宣布时间：2020-12-28点击：1812
引言
因精彩的导电性，铜排是新能源电驱系统高压承载的零件之一。由于空间问题，高压铜排之间或者铜排与壳体之间的间隙往往很小。在这样的情况下，就需要一个绝缘质料将相互离隔。
绝缘质料有许多种，好比玻璃、陶瓷就是很好的绝缘质料，在电驱系统中常用的绝缘质料是塑料。
关于塑料宽泛的解释：以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物，主要身分是树脂。
一、高压绝缘关注什么？
从应用工程师的角度出发，纵然我们没有系统的学习过高压绝缘知识，只要凭据标准包管电气间隙、爬电距离这两个指标抵达要求，就基本可以包管设计的高压系统绝缘不会出大问题了。
那么为什么电气间隙和爬电距离这么重要呢?
1. 坚持电气间隙很容易理解。在高压线路开闭的瞬间，两极之间会爆发颇为壮观的电弧，当距离拉开后，电弧消失。电弧的爆发是因为强电场使空气分子被电离，也就是爆发了所谓的绝缘失效—空气介质击穿。这个现象就很好说明了只要坚持一定距离，那么两个高压零件之间的空气绝缘就没有问题。
2. 为什么需要坚持爬电距离？什么是爬电距离？在回覆这个问题之前，我们先来看看GBT4939（信息技术设备宁静）中关于爬电距离的基本要求：
爬电距离的尺寸应当确保在给定的事情电压和污染品级下不会泛起绝缘闪络或绝缘击穿（例如，由于电痕化引起）。
这里泛起了一个陌生的名词—闪络，行业内对闪络解释是指固体绝缘子周围的气体或液体电介质被击穿时，沿固体绝缘子外貌放电的现象。前面我们谈到的坚持电气间隙，是为了避免通过气隙放电，也就是说坚持爬电距离是为了避免另外一种区别于空气击穿的高压绝缘失效。
实验标明：沿固体介质外貌的闪络电压不但要比同体介质自己的击穿电压低得多，并且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。应该注意的是，这不但涉及外貌干燥、清洁时的特性，还应考虑外貌湿润、污染时的特性，显然，在后一种情况下的沿面闪络电压一定降得更低。这，就是我们会什么要坚持爬电距离的基础原因。
在了解了电气间隙和爬电距离的意义后，以下面两张图来解释两者在丈量上的差别（不过多拓展，有兴趣可以检察IEC60950，实线是电气间隙，虚线是爬电距离）。
二、高压绝缘塑料特性—电气
前面谈到高压绝缘失效常见两种模式有两种：击穿和闪络，这是剖析塑料质料的电气绝缘特性的一个基础。那么塑料质料电气性能相关的参数有哪些呢？具体又是如何影响电气性能？
1. 体积电阻率（Volume resistivity）
体积电阻率，是质料每单位体积对电流的阻抗，用来表征质料的电性质，单位是Ω·m。
塑料绝缘质料在电场下，也会有很小的电流通过，所以体积电阻率的测试要领就是将质料在要求电压下坚持划准时间，并丈量所爆发的电流。
为了理解差别质料的差别，我们先来了解分子极性，这是理解塑料质料电热性能的纽带，很是重要！
我们说分子有极性是嗣魅这个分子内电荷漫衍不均匀，或者说，正负电荷中心没有重合。分子的极性取决于分子内各个键的极性以及它们的排列方法。
通俗理解，就是极性代表生动，非极性就是不生动。所以一般来说非极性高分子的电阻率要略大于极性高分子的电阻率。我们比较熟悉的苯就是典范非极性分子（记着这个结论，后面还会用到），NH3就是典范的极性分子。
2.介电强度（Dielectric strength）
介电强度，是质料抗高电压而不爆发介电击穿能力的量度，将试样安排在电极之间，并通过一系列的办法升高所施加的电压直到爆发介电击穿，以此丈量介电强度，单位是kV/mm。介电强度越大，对电荷的束缚能力的上限就越大越强。
