)整車或者使用者造成安全威脅。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，新能源汽車的動(dòng)力改為電能，高壓線束作為電力的傳輸通道，電壓工況往往在數(shù)百伏特以上。所以在眾多安全因素中，線束的絕緣耐壓性能尤為關(guān)鍵。

在高壓動(dòng)力線束生產(chǎn)過(guò)程中，為了確保每一條線束都符合耐壓要求，需要對(duì)線束成品進(jìn)行耐壓測(cè)試。參考GB/T25085-2010《道路車輛60V和600V單芯電線》6.2耐電壓中要求，針對(duì)高壓?jiǎn)涡揪€纜的耐電壓測(cè)試方法為：將線纜泡在質(zhì)量比為3%的氯化鈉溶液中，線纜試樣端頭露出溶液表面，在線纜試樣的端頭導(dǎo)體以及溶液間施加頻率為50或者60赫茲的交流電，不發(fā)生擊穿即為合格。然而該方法只是針對(duì)線纜的檢測(cè)，對(duì)于高壓線束尤其是屏蔽型高壓線束的生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)并不合適。而參考GB/T18384.3《電動(dòng)汽車安全要求第三部分—人員觸電防護(hù)》6.2.3耐壓試驗(yàn)中要求：在電路中的不同區(qū)段和外露的可導(dǎo)電部件間施加頻率為50或者60赫茲的交流電壓，歷時(shí)1分鐘不發(fā)生擊穿即為通過(guò)。詳見(jiàn)表1：

針對(duì)線束成品而言，GB/T18384.3的要求更加符合產(chǎn)品特性。然而國(guó)標(biāo)中要求判別標(biāo)準(zhǔn)是不發(fā)生擊穿和跳火。事實(shí)上在線束的生產(chǎn)過(guò)程中，用于測(cè)試線束成品耐壓是否達(dá)標(biāo)往往使用的是耐壓測(cè)試儀。這種測(cè)試設(shè)備在產(chǎn)品測(cè)試時(shí)提供測(cè)試所需的高電壓，同時(shí)記錄兩極間的漏電流①。當(dāng)漏電流小于設(shè)定的數(shù)值時(shí)，測(cè)試通過(guò)，反之測(cè)試失敗。

①漏電流：即泄漏電流。對(duì)于電器的測(cè)試，泄漏電流是指在沒(méi)有故障的情況下施加電壓，電氣中相互絕緣的金屬零件之間，或帶電零件與接地零件之間，通過(guò)其周圍介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流。

然而，在新能源汽車動(dòng)力線束生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品檢測(cè)，漏電流的設(shè)定值應(yīng)該設(shè)為多少合適，目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確。根據(jù)漏電流的定義，漏電流的大小取決于施加的測(cè)試電壓以及絕緣材質(zhì)的絕緣性能。當(dāng)對(duì)新能源汽車單芯屏蔽動(dòng)力線束進(jìn)行絕緣阻值測(cè)試時(shí)，使用絕緣耐壓測(cè)試儀，在接通線纜屏蔽層的連接器外殼（或屏蔽件）與壓接了線纜的連接器端子間施加測(cè)試電壓，當(dāng)漏電流的值小于限定值時(shí)可判定該線束的絕緣阻值合格。

1 在直流電壓工況中單芯屏蔽線束絕緣電阻檢測(cè)的漏電流值的推導(dǎo)

根據(jù)歐姆定律I=U/R可知，漏電流等于測(cè)試電壓與絕緣電阻的比值。

線束的理論絕緣電阻可以通過(guò)計(jì)算得到：絕緣電阻R與沿漏電流方向的絕緣材料長(zhǎng)度dl成正比，與垂直于漏電流方向的導(dǎo)電面積s成反比，與絕緣材料的電導(dǎo)率γ成反比。即：

