# 環氧樹脂與空氣介電強度說明：中壓絕緣設計的關鍵差異

> 來源: https://voltgrids.com/zh/blog/epoxy-resin-vs-air-dielectric-strength-explained-key-differences-in-mv-insulation-design/
> 已發佈: 2026-04-07T03:26:53+00:00
> 已修改: 2026-05-10T02:28:41+00:00
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## 摘要

本技術指南比較環氧樹脂與空氣的介電強度，說明固體絕緣開關裝置 (SIS) 的核心優勢。探索環氧樹脂優異的介電強度如何使佔地面積減少達 60%，並完全不受環境污染的影響。深入瞭解中電壓絕緣系統的擊穿物理學和 IEC 檢驗標準。.

## 媒體

- YouTube: https://youtu.be/ZJD5_tIULgk
- SoundCloud: https://soundcloud.com/bepto-247719800/epoxy-resin-vs-air-dielectric/s-IsNzIID5whZ?si=a8586a186d5244188837f60c21fe9da0&utm_source=clipboard&utm_medium=text&utm_campaign=social_sharing

## 文章

![40kA 短路接觸盒 - CHN3-12KV190 1600A 環氧樹脂 100kA 峰值-3](https://voltgrids.com/wp-content/uploads/2025/09/40kA-Short-Circuit-Contact-Box-CHN3-12KV190-1600A-Epoxy-Resin-100kA-Peak-3.jpg)

[環氧樹脂接觸盒](https://voltgrids.com/zh/product-category/air-insulation-series/contact-box/)

## 簡介

中壓開關設備面板的每個尺寸最終都由一個數字決定：帶電導體和接地結構之間絕緣介質的介電強度。這個單一的材料特性（以每公分千伏特計量）決定了相間間隙、相間對地距離、爬電路長度，以及絕緣體的物理體積，以承受額定的雷擊脈衝電壓而不被擊穿。.

**澆注環氧樹脂的介電強度在大體上是 180-200 kV/cm，大約是空氣在大氣壓力下（30 kV/cm）的六倍，這個單一的材料特性差異是實心絕緣開關設備能夠達到比空氣絕緣開關設備更小的面板佔地面積 40-60% 的技術基礎，同時消除了在污染的工業環境中限制空氣絕緣性能的表面污染失效模式。.**

對於設計中壓絕緣系統的電氣工程師，以及評估 AIS 與 SIS 開關設備的採購經理而言，瞭解環氧樹脂與空氣之間的介電強度比較並不是學術背景知識 - 它是每項空間效率聲稱、每項抗污染規格，以及每項絕緣協調決策的量化基礎，讓固體絕緣技術有別於空氣絕緣技術的前身。.

本文針對環氧樹脂與空氣絕緣系統的介電強度進行了嚴謹、以應用為重點的分析 - 從基本的分解物理到現場分級工程、環境性能，以及對中壓開關器規格和設計的實際影響。.

## 目錄

- [什麼是介電強度，如何測量環氧樹脂和空氣中的介電強度？](#what-is-dielectric-strength-and-how-is-it-measured-in-epoxy-resin-and-air)
- [環氧樹脂和空氣絕緣在實際 MV 作業條件下的表現如何？](#how-do-epoxy-resin-and-air-insulation-perform-under-real-mv-operating-conditions)
- [介電強度差異如何驅動 SIS 開關裝置的設計優勢？](#how-does-dielectric-strength-difference-drive-sis-switchgear-design-advantages)
- [環氧絕緣系統的規格和品質驗證要求是什麼？](#what-are-the-specification-and-quality-verification-requirements-for-epoxy-insulation-systems)

## 什麼是介電強度，如何測量環氧樹脂和空氣中的介電強度？

![比較介電強度和擊穿機制的科學資訊圖表。左側詳細說明了氣體（空氣）中的湯森放電過程，並配有圖解，顯示了關鍵步驟和 ~30 kV/cm 的擊穿強度。右側顯示 IEC 60243 固體 (鑄造環氧樹脂) 在絕緣油中的短時間介電強度測試設定，解釋電子和熱擊穿製程，並提供 ~180-200 kV/cm 的結果。.](https://voltgrids.com/wp-content/uploads/2026/04/Dielectric-Strength-and-Breakdown-Comparison-between-Air-and-Cast-Epoxy-Resin-1024x687.jpg)

空氣與澆鑄環氧樹脂的介電強度與擊穿比較

介電強度是絕緣材料在不發生介電擊穿的情況下所能承受的最大電場強度（以 kV/cm 或 kV/mm 表示）：在極端電場應力下，材料雪崩電離所導致的從絕緣狀態到導通狀態的災難性轉換。.