1. 相对漏电起痕指数（Comparative Tracking Index ( CTI )
相对漏电起痕指数是指质料外貌能经受住50滴电解液（0.1%氯化铵水溶液）而没有形成漏电痕迹的***高电压值。我们可以简单的理解为塑料抗污染的能力。
如果各人对前面爬电距离的解释另有印象的话，那么就更能理解为什么爬电距离要和CTI扯上关系。忘记的话没关系，我们再温习下前文内容。
实验标明：沿固体介质外貌的闪络电压不但要比同体介质自己的击穿电压低得多，并且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。应该注意的是，这不但涉及外貌干燥、清洁时的特性，还应考虑外貌湿润、污染时的特性，显然，在后一种情况下的沿面闪络电压一定降得更低。
整个失效的历程：
(1)首先质料外貌保存湿润与污秽+电场足够大时，外貌将有漏电流爆发
(2)在电流的焦耳热作用下，水分被蒸发，外貌液膜的疏散形成的漏洞（称为干燥带）
(3)在干燥带形成瞬间液膜间场强抵达放电场强而导致放电
(4)放电爆发的热量使质料外貌局部碳化
(5)由于碳化生成物的导电率高，此处的电场密度集中于该碳化部分，引起放电的重复爆发，在其周围爆发更多的碳化物，形成碳化导电路，并向电极偏向伸展，***终导致短路
除了上述几个参数以外，塑料电性能相关参数另有耐电弧能力（干烧）、耐电晕能力、耐局部放电能力（绝缘质料含有杂质、气孔等，导致局部放电）等。
三、高压绝缘塑料特性—机械
绝缘质料首先要满足的是高压绝缘要求，其次要满足的是系统机械性能要求。塑料质料机械失效比较容易理解，常见的失效模式有断、裂、碎。在讨论性能参数之前，我们先来看下高分子质料常见的应力—应变曲线。
1 拉伸强度（tensile strength）
抗拉强度表征质料***大均匀塑性变形的抗力，测试历程中试样拉伸至断裂的历程中，***大的拉伸应力就是拉伸强度，单位MPa
2.断裂延伸率（Elongation at break）质料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。工程上常将δ≥5%的质料称为塑性质料 ；把δ≤5%的质料称为脆性质料。换言之，断裂延伸率越大，质料越脆。
高压绝缘塑料特性—热性能
前面我们讨论了许多塑料质料要害参数：体积电阻率、介电强度、拉伸强度等。质料供应商提供的物性表中的值一般来说都是常温下测得，也不包括质料的耐久老化（在高分子质料的使用历程中, 由于受到热、氧、水、光、微生物、化学介质等情况因素的综相助用， 高分子质料的化学组成和结构会爆发一系列变革， 物理性能也会相应变坏, 如发硬、发粘、变脆、变色、失去强度等， 这些变革和现象称为老化）。
所以在质料选型历程，除了看常温下的物性表，更需要关注质料要害参数在差别温度差别情况下的老化以后的性能。
谈到老化，我们首先需要了解质料的一个很是重要的指标—玻璃化转变温度（Tg）
玻璃化转变温度是指由玻璃态转变为高弹态所对应的温度。玻璃化转变是非晶态高分子质料固有的性质，是高分子运动形式转变的宏观体现。通俗理解，玻璃化转变温度以下，塑料被“冻结”，险些无老化 ；玻璃化转变温度以上，塑料质料开始老化，温度越高，老化越严重。虽然，温度的提升并不全部是坏处，有时会提高质料的某些参数，好比我们关注的拉伸强度。
