引言

因出色的導電性，銅排是新能源電驅(qū)系統(tǒng)高壓承載的零件之一。由于空間問題，高壓銅排之間或者銅排與殼體之間的間隙往往很小。在這樣的情況下，就需要一個絕緣材料將彼此隔開。

絕緣材料有很多種，比如玻璃、陶瓷就是很好的絕緣材料，在電驅(qū)系統(tǒng)中常用的絕緣材料是塑料。

對于塑料寬泛的解釋：以單體為原料，通過加聚或縮聚反應聚合而成的高分子化合物，主要成分是樹脂。

一、高壓絕緣關(guān)注什么？

從應用工程師的角度出發(fā)，即使我們沒有系統(tǒng)的學習過高壓絕緣知識，只要根據(jù)標準保證電氣間隙、爬電距離這兩個指標達到要求，就基本可以保證設(shè)計的高壓系統(tǒng)絕緣不會出大問題了。

那么為什么電氣間隙和爬電距離這么重要呢?

1. 保持電氣間隙很容易理解。在高壓線路開閉的瞬間，兩極之間會產(chǎn)生頗為壯觀的電弧，當距離拉開后，電弧消失。電弧的產(chǎn)生是因為強電場使空氣分子被電離，也就是發(fā)生了所謂的絕緣失效—空氣介質(zhì)擊穿。這個現(xiàn)象就很好說明了只要保持一定距離，那么兩個高壓零件之間的空氣絕緣就沒有問題。

2. 為什么需要保持爬電距離？什么是爬電距離？在回答這個問題之前，我們先來看看GBT4939（信息技術(shù)設(shè)備安全）中對于爬電距離的基本要求：

爬電距離的尺寸應當確保在給定的工作電壓和污染等級下不會出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)或絕緣擊穿（例如，由于電痕化引起）。

這里出現(xiàn)了一個陌生的名詞—閃絡(luò)，行業(yè)內(nèi)對閃絡(luò)解釋是指固體絕緣子周圍的氣體或液體電介質(zhì)被擊穿時，沿固體絕緣子表面放電的現(xiàn)象。前面我們談到的保持電氣間隙，是為了防止通過氣隙放電，也就是說保持爬電距離是為了防止另外一種區(qū)別于空氣擊穿的高壓絕緣失效。

實驗表明：沿固體介質(zhì)表面的閃絡(luò)電壓不但要比同體介質(zhì)本身的擊穿電壓低得多，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。應該注意的是，這不僅涉及表面干燥、清潔時的特性，還應考慮表面潮濕、污染時的特性，顯然，在后一種情況下的沿面閃絡(luò)電壓必然降得更低。這，就是我們會什么要保持爬電距離的根本原因。

在了解了電氣間隙和爬電距離的意義后，以下面兩張圖來解釋兩者在測量上的差異（不過多拓展，有興趣可以查看IEC60950，實線是電氣間隙，虛線是爬電距離）。

二、高壓絕緣塑料特性—電氣

前面談到高壓絕緣失效常見兩種模式有兩種：擊穿和閃絡(luò)，這是分析塑料材料的電氣絕緣特性的一個基礎(chǔ)。那么塑料材料電氣性能相關(guān)的參數(shù)有哪些呢？具體又是如何影響電氣性能？

 1. 體積電阻率（Volume resistivity）

體積電阻率，是材料每單位體積對電流的阻抗，用來表征材料的電性質(zhì)，單位是Ω·m。
塑料絕緣材料在電場下，也會有很小的電流通過，所以體積電阻率的測試方法就是將材料在要求電壓下保持規(guī)定時間，并測量所產(chǎn)生的電流。
為了理解不同材料的差異，我們先來了解分子極性，這是理解塑料材料電熱性能的紐帶，非常重要！

我們說分子有極性是說這個分子內(nèi)電荷分布不均勻，或者說，正負電荷中心沒有重合。分子的極性取決于分子內(nèi)各個鍵的極性以及它們的排列方式。

通俗理解，就是極性代表活潑，非極性就是不活潑。所以一般來說非極性高分子的電阻率要略大于極性高分子的電阻率。我們比較熟悉的苯就是典型非極性分子（記住這個結(jié)論，后面還會用到），NH3就是典型的極性分子。

2.介電強度（Dielectric strength）

介電強度，是材料抗高電壓而不產(chǎn)生介電擊穿能力的量度，將試樣放置在電極之間，并通過一系列的步驟升高所施加的電壓直到發(fā)生介電擊穿，以此測量介電強度，單位是kV/mm。介電強度越大，對電荷的束縛能力的上限就越大越強。