### 介質破裂物理學

**在空氣中分解 - Townsend 雪崩機制：**

在大氣壓力下的空氣中，介電分解是透過 Townsend 雪崩過程發生的：

1. 自由電子（來自宇宙輻射或光電離）在外加電場中加速
2. 加速電子與中性空氣分子碰撞，使其電離並釋放出額外的電子
3. 每次電離事件都會使電子群成倍增加 - 雪崩
4. 當雪崩達到臨界密度時，導電電漿通道（流線）會橋樑電極間隙
5. 流線轉換為完整的弧線，完成分解

[在標準條件下（20°C、1 bar、50% RH），均勻電極幾何形狀的空氣擊穿場約為 30 kV/cm](https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_strength)[1](#fn-1). .此值對：

- **電極幾何形狀：** 不均勻的磁場（尖銳邊緣、小半径）會將有效的擊穿強度降低至 5-15 kV/cm
- **濕度：** 濕度增加至 50% RH 以上時，會降低高達 15% 的破壞強度。
- **污染：** 鄰近空氣間隙的絕緣體表面污染會產生導電路徑，在遠低於乾淨空氣擊穿值的磁場中啟動閃火。
- **海拔高度：** 海拔高度 (> 1,000 公尺) 的空氣密度降低，會成比例地降低分解強度

**環氧樹脂的分解 - 電子和熱機理：**

固體環氧樹脂的介電擊穿機制與氣體中根本不同：

- **電子故障：** 在極高的電場 (> 500 kV/cm)下，電子從電極直接注入聚合物基質，會在固體中產生雪崩式電離 - 這是固有的擊穿機制。
- **熱分解：** 介質損耗 (棕褐色δ×E2\tan \delta \times E^2) 會在材料內部產生熱量；如果產生的熱量超過散熱能力，溫度就會上升，直到材料降解為止 - 這是功率頻率的實際限制機制。
- **部分放電侵蝕：** 在存在空隙或內含物的情況下，局部放電會逐漸侵蝕周圍的聚合物 - 這是使用中的主要長期失效機制。

澆注環氧樹脂在下列條件下的測量介電強度 [IEC 60243 短時間測試條件為 180-200 kV/cm](https://webstore.iec.ch/publication/1150)[2](#fn-2) - 約為空氣值的 6 倍。在局部放電活動的長期使用條件下，有效設計電場限制在 20-40 kV/cm，以確保 30 年的絕緣壽命。.

### 標準測量方法

**IEC 60243-1 - 短時間介電強度測試：**

- 電極：直徑 25mm 的黃銅圓柱，具有直徑 25mm 的平面，浸在絕緣油中，以防止表面閃火
- 電壓應用：以 2 kV/秒的速度從零到擊穿進行斜坡測試
- 樣品厚度：1-3mm，用於散裝材料特性分析
- 結果：擊穿電壓除以樣品厚度 = 介電強度 (kV/mm)

**IEC 60060-1 - 高壓測試技術：**

- 工頻耐壓測試：在 50Hz 下施加電壓 60 秒；無擊穿 = 通過
- 雷擊脈衝耐壓測試：1.2/50μs 脈衝波形；額定 BIL 下的耐壓 = 通過
- 這些測試適用於完整的開關裝置組件，而非材料樣品。

### 介電強度參考值

| 材質 | 介電強度 | 測試條件 | 標準 |
| 空氣（均勻場） | 30 kV/cm | 20°C、1 巴、均勻 | IEC 60060 |
| 空氣（非均勻場） | 5-15 kV/cm | 銳利的電極幾何形狀 | IEC 60060 |
| 空氣（污染面） | 1-5 kV/cm | 受污染的絕緣體表面 | IEC 60507 |
| SF6 (1 bar) | 89 kV/cm | 統一領域 | IEC 60052 |
| SF6 (3 bar) | ~220 kV/cm | 統一領域 | IEC 60052 |
| 澆注環氧樹脂（APG，散裝） | 180-200 kV/cm | IEC 60243，短時間 | IEC 60243 |
| 澆注環氧樹脂（設計領域） | 20-40 kV/cm | 長期服務，30 年使用壽命 | IEC 62271 |
| XLPE 電纜絕緣 | 200-300 kV/cm | 大量、短時間 | IEC 60502 |
| 瓷器（散裝） | 60-100 kV/cm | 大量、短時間 | IEC 60672 |
| 矽橡膠 | 150-200 kV/cm | 大量、短時間 | IEC 60243 |