作为电驱动系统中的高压绝缘零件，在某些场合下，我们会需要考虑质料的耐油性。由于高聚合物分子自身的特性，油溶剂分子可以渗透到内部。而影响渗透的因素主要有质料结构、玻璃转化温度、结晶性能，所以在评估塑料质料是否耐不耐油，可以从以下两点出发。在相同温度下，玻璃转化温度越低，越容易渗透油液渗透爆发在非结晶区域，因此结晶度较高的质料禁止易爆发透
可是获得质料的老化数据本钱是相对较高的，因此质料供应商并不会每个牌号都会进行老化数据测试。所以在没有这些老化数据之前，我们一般以质料的热变形温度(Heat deflection temperature, HDT)，来代表质料短期的受热能力。
热变形温度是负荷挠曲温度的通俗说法。它是高温下测定塑料刚性的一种要领：在一定负荷下，以一定速度连续加温，直到式样显示指示变形量时的温度。
四、高压绝缘塑料特性—添加剂
为了满足差别性能要求，塑料质料经� ；崽砑又种痔砑蛹�，这就犹如烧菜时添种种佐料一般。塑料质料***常见的添加剂，也是我们***熟悉的莫过于玻纤（无机非金属质料，能有效的提高质料的拉伸强度），即质料牌号后面的英文字符GF。其他的添加剂另有许多，好比热稳定剂/抗氧化剂/发泡剂/阻燃剂。关于添加剂遇到的比较多的问题有两个。
1. 价格
以玻纤为例，GF40质料比GF30质料，玻纤含量高，拉伸强度高，是不是价格也更贵一点呢？
其实不然，玻纤的价格远远的低于塑料基材。玻纤多，基材就少，物料本钱反而低，另外通过玻纤提高拉伸强度的同时，其他参数会变差，如塑性。这种此消彼长的副作用，需要我们慎重的去抉择。
五、电驱系统需要V0阻燃吗？
回到这个问题之前，我们先来大致了解下除了V0另有哪些阻燃品级�？扇夹訳L94品级是应用***广泛的塑料质料可燃性能标准，它用来评价质料在被点燃后熄灭的能力。UL94共12个防火品级，划分是：HB，V-0，V-1，V-2， 5VA，5VB，VTM-0，VTM-1，VTM-2，HBF， HF1，HF2。
在这里我们重点看下HB和V0。HB是UL94标准中***低的阻燃品级。试验要领是水平夹住试片的一端与水平成 45±2 度，取一铁网，水平牢固在试片下方 10±1mm，将本生灯（火焰高度20mm左右）成 45 度，移动到试片另一端接触样品 6mm，并计时 30±1 秒后移开，待试片烧至 25mm 标记时，启动另一计时器。若在 30±1 秒内就烧至 25 mm 的标记时，启动另一计时器，并将本生灯移开。V0的试验时也称为50w笔直燃烧测试，这是因为燃烧的能量在50w左右。试验要领是本生灯（火焰高度20mm左右）接触样品下方中心点燃烧 10±0.5 秒后，以 300mm/s 的速度移开本生灯，距离试片至少 150mm，并纪录***次的自燃时间。自燃停止后，马上进行第二次燃烧，燃烧 10±0.5 秒后，移开本生灯，并纪录第二次自燃时间及火焰熄灭后的炽红时间。
从测试规范以及要求限值来看，V0阻燃品级是高于HB，这也就是为什么新能源汽车行业会泛起阻燃性V0要求之一。那么关于这样的要求，原本HB阻燃的质料就无法满足新的要求，必须接纳步伐提升阻燃性，***常见的要领就是增加阻燃剂。所以我们可以看到同样大类的质料，好比PPA，就有HB阻燃和V0阻燃差别牌号。在现阶段的技术水平下，阻燃添加剂的副作用相比玻纤是巨大的，不但拉伸强度和韧性会大打折扣（特别是熔接痕处），并且大部分阻燃剂在高温下易剖析，释放出酸性物质，对金属具有腐化作用。
新能源汽车烧毁一直是备注关注的焦点问题，其带来的社会影响巨大，这在一定水平上推动了对行业内塑料零件阻燃性提高的重视。
回到我们要讨论的问题：新能源电驱系统需要V0阻燃吗？