1. 相對漏電起痕指數(shù)（Comparative Tracking Index ( CTI )
相對漏電起痕指數(shù)是指材料表面能經(jīng)受住50滴電解液（0.1%氯化銨水溶液）而沒有形成漏電痕跡的***高電壓值。我們可以簡單的理解為塑料抗污染的能力。
如果大家對前面爬電距離的解釋還有印象的話，那么就更能理解為什么爬電距離要和CTI扯上關(guān)系。忘記的話沒關(guān)系，我們再溫習下前文內(nèi)容。
實驗表明：沿固體介質(zhì)表面的閃絡(luò)電壓不但要比同體介質(zhì)本身的擊穿電壓低得多，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。應該注意的是，這不僅涉及表面干燥、清潔時的特性，還應考慮表面潮濕、污染時的特性，顯然，在后一種情況下的沿面閃絡(luò)電壓必然降得更低。

整個失效的過程：

(1)首先材料表面存在潮濕與污穢+電場足夠大時，表面將有漏電流產(chǎn)生

(2)在電流的焦耳熱作用下，水分被蒸發(fā)，表面液膜的分離形成的縫隙（稱為干燥帶）

(3)在干燥帶形成瞬間液膜間場強達到放電場強而導致放電

(4)放電產(chǎn)生的熱量使材料表面局部碳化

(5)由于碳化生成物的導電率高，此處的電場密度集中于該碳化部分，引起放電的重復發(fā)生，在其周圍產(chǎn)生更多的碳化物，形成碳化導電路，并向電極方向伸展，***終導致短路

除了上述幾個參數(shù)以外，塑料電性能相關(guān)參數(shù)還有耐電弧能力（干燒）、耐電暈能力、耐局部放電能力（絕緣材料含有雜質(zhì)、氣孔等，導致局部放電）等。

三、高壓絕緣塑料特性—機械
絕緣材料首先要滿足的是高壓絕緣要求，其次要滿足的是系統(tǒng)機械性能要求。塑料材料機械失效比較容易理解，常見的失效模式有斷、裂、碎。在討論性能參數(shù)之前，我們先來看下高分子材料常見的應力—應變曲線。

1 拉伸強度（tensile strength）
抗拉強度表征材料***大均勻塑性變形的抗力，測試過程中試樣拉伸至斷裂的過程中，***大的拉伸應力就是拉伸強度，單位MPa

2.斷裂延伸率（Elongation at break）材料在拉伸斷裂后，總伸長與原始標距長度的百分比。工程上常將δ≥5%的材料稱為塑性材料；把δ≤5%的材料稱為脆性材料。換言之，斷裂延伸率越大，材料越脆。
高壓絕緣塑料特性—熱性能

前面我們討論了很多塑料材料關(guān)鍵參數(shù)：體積電阻率、介電強度、拉伸強度等。材料供應商提供的物性表中的值一般來說都是常溫下測得，也不包含材料的耐久老化（在高分子材料的使用過程中, 由于受到熱、氧、水、光、微生物、化學介質(zhì)等環(huán)境因素的綜合作用， 高分子材料的化學組成和結(jié)構(gòu)會發(fā)生一系列變化， 物理性能也會相應變壞, 如發(fā)硬、發(fā)粘、變脆、變色、失去強度等， 這些變化和現(xiàn)象稱為老化）。

所以在材料選型過程，除了看常溫下的物性表，更需要關(guān)注材料關(guān)鍵參數(shù)在不同溫度不同環(huán)境下的老化以后的性能。

談到老化，我們首先需要了解材料的一個非常重要的指標—玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是指由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)所對應的溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變是非晶態(tài)高分子材料固有的性質(zhì)，是高分子運動形式轉(zhuǎn)變的宏觀體現(xiàn)。通俗理解，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，塑料被“凍結(jié)”，幾乎無老化；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，塑料材料開始老化，溫度越高，老化越嚴重。當然，溫度的提升并不全部是壞處，有時會提高材料的某些參數(shù)，比如我們關(guān)注的拉伸強度。

作為電驅(qū)動系統(tǒng)中的高壓絕緣零件，在某些場合下，我們會需要考慮材料的耐油性。由于高聚合物分子自身的特性，油溶劑分子可以滲透到內(nèi)部。而影響滲透的因素主要有材料結(jié)構(gòu)、玻璃轉(zhuǎn)化溫度、結(jié)晶性能，所以在評估塑料材料是否耐不耐油，可以從以下兩點出發(fā)。在相同溫度下，玻璃轉(zhuǎn)化溫度越低，越容易滲透油液滲透發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)域，因此結(jié)晶度較高的材料不容易發(fā)生透