### 為什麼短時間強度和設計領域不同

環氧樹脂的短時間介電強度 (180-200 kV/cm) 與其實際設計電場 (20-40 kV/cm) 之間的 6 倍比率反映了 30 年絕緣壽命下所需的安全係數：

- **連續交流電壓應力** - 工頻電壓每秒施加 50 次週期應力，30 年內施加 16 億次週期應力
- **瞬間過電壓** - 雷擊脈衝和開關浪湧事件會產生 3-5 倍於額定電壓的峰值電場
- **熱老化** - 溫度升高會加速聚合物鏈斷裂、逐步降低介電強度
- **局部放電活動** - 即使是在空隙或介面上發生的次閥值 PD 事件，也會隨著時間侵蝕周圍的聚合物

20-40 kV/cm 的設計電場包含所有這些劣化機制，並有適當的安全餘量，可確保絕緣系統在其額定使用壽命內保持足夠的介電強度。.

## 環氧樹脂和空氣絕緣在實際 MV 作業條件下的表現如何？

![題為「絕緣材料的比較介電強度」的科學柱狀圖。Y 軸測量「介電強度 (kV/cm)」，從 0 到 400。X 軸列出絕緣材料和條件，包括「空氣 (均勻)」、「空氣 (非均勻)」、「空氣 (污染)」、「SF6 (1 bar)」、「SF6 (3 bar)」、「澆注環氧 (APG)」、「澆注環氧 (設計場)」、「XLPE 電纜絕緣」、「瓷 (散裝)」和「矽膠」。XLPE 欄是獨一無二的，它顯示了一個特定的範圍，並標明了 '200 「和 」300 '的值，而其他欄則顯示了帶有誤差的個別值。.](https://voltgrids.com/wp-content/uploads/2026/04/Comparative-Dielectric-Strength-Chart-of-Insulation-Materials-and-Conditions-1024x559.jpg)

絕緣材料和條件的介電強度比較表

環氧樹脂和空氣的實驗室介電強度值代表了理想的條件 - 均勻的電場、乾淨的表面、可控的溫度和濕度。實際中壓開關設備的運行環境會系統性地降低空氣絕緣的性能，而固體環氧絕緣基本不受影響。這種真實條件下的性能差異就是實體絕緣技術的實際工程案例。.

### 污染績效

**污染下的空氣隔離：**

[IEC 污染嚴重程度分類 (IEC 60815) 根據等效鹽沉積密度 (ESDD) 定義了四種污染等級 (a-d)](https://webstore.iec.ch/publication/3725)[3](#fn-3) 在絕緣體表面。隨著污染程度的增加，可靠的空氣絕緣所需的最小爬電距離也會大幅增加：

- **污染等級 a（輕度）：** 16mm/kV 爬電距離
- **污染等級 b（中等）：** 20mm/kV 爬電距離
- **污染等級 c（重度）：** 25mm/kV 爬電距離
- **污染等級 d（非常嚴重）：** 31mm/kV 爬電距離

對於重污染環境中的 12kV 開關裝置而言，所需的爬電距離是 25 × 12 = 300mm - 這種物理限制直接決定了空氣絕緣元件的最小尺寸。在沿海、工業或沙漠環境中，要在 AIS 中達到足夠的爬電距離，需要放大絕緣體的幾何形狀或定期進行清潔維護。.

**污染下的環氧樹脂：**

SIS 開關設備中的環氧樹脂澆注絕緣層沒有暴露的空氣間隙表面，不會受到外部污染。所有帶電導體的固體封裝意味著空氣中的汙染 - 鹽霧、水泥灰塵、化學蒸汽、冷凝水 - 無法接觸到主絕緣介質。唯一外露的表面是環氧樹脂封裝的外表面，其設計具有 IEC 60587 (CTI > 600V) 規範的抗軌跡性，以及 IEC 61621 (> 180 秒) 規範的抗電弧性質。.

