單芯屏蔽線束耐壓測試漏電流的大小的計算

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備有限公司 廣州市廣東省 510000

在新能源汽車高壓線束領域，產品的安全性能必須放在首位考慮，以確保線束產品在使用以及維護保養過程中不會對整車或者使用者造成安全威脅。與傳統燃油汽車相比，新能源汽車的動力改為電能，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鍵。

在高壓動力線束生產過程中，為了確保每一條線束都符合耐壓要求，需要對線束成品進行耐壓測試。參考GB/T25085-2010《道路車輛60V和600V單芯電線》6.2耐電壓中要求，針對高壓單芯線纜的耐電壓測試方法為：將線纜泡在質量比為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體以及溶液間施加頻率為50或者60赫茲的交流電，不發生擊穿即為合格。然而該方法只是針對線纜的檢測，對于高壓線束尤其是屏蔽型高壓線束的生產過程檢測并不合適。而參考GB/T18384.3《電動汽車安全要求第三部分—人員觸電防護》6.2.3耐壓試驗中要求：在電路中的不同區段和外露的可導電部件間施加頻率為50或者60赫茲的交流電壓，歷時1分鐘不發生擊穿即為通過。詳見表1：

針對線束成品而言，GB/T18384.3的要求更加符合產品特性。然而國標中要求判別標準是不發生擊穿和跳火。事實上在線束的生產過程中，用于測試線束成品耐壓是否達標往往使用的是耐壓測試儀。這種測試設備在產品測試時提供測試所需的高電壓，同時記錄兩極間的漏電流①。當漏電流小于設定的數值時，測試通過，反之測試失敗。

①漏電流：即泄漏電流。對于電器的測試，泄漏電流是指在沒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，通過其周圍介質或絕緣表面所形成的電流。

然而，在新能源汽車動力線束生產過程中的產品檢測，漏電流的設定值應該設為多少合適，目前沒有標準進行明確。根據漏電流的定義，漏電流的大小取決于施加的測試電壓以及絕緣材質的絕緣性能。當對新能源汽車單芯屏蔽動力線束進行絕緣阻值測試時，使用絕緣耐壓測試儀，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試電壓，當漏電流的值小于限定值時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的漏電流值的推導

根據歐姆定律I=U/R可知，漏電流等于測試電壓與絕緣電阻的比值。

線束的理論絕緣電阻可以通過計算得到：絕緣電阻R與沿漏電流方向的絕緣材料長度dl成正比，與垂直于漏電流方向的導電面積s成反比，與絕緣材料的電導率γ成反比。即：

所以，對于單位長度絕緣層外徑為D1內徑為D2的同軸線纜線束（默認兩端連接器絕緣效果等同線纜）的絕緣電阻為：

表1 試驗電壓

綜上，在直流電壓工況的絕緣電阻測試中，長度L的線束設定的漏電流參考值為：

上式中：IR——通過介質電阻泄漏的漏電流，

γ——線束絕緣材料的電導率，

U——測試電壓，

D1——線束線纜的絕緣層外徑，D2——線束線纜的絕緣層內徑，

L——線束長度。

在測試中，當漏電流大于由上式推導的理論參考值時，說明線束的絕緣性能沒有達到設計值。然而，以上推導僅適用于直流電壓的測試工況。對于交流測試工況，在測試過程中往往發現，即便是在直流測試中已經合格的線束，在轉換成交流電壓測試時，漏電流也會遠大于上述的推導值。原因是在交流電壓測試工況中，探測到的漏電流不僅僅是絕緣材料泄漏的微量電流。因為屏蔽線束本身的屏蔽層與線芯導體間形成了一個長直圓柱形電容器，根據電容器件“隔直流通交流”的物理特性，該電容器在交流電壓測試中不斷充放電，導致絕緣測試儀探測到的漏電流出現增大的現象，在線束較長、交流電壓頻率較高的測試中尤為明顯。

2 在交流電壓工況中單芯屏蔽線束絕緣電阻檢測的漏電流值的計算

在上述計算中，推導的是直流檢測工況中的泄漏電流的計算。在交流工況中，由于屏蔽電纜本身形成一個電容器，所以在泄漏電流計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

單芯屏蔽電纜結構組成為中心導體、絕緣層，屏蔽層及護套。其中絕緣層作為中心導體及屏蔽層間的介質，該介質中的任意一點的電場均沿半徑方向分布。根據高斯定理，在單位長度中，均勻介質中任意閉合面的電場強度矢量的通量恒等于閉合面內所包圍的電荷的代數和與介質介電常數ε的比值。

由此針對單位長度該介質側面上的電場通量有：

上式中：E——場強

q——單位長度內線芯所帶的電荷

εi——介質的介電常數

計算相電壓：

計算單位長度電纜的電容：

上式中：C——線纜電容

ε0——真空介電常數，ε0為8.86×10-12

ε——絕緣材料的相對介電常數（詳見表3）；

2.2 單芯屏蔽線束容抗的推導

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，因兩端連接器結構較為復雜，間隙較多，且連接器長度較短，影響較少，在計算中默認連接器容抗效果等同線束。

綜上，長度為L的單芯屏蔽線束的容抗計算為：

上式中：L——線纜長度，單位米；

f——電壓頻率，取f =50Hz

2.3 單芯屏蔽線束交流測試工況下漏電流的計算

根據上述推導，容易得出在交流電壓的測試工況中，泄漏電流包含了，即：

I＝IR＋IC

式中：I——總泄漏電流

IR——通過絕緣電阻的泄漏電流

IC——通過容抗的泄漏電流

其中，IR可以通過直流測試工況中漏電流的推導過程得到，但此處IR為交流電流。而IC可以通過以下方法得出（默認交流電壓的頻率為50Hz）：

表2 廣東林一新能源科技有限公司常用線纜幾何因數表

表3 部分絕緣材料相對介電常數

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的漏電流值的計算表達為：

根據廣東林一新能源科技有限公司企業標準，可以推算出常用線纜的交流測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工況測試泄漏電流參考值，單位長度1m