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Hochspannungsprüfung für Transformatoren

Eine Erläuterung der AC- und DC-Hochspannungs-Sicherheitsprüfungen und Antworten auf einige häufig gestellte Fragen

1) Hi-Pot-Tests – Wie und warum?

Praktisch alle Transformatoren arbeiten nach dem Induktivitätsprinzip, bei dem aufgrund der Flusskopplung über den Kern eine Primärspannung in einer vollständig isolierten Sekundärwicklung induziert wird.

Obwohl es sich bei Transformatoren um eine ausgereifte Technologie handelt, werden sie aufgrund der einzigartigen Kombination von drei Eigenschaften immer noch häufig eingesetzt.
1) Genaue Spannungstransformation.
2) Keine aktiven oder Festkörperteile – einfach herzustellen.
3) Hervorragende Isolierung durch physische Trennung der Wicklungen.

Es ist natürlich wichtig, dass jede Wicklung gut isoliert ist, damit sie unter normalen Bedingungen funktioniert und langfristige Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet.

Ein häufiger Grund für den Ausfall eines Transformators ist die schlechte Isolierung von Teilen innerhalb des Aufbaus aufgrund versehentlicher Hohlräume oder Brüche in der Isolierung oder Rissen im Lack der Wicklungsdrähte

Solche mechanischen Fehler können jederzeit während der Herstellung, des Transports und der Handhabung auftreten.

Sie sind außerdem weder visuell noch mit der herkömmlichen Niederspannungscharakterisierung (0–240 V) eines Transformatorbetriebs erkennbar.

Daher ist die Prüfung der Isolierung zu einer Notwendigkeit geworden und wird darüber hinaus immer zu 100 % an jedem Teil getestet, niemals aufgrund von Konstruktionsspezifikationen oder durch Teststichproben in der Produktion.

2) Faktoren, die die Hi-Pot-Testspannung beeinflussen.

Um dieses Problem anzugehen und zu erkennen, werden HIPOT-Tests durchgeführt

In der Designphase , um die Eignung der Materialauswahl und des Designs vor der Massenfertigung zu bestätigen. Und,
In der Produktionsphase , um die fortlaufende Wiederholbarkeit der Prozesse zu bestätigen

Um die Betriebssicherheit zum Zeitpunkt der Herstellung und auch über die gesamte Lebensdauer des Transformators zu gewährleisten, werden Konstruktionen immer weit über ihre normalen Betriebsspannungen hinaus getestet.

Die Arbeitsspannung wird üblicherweise als die maximale Spannung definiert, die unter normalen Bedingungen für den Dauerbetrieb der Teile anliegen kann.

In der Industrie ist es allgemein üblich, die Isolation dann bei der doppelten Betriebsspannung plus zusätzlich 1000 V für einen großen Sicherheitsspielraum zu prüfen.
Diese zusätzlichen 1000 V decken die zusätzliche Belastung ab, die durch Einschaltstromstöße und Gegen-EMF-Transienten beim Ein- und Ausschalten verursacht wird.
Die zusätzliche Marge deckt auch die Alterung des Transformators im Laufe der Zeit und mögliche Änderungen der Umgebungsbedingungen ab, unter denen er betrieben wird (Temperatur und Luftfeuchtigkeit können sich beide im Laufe der Zeit auf die Isolierung auswirken).
Beispielsweise würde ein 240-V-Transformator von der Primär- zur Sekundärseite bei 2 x 240 V + 1000 V = 1480 V (typischerweise 1,5 kV) getestet.

Der Hauptfaktor für die erforderliche Isolierung und damit die erforderliche Prüfspannung ist natürlich immer die Endanwendung und jeder UL-/IEC-Industriestandard, den Sie einhalten möchten.
Dies beeinflusst dann die getroffenen Designentscheidungen und das entwickelte Testprotokoll.

In der Vergangenheit galten die IEC- oder UL-Standards getrennt für IT- und Audio-/AV-Geräte

Diese waren ;
IEC 60950 Geräte der Informationstechnik – Sicherheit
IEC 60065 Audio-, Video- und ähnliche elektronische Geräte – Sicherheit

Diese wurden jedoch im Jahr 2020 durch einen neuen kombinierten Standard ersetzt, da die Trennung zwischen diesen beiden aufgrund technologischer Fortschritte weniger sinnvoll ist.

Dieser neue Standard ist;
62368 Audio-/Video-, Informations- und Kommunikationstechnikgeräte.
Dieser neue kombinierte Standard konzentriert sich stärker auf die Sicherheit als allgemeines Thema und erweitert den Anwendungsbereich auf zugekaufte Unterbaugruppen (z. B. Transformatoren), wodurch die Notwendigkeit von Hochspannungsprüfungen in allen Teilen der Lieferkette noch wichtiger wird .