**結果：** 在 AIS 需要擴大爬電距離、經常清潔或額外外外殼保護的污染嚴重程度 d 級環境中，SIS 開關裝置仍能維持完整的額定介電性能。.

### 溫濕度性能

**空氣絕緣溫濕度敏感性：**

- 空氣的破壞強度在 20°C 以上，每 °C 大約會降低 0.3%
- 在 55°C 環境溫度下（在中東和熱帶安裝中很常見），空氣介電強度會降低 ~10%
- 相對濕度高於 80% 且絕緣體表面有凝結時，有效爬電耐壓會降低 30-50%
- 結合高溫和高濕（熱帶沿海環境）會使有效的空氣隔熱性能降低 40-60% 低於標準測試條件

**環氧樹脂的溫濕度性能：**

- [環氧樹脂的 Bulk 介電強度在 20°C 以上每 °C 會降低約 0.1%](https://www.huntsman.com/about/advanced-materials)[4](#fn-4) - 敏感度比空氣低三倍
- 在完全浸泡條件下，澆鑄環氧樹脂的吸濕量以重量計限於 0.1-0.3% ；在正常開關設備服務中，吸濕量可忽略不計。
- 耐熱等級 F (155°C) 表示絕緣系統在連續工作溫度高達 105°C (40°C 環境溫度 + 65°C 溫升) 時仍能保持完整效能

### 局部放電性能

局部放電 (Partial Discharge, PD) 是指當局部電場超過空隙破壞強度時，在絕緣系統的空隙、內含物或界面上發生的局部放電，但不會導致絕緣完全失效。局部放電是固體絕緣系統的主要老化機制，也是絕緣品質的主要診斷指標。.

**空氣絕緣中的 PD：**
在空氣絕緣開關設備中，PD 發生在導體邊緣、絕緣體表面以及正常工作電壓下的污染沉積物。空氣絕緣對表面 PD 有固有的耐受性 - 每次放電後，空氣間隙都會自動愈合。然而，相鄰固體絕緣表面 (支撐絕緣體、電纜端子) 上的 PD 會造成逐漸的表面侵蝕和軌跡。.

**環氧樹脂中的 PD：**
在固體環氧絕緣中，PD 只發生在製造過程中引入的空隙、內含物或介面缺陷上。在 1.5 × Um 時 PD < 5 pC 的無空隙 APG 鑄造環氧在正常操作電壓下的 PD 活動基本上為零 - 設計電場 (20-40 kV/cm)遠低於無空隙材料的空隙起始電場。在使用中偵測到的任何 PD 活動都表示製造缺陷或安裝損壞，需要進行調查。.

### 真實條件下的效能比較

| 性能參數 | 空氣隔離 (AIS) | 環氧樹脂 (SIS) |
| 污染等級 d 性能 | 需要 300 公釐的爬電距離 / 清潔 | 不受影響 - 沒有外露表面 |
| 濕度 > 80% RH | 30-50% 減壓 | < 5% 耐壓降低 |
| 溫度 55°C | ~10% 強度降低 | ~3% 強度降低 |
| 表面結露 | 嚴重閃電風險 | 無影響（密封表面） |
| 鹽霧（沿海） | 需要加強爬電性 | 不受影響 |
| 化學氣氛 | 表面追蹤風險 | 密封 - 不受影響 |
| 海拔高度 > 1,000 公尺 | 需要降額 | 無須降額 |
| 局部放電活動 | 表面固有 | 零空隙材料 |

### 客戶案例：沿海工業廠房的 AIS 開關裝置發生介質故障，由 SIS 取代

東南亞某沿海化學加工廠的 12kV 配電變電所發生相對地閃火後聯絡了 Bepto。調查發現故障原因是支撐絕緣體表面的鹽霧污染 - 該設施位於距離海洋 200 公尺的地方，加上化學製程蒸氣，造成污染嚴重程度達到 d 級的環境，而原有的 AIS 絕緣系統在沒有每季清潔維護的情況下，根本無法承受。在生產高峰期間，維護計畫有所延誤，累積的污染層在潮濕的隔夜期間造成了閃電。.