但是獲得材料的老化數(shù)據(jù)成本是相對較高的，因此材料供應商并不會每個牌號都會進行老化數(shù)據(jù)測試。所以在沒有這些老化數(shù)據(jù)之前，我們一般以材料的熱變形溫度(Heat deflection temperature, HDT)，來代表材料短期的受熱能力。

熱變形溫度是負荷撓曲溫度的通俗說法。它是高溫下測定塑料剛性的一種方法：在一定負荷下，以一定速度持續(xù)加溫，直到式樣顯示指示變形量時的溫度。

四、高壓絕緣塑料特性—添加劑

為了滿足不同性能要求，塑料材料經(jīng)常會添加各種添加劑，這就猶如燒菜時添各種佐料一般。塑料材料***常見的添加劑，也是我們***熟悉的莫過于玻纖（無機非金屬材料，能有效的提高材料的拉伸強度），即材料牌號后面的英文字符GF。其他的添加劑還有很多，比如熱穩(wěn)定劑/抗氧化劑/發(fā)泡劑/阻燃劑。關(guān)于添加劑遇到的比較多的問題有兩個。

1. 價格

以玻纖為例，GF40材料比GF30材料，玻纖含量高，拉伸強度高，是不是價格也更貴一點呢？

其實不然，玻纖的價格遠遠的低于塑料基材。玻纖多，基材就少，物料成本反而低，另外通過玻纖提高拉伸強度的同時，其他參數(shù)會變差，如塑性。這種此消彼長的副作用，需要我們慎重的去抉擇。

五、電驅(qū)系統(tǒng)需要V0阻燃嗎？

回到這個問題之前，我們先來大致了解下除了V0還有哪些阻燃等級。可燃性UL94等級是應用***廣泛的塑料材料可燃性能標準，它用來評價材料在被點燃后熄滅的能力。UL94共12個防火等級，分別是：HB，V-0，V-1，V-2， 5VA，5VB，VTM-0，VTM-1，VTM-2，HBF， HF1，HF2。

在這里我們重點看下HB和V0。HB是UL94標準中***低的阻燃等級。試驗方法是水平夾住試片的一端與水平成 45±2 度，取一鐵網(wǎng)，水平固定在試片下方 10±1mm，將本生燈（火焰高度20mm左右）成 45 度，移動到試片另一端接觸樣品 6mm，并計時 30±1 秒后移開，待試片燒至 25mm 標記時，啟動另一計時器。若在 30±1 秒內(nèi)就燒至 25 mm 的標記時，啟動另一計時器，并將本生燈移開。V0的試驗時也稱為50w垂直燃燒測試，這是因為燃燒的能量在50w左右。試驗方法是本生燈（火焰高度20mm左右）接觸樣品下方中心點燃燒 10±0.5 秒后，以 300mm/s 的速度移開本生燈，距離試片至少 150mm，并記錄***次的自燃時間。自燃停止后，馬上進行第二次燃燒，燃燒 10±0.5 秒后，移開本生燈，并記錄第二次自燃時間及火焰熄滅后的熾紅時間。

從測試規(guī)范以及要求限值來看，V0阻燃等級是高于HB，這也就是為什么新能源汽車行業(yè)會出現(xiàn)阻燃性V0要求之一。那么對于這樣的要求，原本HB阻燃的材料就無法滿足新的要求，必須采取措施提升阻燃性，***常見的方法就是增加阻燃劑。所以我們可以看到同樣大類的材料，比如PPA，就有HB阻燃和V0阻燃不同牌號。在現(xiàn)階段的技術(shù)水平下，阻燃添加劑的副作用相比玻纖是巨大的，不僅拉伸強度和韌性會大打折扣（特別是熔接痕處），并且大部分阻燃劑在高溫下易分解，釋放出酸性物質(zhì)，對金屬具有腐蝕作用。

新能源汽車燒毀一直是備注關(guān)注的焦點問題，其帶來的社會影響巨大，這在一定程度上推動了對行業(yè)內(nèi)塑料零件阻燃性提高的重視。

回到我們要討論的問題：新能源電驅(qū)系統(tǒng)需要V0阻燃嗎？

只有在可燃物、助燃物、點火源三個條件同時具備的情況下，可燃物才能發(fā)生燃燒。對于電驅(qū)系統(tǒng)而言，密封等級一般IP67，內(nèi)部零件以金屬為主，從這個角度出發(fā)出發(fā)，電驅(qū)系統(tǒng)因材料阻燃性失效導致的的嚴重度、頻度、探測度都是比較低的。當然對于設(shè)計而言，是精益求精的過程，沒有***好的選擇，只有更好的選擇。