所以，對(duì)于單位長(zhǎng)度絕緣層外徑為D1內(nèi)徑為D2的同軸線纜線束（默認(rèn)兩端連接器絕緣效果等同線纜）的絕緣電阻為：

表1 試驗(yàn)電壓

綜上，在直流電壓工況的絕緣電阻測(cè)試中，長(zhǎng)度L的線束設(shè)定的漏電流參考值為：

上式中：IR——通過(guò)介質(zhì)電阻泄漏的漏電流，

γ——線束絕緣材料的電導(dǎo)率，

U——測(cè)試電壓，

D1——線束線纜的絕緣層外徑，D2——線束線纜的絕緣層內(nèi)徑，

L——線束長(zhǎng)度。

在測(cè)試中，當(dāng)漏電流大于由上式推導(dǎo)的理論參考值時(shí)，說(shuō)明線束的絕緣性能沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)值。然而，以上推導(dǎo)僅適用于直流電壓的測(cè)試工況。對(duì)于交流測(cè)試工況，在測(cè)試過(guò)程中往往發(fā)現(xiàn)，即便是在直流測(cè)試中已經(jīng)合格的線束，在轉(zhuǎn)換成交流電壓測(cè)試時(shí)，漏電流也會(huì)遠(yuǎn)大于上述的推導(dǎo)值。原因是在交流電壓測(cè)試工況中，探測(cè)到的漏電流不僅僅是絕緣材料泄漏的微量電流。因?yàn)槠帘尉€束本身的屏蔽層與線芯導(dǎo)體間形成了一個(gè)長(zhǎng)直圓柱形電容器，根據(jù)電容器件“隔直流通交流”的物理特性，該電容器在交流電壓測(cè)試中不斷充放電，導(dǎo)致絕緣測(cè)試儀探測(cè)到的漏電流出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，在線束較長(zhǎng)、交流電壓頻率較高的測(cè)試中尤為明顯。

2 在交流電壓工況中單芯屏蔽線束絕緣電阻檢測(cè)的漏電流值的計(jì)算

在上述計(jì)算中，推導(dǎo)的是直流檢測(cè)工況中的泄漏電流的計(jì)算。在交流工況中，由于屏蔽電纜本身形成一個(gè)電容器，所以在泄漏電流計(jì)算中要加上電容器通交流的特性。

2.1 單芯屏蔽電纜電容的推導(dǎo)

單芯屏蔽電纜結(jié)構(gòu)組成為中心導(dǎo)體、絕緣層，屏蔽層及護(hù)套。其中絕緣層作為中心導(dǎo)體及屏蔽層間的介質(zhì)，該介質(zhì)中的任意一點(diǎn)的電場(chǎng)均沿半徑方向分布。根據(jù)高斯定理，在單位長(zhǎng)度中，均勻介質(zhì)中任意閉合面的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的通量恒等于閉合面內(nèi)所包圍的電荷的代數(shù)和與介質(zhì)介電常數(shù)ε的比值。

由此針對(duì)單位長(zhǎng)度該介質(zhì)側(cè)面上的電場(chǎng)通量有：

上式中：E——場(chǎng)強(qiáng)

q——單位長(zhǎng)度內(nèi)線芯所帶的電荷

εi——介質(zhì)的介電常數(shù)

計(jì)算相電壓：

計(jì)算單位長(zhǎng)度電纜的電容：

上式中：C——線纜電容

ε0——真空介電常數(shù)，ε0為8.86×10-12

ε——絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)（詳見(jiàn)表3）；

2.2 單芯屏蔽線束容抗的推導(dǎo)

上式中：XC——線纜容抗

ω——角頻率

f——電壓頻率

在單芯屏蔽線束中，因兩端連接器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，間隙較多，且連接器長(zhǎng)度較短，影響較少，在計(jì)算中默認(rèn)連接器容抗效果等同線束。

綜上，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的單芯屏蔽線束的容抗計(jì)算為：

上式中：L——線纜長(zhǎng)度，單位米；

f——電壓頻率，取f =50Hz

2.3 單芯屏蔽線束交流測(cè)試工況下漏電流的計(jì)算

根據(jù)上述推導(dǎo)，容易得出在交流電壓的測(cè)試工況中，泄漏電流包含了，即：

I＝IR＋I(xiàn)C

式中：I——總泄漏電流

IR——通過(guò)絕緣電阻的泄漏電流

IC——通過(guò)容抗的泄漏電流

其中，IR可以通過(guò)直流測(cè)試工況中漏電流的推導(dǎo)過(guò)程得到，但此處IR為交流電流。而IC可以通過(guò)以下方法得出（默認(rèn)交流電壓的頻率為50Hz）：

表2 廣東林一新能源科技有限公司常用線纜幾何因數(shù)表

表3 部分絕緣材料相對(duì)介電常數(shù)

表4 部分絕緣材料電阻率

綜上所述，在交流電壓工況中單芯屏蔽線束絕緣電阻檢測(cè)的漏電流值的計(jì)算表達(dá)為：

根據(jù)廣東林一新能源科技有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以推算出常用線纜的交流測(cè)試工況漏電流參考值如表5：

表5 廣東林一700-005系列線纜交流5000VAC工況測(cè)試泄漏電流參考值，單位長(zhǎng)度1m