在使用 Bepto 的 SIS 開關設備更換受影響的面板後，設備工程團隊確認密封的環氧絕緣系統在隨後 30 個月的監測期間完全不受沿海鹽霧和化學大氣的影響 - 在年度狀態監測中，與絕緣相關的維護干預為零，且檢測到的 PD 事件為零。固體絕緣對表面污染的免疫力完全消除了最初故障的根本原因。.

## 介電強度差異如何驅動 SIS 開關裝置的設計優勢？

![工程比較圖信息顯示澆鑄環氧樹脂更高的介電強度如何使 SIS（實體絕緣開關設備）與 AIS（空氣絕緣開關設備）相比，實體絕緣開關設備可實現更緊湊的設計，並減少間隙和母線佈局。它展示了 12kV 開關裝置的截面圖，其中 AIS 有較大的空氣間隙，而 SIS 的環氧絕緣厚度顯著較小。對於 AIS，$$d_{min} = \frac{75 \text{ kV}}{15 \text{ kV/cm}} = 50 \text{ mm}$$ (使用空氣設計場)；對於 SIS，$$d_{min} = \frac{75 \text{ kV}}{200 \text{ kV/cm}} = 3.75 \text{ mm}$$（使用批量環氧場）。下面的對照表列出了 12kV、24kV、40.5kV 電壓等級和 BIL 的間隙和厚度，顯示出 SIS 在所有電壓等級都減少了大約 85% 的空間。底部較小的詳細插圖說明了電場等級和介電率錯配，並附有公式和電場分布圖解。.](https://voltgrids.com/wp-content/uploads/2026/04/Dielectric-Strength-Advantage-SIS-vs.-AIS-Design-Comparison-Chart-1024x687.jpg)

介電強度優勢 - SIS 與 AIS 設計比較表

澆鑄環氧樹脂的介電強度優於空氣 6 倍，可直接轉化為 SIS 開關裝置設計中可量化的工程效益 - 這些效益可根據第一原理進行計算，並根據已安裝的設備尺寸進行驗證。.

### 淨空縮小計算

承受額定雷擊脈衝電壓 (BIL) 所需的最小絕緣厚度由以下因素決定：

dmin=BILEdesignd_{min} = \frac{BIL}{E_{design}}

地點 BILBIL 是額定雷擊脈衝耐壓，而 EdesignE_{design} 是絕緣介質的設計場。.

**適用於 12kV 開關裝置 (BIL = 75kV)：**

- **空氣絕緣：** dmin=75 kV15 kV/cm=50 毫米d_{min} = \frac{75 \text{ kV}}{15 \text{ kV/cm}} = 50 \text{ mm} (使用非均勻場設計值）
- **環氧樹脂：** dmin=75 kV200 kV/cm=3.75 毫米d_{min} = \frac{75 \text{ kV}}{200 \text{ kV/cm}} = 3.75 \text{ mm} (使用批量短時值；實際設計使用 20-40 kV/cm，安全係數 → 19-38mm 總絕緣值）

實際結果：12kV 的環氧絕緣需要 15-25mm 的實體材料，而空氣絕緣需要 120-160mm 的間隙 - 分配給帶電導體和接地結構之間絕緣的空間減少了 6-10 倍。.

**不同電壓等級的間隙比較：**

| 電壓 | BIL | 空氣淨空 (IEC 62271-1) | 環氧厚度（實用） | 縮小空間 |
| 12kV | 75kV | 120 公釐（相位距離） | 15-20mm | ~85% |
| 24kV | 125kV | 220 公釐（相位距離） | 25-35mm | ~85% |
| 40.5kV | 185kV | 320 公釐（相位距離） | 40-55mm | ~85% |

### 環氧系統的現場分級工程

雖然環氧樹脂的整體介電強度為 180-200 kV/cm，但實際設計卻受限於幾何不連續處的電場集中。在導體邊緣、連接介面和材料邊界，局部電場可能會超過整體值的 2-5 倍，即使平均電場在設計限制之內，也會產生局部放電誘發點。.

**SIS 開關設備的現場分級技術：**

**幾何分級：**
所有導體邊緣和端接介面的設計半徑都受到控制。導體半徑之間的關係 rr 和最大場強化係數 kk 是：

k=1+2drk = 1 + \frac{2d}{r}

地點 dd 是絕緣厚度。對於半徑 5mm 的導體，在 20mm 的環氧絕緣中、,k≈9k 約 9 - 意即導體表面的局部磁場是平均磁場的 9 倍。這需要增加導體半徑或在介面使用場分級材料。.