只有在可燃物、助燃物、燃烧源三个条件同时具备的情况下，可燃物才华爆发燃烧。关于电驱系统而言，密封品级一般IP67，内部零件以金属为主，从这个角度出发出发，电驱系统因质料阻燃性失效导致的的严重度、频度、探测度都是比较低的。虽然关于设计而言，是精益求精的历程，没有***好的选择，只有更好的选择。
权衡价格、性能、制造、等多方面方面因素，在目前的阶段，我认为电驱系统技从工程角度来说是不需要把V0阻燃作为硬性要求，虽然有V0能力那虽然是***好的。
六、高压绝缘塑料特性—质料选型
塑料质料种类繁多，以巴斯夫塑料产品金字塔为例（差别公司，保存些许差别），多达40余种。
在电驱系统中常见有5种：PA6、PA66、PPA、PPS、PBT。
PPS是聚醚类塑料，分子式给人的***感受就是刚的一塌糊涂，稳定的像个“龟壳”，这个“龟壳”就是苯，苯具有差别于饱和化合物的性质，不易加成、不易氧化、碳环异常稳定，这些性质总称为芳香性(非极性或弱极性)。
PBT也有一个“龟壳”，那应该也很稳定咯？是的，PBT学名聚对苯甲酸丁二醇酯，属于芳香族聚酯，也具有前面谈到的芳香性。
PA6、PA66就是我们生活中经常提到的尼龙类（聚酰胺俗称尼龙（Nylon））。如果说芳香性质料是“闷”的性格，稳重 ；那么尼龙就属于“开朗”的性格，兼容***。
也许有读者发明了，前面谈到5种常见塑料，为什么只有4种分子式，另有一种呢？PPA去哪了？
PPA比较特殊，有时候又被叫做“PA6T”。PPA是以间苯二甲酸、对苯二甲酸、己二酸和己二胺之间缩聚形成的聚合物的共混物，是一种半结晶性的半芳香尼龙。***常见的共混方法莫过于PA6T/66，既是芳香又是尼龙，所以PPA的综合性能很是优异，虽然价格也不菲，究竟是特种尼龙。
那么电驱系统绝缘结构零件该选什么质料呢？
关于开裂的直观理解就是质料太脆（断裂延伸率�。�，在温度交变和大应力作用下容易爆发。因此质料的脆性是在绝缘结构设计选型历程中需要重点关注的参数。
前面谈到，尼龙的韧性天生优异芳香性质料，考虑到脆性失效，是不是不可用芳香性质料？
但前面又谈到尼龙的热稳定性是天生不如芳香性质料，考虑到老化失效，是不是不可用尼龙了？这样的比喻或许有些极端，但之前问题的谜底也就自然而然的出来了。当质料无法更改，那么合理的结构设计是可以规避质料自己的缺乏。当结构无法调解，那么合理的质料选型时可以规避设计的缺乏。实际事情历程中，我们也遇到过韧性好的零件开裂，也遇到过韧性欠好的零件开裂。解决要领有许多，好比增加厚度就是一个不错的选择，虽然更换一个韧性更好的质料也是比较常用的快速解决计划。
七、高压绝缘设计标准
接下来，我们来谈下高压绝缘设计标准。也就是前面谈到的那些参数限值几多问题。
关于电气间隙与爬电间隙：新能源电驱动系统标准解读与拓展：电器间隙与爬电距离，对现有的国家/行业标准进行了系统的收集，各人可以参考。但需要注意的是，这些标准里的限值并不是硬性的指标，而是参考。
有些参数我们很容易凭据系统工况进行限定，好比凭据CAE剖析对证料拉伸强度进行要求，凭据系统***高温度对证料HDT进行要求 。但体积电阻率、介电强度、断裂延伸率等参数呢？
回到前面的质料脆性讨论，质料脆会导致开裂，但脆只是一个特性。多脆会导致失效呢？关于同一个大类，PPS通过增加添加剂可以提高韧性，而PPA增加添加剂后也可能会降低韧性.电驱系统的高压化、轻量化的生长给塑料质料的应用提供机缘。
来源：淘气的jinx民众号 汽车质料专家于斌先生
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