權(quán)衡價格、性能、制造、等多方面方面因素，在目前的階段，我認為電驅(qū)系統(tǒng)技從工程角度來說是不需要把V0阻燃作為硬性要求，當然有V0能力那當然是***好的。

六、高壓絕緣塑料特性—材料選型

塑料材料種類繁多，以巴斯夫塑料產(chǎn)品金字塔為例（不同公司，存在些許差異），多達40余種。

在電驅(qū)系統(tǒng)中常見有5種：PA6、PA66、PPA、PPS、PBT。

PPS是聚醚類塑料，分子式給人的***感覺就是剛的一塌糊涂，穩(wěn)定的像個“龜殼”，這個“龜殼”就是苯，苯具有不同于飽和化合物的性質(zhì)，不易加成、不易氧化、碳環(huán)異常穩(wěn)定，這些性質(zhì)總稱為芳香性(非極性或弱極性)。

PBT也有一個“龜殼”，那應該也很穩(wěn)定咯？是的，PBT學名聚對苯甲酸丁二醇酯，屬于芳香族聚酯，也具有前面談到的芳香性。

PA6、PA66就是我們生活中常常提到的尼龍類（聚酰胺俗稱尼龍（Nylon））。如果說芳香性材料是“悶”的性格，穩(wěn)重；那么尼龍就屬于“開朗”的性格，兼容***。

也許有讀者發(fā)現(xiàn)了，前面談到5種常見塑料，為什么只有4種分子式，還有一種呢？PPA去哪了？

PPA比較特殊，有時候又被叫做“PA6T”。PPA是以間苯二甲酸、對苯二甲酸、己二酸和己二胺之間縮聚形成的聚合物的共混物，是一種半結(jié)晶性的半芳香尼龍。***常見的共混方式莫過于PA6T/66，既是芳香又是尼龍，所以PPA的綜合性能非常優(yōu)異，當然價格也不菲，畢竟是特種尼龍。

那么電驅(qū)系統(tǒng)絕緣結(jié)構(gòu)零件該選什么材料呢？

對于開裂的直觀理解就是材料太脆（斷裂延伸率小），在溫度交變和大應力作用下容易發(fā)生。因此材料的脆性是在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計選型過程中需要重點關(guān)注的參數(shù)。

前面談到，尼龍的韌性天生優(yōu)異芳香性材料，考慮到脆性失效，是不是不能用芳香性材料？

但前面又談到尼龍的熱穩(wěn)定性是天生不如芳香性材料，考慮到老化失效，是不是不能用尼龍了？這樣的比喻或許有些極端，但之前問題的答案也就自然而然的出來了。當材料無法更改，那么合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是可以規(guī)避材料本身的不足。當結(jié)構(gòu)無法調(diào)整，那么合理的材料選型時可以規(guī)避設(shè)計的不足。實際工作過程中，我們也遇到過韌性好的零件開裂，也遇到過韌性不好的零件開裂。解決方法有很多，比如增加厚度就是一個不錯的選擇，當然更換一個韌性更好的材料也是比較常用的快速解決方案。

七、高壓絕緣設(shè)計標準

接下來，我們來談下高壓絕緣設(shè)計標準。也就是前面談到的那些參數(shù)限值多少問題。

關(guān)于電氣間隙與爬電間隙：新能源電驅(qū)動系統(tǒng)標準解讀與拓展：電器間隙與爬電距離，對現(xiàn)有的國家/行業(yè)標準進行了系統(tǒng)的收集，大家可以參考。但需要注意的是，這些標準里的限值并不是硬性的指標，而是參考。

有些參數(shù)我們很容易根據(jù)系統(tǒng)工況進行限定，比如根據(jù)CAE分析對材料拉伸強度進行要求，根據(jù)系統(tǒng)***高溫度對材料HDT進行要求 。但體積電阻率、介電強度、斷裂延伸率等參數(shù)呢？

回到前面的材料脆性討論，材料脆會導致開裂，但脆只是一個特性。多脆會導致失效呢？對于同一個大類，PPS通過增加添加劑可以提高韌性，而PPA增加添加劑后也可能會降低韌性.電驅(qū)系統(tǒng)的高壓化、輕量化的發(fā)展給塑料材料的應用提供機遇。

來源：調(diào)皮的jinx公眾號 汽車材料專家于斌先生

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