**半導電場分級層：**
在母線接頭、電纜終端和中斷器介面上，塗上一層薄薄的半導體環氧樹脂 (電阻率) 102−104 Ω⋅厘米10^2 - 10^4 鈾? 鈾? Omega\cdot\text{cm}) 應用於導體和大體絕緣之間。. [此層可沿著介面均勻地重新分配電場梯度，消除導體邊緣的電場集中。](https://ieeexplore.ieee.org/document/7483038)[5](#fn-5) 並將峰值磁場降低到無 PD 設計範圍內。.

**電容分級：**
在 XLPE 電纜絕緣層與開關設備環氧絕緣層相接的電纜端接介面上，帶有電容分級層的預模應力錐可在介面邊界上重新分配電場，防止電場集中在電纜屏蔽切回點。.

### 相對誘電率失配考慮因素

固體絕緣系統特有的一個設計挑戰是不同絕緣材料在介面上的相對介電率 (εr)不匹配：

- **澆鑄環氧樹脂：** εr=3.5−4.5\varepsilon_r = 3.5 - 4.5
- **空氣：** εr=1.0\varepsilon_r = 1.0
- **XLPE 電纜絕緣：** εr=2.3\varepsilon_r = 2.3
- **SF6 氣體：** εr=1.006\varepsilon_r = 1.006

在具有不同 εr 值的兩種材料之間的介面上，電場分佈與介電比成反比：

E1E2=εr2εr1\frac{E_1}{E_2} = \frac{\varepsilon_{r2}}{\varepsilon_{r1}}

這表示在環氧樹脂與空氣的介面上，空氣中的磁場比鄰近的環氧樹脂高出 3.5-4.5 倍，這就是為什麼環氧樹脂表面的任何空氣空隙或間隙都會成為局部放電的起始點，其磁場遠低於大量環氧樹脂的設計值。這就是為什麼在 SIS 開關製造過程中，無空隙 APG 鑄造和所有材料介面上的正確電場分級都是不容妥協的品質要求的物理原因。.

## 環氧絕緣系統的規格和品質驗證要求是什麼？

![全面的環氧絕緣測試儀表板，顯示以 IEC 為基礎的驗證資料：整合測試表格 (局部放電、工頻耐受、衝擊、絕緣電阻、CTI、電弧電阻、體積介電強度、空洞檢驗) 與驗收標準 (1000 MΩ IR、>600 V CTI、>180 s 電弧電阻、>180 kV/cm 強度、無 >0.5 mm 空洞)。包括 PD 臨界值圖表 (<5 pC / <10 pC)、耐電壓比較圖表、CTI 與耐弧度儀表，以及斷面空洞分析圖。乾淨的專業資料可視化、3:2 比例、無設備顯示。.](https://voltgrids.com/wp-content/uploads/2026/04/Epoxy-Insulation-System-Specifications-and-Verification-Dashboard-1024x559.jpg)

環氧絕緣系統規格與驗證儀表板

環氧樹脂的介電強度優於空氣，只有在絕緣系統的生產符合無空隙的品質標準，並經過適當的電氣測試驗證後，才能在使用中體現。環氧絕緣系統如果存在製造空隙、介面缺陷或不當的現場分級，其性能可能會比設計良好的空氣絕緣更差 - 因為固體絕緣與空氣不同，在局部放電損壞後不會自我復原。.

### 步驟 1：指定絕緣品質要求

- **局部放電級別：** 指定 PD < 5 pC at 1.5×Um/31.5 \times U_m / \sqrt{3} 個別鑄件的 PD < 10 pC (出廠測試)；PD < 10 pC (出廠測試)。 1.2×Um/31.2 \times U_m / \sqrt{3} 適用於完整安裝組件 (現場驗收測試)
- **介質耐壓：** 指定電源頻率耐壓在 2×Um+1 kV2 \times U_m + 1 \text{ kV} 60 秒，以及 IEC 62271-1 規定的額定 BIL 下的雷擊脈衝耐壓
- **絕緣電阻：** 在出廠驗收和現場調試時，指定 IR > 1,000 MΩ at 2.5kV DC (相間和相對地)
- **抗追蹤性：** 針對所有外露環氧表面，指定 CTI（比較追蹤指數） > 600V (IEC 60112)
- **抗電弧：** 根據 IEC 61621 規定，開關元件相鄰表面的耐電弧時間 > 180 秒

### 步驟 2：驗證製造品質

- **APG 流程認證：** 要求提供證據，證明鑄件是以自動壓力凝膠法製造，並記錄製程參數 (射出壓力、模具溫度、固化週期)
- **個別元件 PD 測試記錄：** 要求每條鑄造母線、CT 和絕緣墊片都要有工廠 PD 測試證書 - 而不是批次抽樣
- **材料認證：** 要求環氧樹脂系統材料資料表，確認介電強度、耐熱等級、CTI 和耐電弧值
- **Void 檢查：** 對於關鍵零件，要求提供 X 光或超音波檢驗記錄，確認沒有直徑 0.5mm 以上的內部空隙

### 步驟 3：匹配標準和認證

- **IEC 60243-1：** 固體絕緣材料的介電強度測量
- **IEC 60270：** 局部放電量測 - 固體絕緣的主要品質驗證標準
- **IEC 60112：** 固體絕緣材料的軌跡電阻 (CTI)
- **IEC 61621：** 固體絕緣材料的抗電弧能力
- **IEC 62271-1：** 高壓開關設備的通用規格 - 介質耐壓要求
- **IEC 62271-200：** 金屬封閉中壓開關器 - 完整面板介質類型測試要求
- **IEC 60587：** 絕緣材料在表面放電條件下的抗電蝕性

### 絕緣驗證測試摘要

| 測試 | 標準 | 接受標準 | 何時應用 |
| 局部放電 | IEC 60270 | < 5 pC，1.5 × Um (元件) | 工廠、每個元件 |
| PD (已安裝組件) | IEC 60270 | 在 1.2 × Um 時 < 10 pC | 現場調試 |
| 功率頻率耐壓 | IEC 62271-1 | 在 2×Um+1kV 下 60s 無故障 | 工廠型式 + 例行測試 |
| 雷擊脈衝耐壓 | IEC 62271-1 | 額定 BIL 無故障 | 工廠型式測試 |
| 絕緣電阻 | IEC 60270 | 2.5kV DC 時 > 1,000 MΩ | 工廠 + 現場調試 |
| 追蹤電阻 (CTI) | IEC 60112 | > 600V | 材料資格 |
| 耐電弧 | IEC 61621 | > 180 秒 | 材料資格 |
| 介電強度（體積） | IEC 60243-1 | > 180 kV/cm | 材料資格 |

### 常見的絕緣規格與驗證錯誤

- **接受批次 PD 測試證書而非個別元件記錄** - 批次中的單個含空隙部件可以通過批次平均測試，但無法通過單個 PD 標準；要求每個澆鑄部件都有單獨的測試記錄
- **安裝後省略現場 PD 測試** - 運輸振動、安裝處理和匯流排接頭組裝會帶來出廠測試時不存在的絕緣缺陷；現場 PD 測試是驗證安裝完整性的唯一可靠方法
- **指定介質耐壓而不指定 PD 等級** - 元件可通過耐壓測試，但其中的空隙會產生低於擊穿臨界值的 PD；PD 測試可偵測出耐壓測試所遺漏的初期缺陷
- **忽略纜線介面的穿透率失配** - 在 XLPE (εr=2.3\varepsilon_r = 2.3)和環氧樹脂 (εr=4.0\varepsilon_r = 4.0不當的端接是導致 IEC-62271-200 開關設備中電纜介面絕緣故障的最常見原因。

## 總結

澆注環氧樹脂與空氣之間的介電強度比較不僅僅是一項材料科學的學術工作 - 它是量化工程的基礎，解釋了固體絕緣開關設備相較於之前的空氣絕緣開關設備在尺寸、性能和環境方面的優勢。環氧樹脂的 6 倍體積介電強度優勢直接轉化為 85% 的間隙減少、抗污染、不受濕度影響和不受海拔影響的性能 - 而無空隙 APG 製造流程和局部放電驗證規範則確保理論上的材料優勢在每個已安裝的面板上都能完全實現。.

**以局部放電等級來指定環氧絕緣的品質，而不僅僅是額定電壓 - 因為在固體絕緣技術中，5 pC 與 50 pC 之間的差異就是 30 年絕緣系統與等待發生的過早故障之間的差異。.**

## 環氧樹脂與空氣的介電強度常見問題集

### **問：與空氣相比，澆注環氧樹脂的介電強度如何？**

**A:** 澆鑄環氧樹脂的體積介電強度為 180-200 kV/cm，而空氣為 30 kV/cm，高出約 6 倍。這使得 SIS 開關設備能夠在 12kV 下以 15-20mm 的固體環氧樹脂取代 120-160mm 的空氣間隙，從而減少 40-60% 面板的佔地面積，同時消除表面污染故障模式。.

### **問：為什麼環氧絕緣的實際設計電場（20-40 kV/cm）遠低於其測量的介電強度（180-200 kV/cm）？**

**A:** 5-10 倍的安全係數考慮到在連續交流應力 (16 億次循環) 下的 30 年老化、3-5 倍額定電壓下的瞬間過電壓事件、熱老化效應，以及任何製造空隙的局部放電侵蝕 - 所有這些都會逐步將介電強度降低到短時間實驗室測量值以下。.

### **問：在工業 MV 應用中，濕度和污染如何影響空氣絕緣與環氧樹脂的介電性能？**

**A:** 高濕度 (> 80% RH) 和表面污染會透過絕緣體爬電路徑的表面導電性，使空氣絕緣耐壓降低 30-50%。SIS 開關設備中的澆鑄環氧樹脂沒有外露的空氣間隙表面 - 污染物無法接觸到主絕緣介質，因此可在污染嚴重程度為 d 級的環境中保持完整的介電性能。.

### **問：環氧樹脂和空氣在絕緣界面上的相對間歇率失配有什麼意義？**

**A:** 在環氧樹脂 (εr = 4.0) 與空氣的介面上，空氣中的電場比相鄰環氧樹脂中的電場高 4 倍。因此，環氧樹脂表面的任何空氣空隙或間隙都會產生高於平均設計電場 4 倍的電場水平 - 在電壓遠低於塊狀材料擊穿臨界值的情況下產生局部放電，這就是為什麼無空隙 APG 鑄造是一個不容商榷的製造要求。.

### **問：驗證 SIS 開關設備中的澆鑄環氧絕緣在使用中是否符合其額定介電強度的正確電氣測試是什麼？**

**A:** 根據 IEC 60270 在 1.5 × Um/√3 (工廠，單個元件：PD < 5 pC) 和 1.2 × Um/√3 (現場調試，已安裝組件：PD < 10 pC) 下進行局部放電測量。PD 測試可偵測到耐壓測試所遺漏的閾值以下空洞和介面缺陷 - 這是長期絕緣完整性的唯一可靠指標。.

1. “「介電強度」、, `https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_strength`. .提供標準大氣條件下均勻空氣間隙的基本擊穿場值。證據作用：統計；來源類型：研究。支援：空氣擊穿場值。. [↩](#fnref-1_ref)
2. “「IEC 60243-1：絕緣材料的電氣強度 - 測試方法」、, `https://webstore.iec.ch/publication/1150`. .定義了固體電介質的標準短時間測試方法和參考值。證據作用：標準；來源類型：標準。支援：環氧短時間介電強度。. [↩](#fnref-2_ref)
3. “「IEC TS 60815-1：用於污染條件下的高壓絕緣體的選擇和尺寸」、, `https://webstore.iec.ch/publication/3725`. .規定了四種標準污染嚴重程度和爬電距離要求。證據作用：標準；來源類型：標準。支援：IEC 污染嚴重程度分類。. [↩](#fnref-3_ref)
4. “「先進材料技術資料」、, `https://www.huntsman.com/about/advanced-materials`. .詳細說明雙酚 A 環氧介電體強度熱降解曲線的技術資料表。證據作用：機制；來源類型：工業。支持：溫度對環氧介電性能的影響。. [↩](#fnref-4_ref)
5. “「中電壓終端的現場分級」、, `https://ieeexplore.ieee.org/document/7483038`. .分析半導體層在絕緣界面消除應力的應用。證據作用：機制；資料來源類型：研究。支持：半導體層的場重分布。. [↩](#fnref-5_ref)