3) Wie wird ein Hi-Pot-Test durchgeführt?

Ein HIPOT-Test wird durchgeführt, indem ein Hochspannungssignal zwischen einer ausgewählten kurzgeschlossenen HI-Seite und einer kurzgeschlossenen LO-Seite des Transformators angelegt wird, wie im Diagramm unten gezeigt.

Typischerweise und als absolutes Minimum würde man alle Primärteile mit allen Sekundärteilen vergleichen, wie gezeigt.

Bei komplexeren Designs können jedoch auch zusätzliche Tests für Primär- und Sekundärteile des Kerns oder eines Primärteils gegen ein anderes Primärteil wünschenswert sein.

Der für den Test angewendete Spannungspegel basiert auf der erwarteten Designisolierung des Teils, die wiederum eine Funktion des verwendeten Wicklungsdrahts und der physischen Trennung der Wicklungen ist.

Nach dem Anlegen der Hochspannung über einen bestimmten Anstiegszeitraum misst das Prüfgerät den Strom zwischen Hoch- und Tiefspannung über einen definierten Zeitraum (als DWELL-Zeit bezeichnet).

Überschreitet in dieser Zeit der gemessene fließende Strom einen definierten Grenzwert, wird das Teil als Fehler eingestuft.


Dieser Fehler könnte von beidem herrühren

1) Ein plötzlicher katastrophaler Ausfall , bei dem die Isolierung dauerhaft zusammengebrochen ist, was zu einer großen momentanen Stromspitze („Flashover“) führt.

oder

2) Eine Strommessung, die stabil ist, aber immer noch über dem von Ihnen gewählten Testgrenzwert liegt (z. B. 2,2 mA, wenn die akzeptable Grenze 1 mA beträgt)


Es ist auch wichtig zu beachten, dass jede Art von Hi-Pot-Tests potenziell schädlich für das Teil ist.

Die einzige Möglichkeit, Schwachstellen im Drahtlack (oder einer Isolationsbarriere) zu finden, besteht darin, bei einer Spannung zu testen, die hoch genug ist, um sicherzustellen, dass die Isolierung allen Spannungsspitzen oder Spannungsspitzen standhalten kann, denen sie während ihrer Betriebslebensdauer ausgesetzt sein könnte.

Externe Standards geben Ihnen Hinweise auf den erforderlichen Spannungspegel, um diesen spezifischen Standard zu erfüllen. Ihr Design kann möglicherweise noch höheren Spannungen standhalten, Sie sollten jedoch vorsichtig sein, wenn Sie die Prüfspannung erhöhen, da Sie schließlich die natürliche Designgrenze der verwendeten Teile erreichen.

4) Arten von Hi-Pot-Fehlermodi

Wie bereits erwähnt, kann ein Transformator einen Hochspannungstest auf zwei Arten nicht bestehen.

Der AT5600 und der AT3600 verfügen beide über zwei unterschiedliche Methoden zur Erkennung dieser Probleme

4.1) Flash-Over.

Ein plötzlicher Überschlag wird von einem Hardware-Auslösekreis unabhängig von den AT-Messkreisen und der Firmware erkannt.
Dies führt zu einem Fehlercode 3400, der auf einen harten Überschlag hinweist.

In diesen Fällen ist jeder Messwert ungültig, da keine stabilen Bedingungen erfüllt waren, wodurch jeder Messwert ungültig ist.
Abhängig von der Auslösezeit kann der AT dies als einen Wert von 0,00 mA oder einen großen Wert von 30 mA+ melden.

In allen Fällen wird der Auslösecode 3400 angezeigt und der Test schlägt fehl.
Diese Ursachen führen normalerweise auch zu einem sichtbaren Funkenüberschlag oder einem hörbaren Funkenriss, wenn das Teil kaputt geht.

4.2) Messfehler

Der zweite Fehlergrund liegt darin, dass der aktuelle Messwert über den von Ihnen gewählten Akzeptanzgrenzen liegt.

In diesen Fällen wird die geforderte Spannung erreicht und über die gesamte Testzeit aufrechterhalten, und der größte in diesem Zeitraum gemessene Strom wird als numerisches Ergebnis zurückgegeben.

In diesen Fällen wird der Fehlercode als „0000“ zurückgegeben, was darauf hinweist, dass stabile Bedingungen erfüllt waren. Der Test kann jedoch trotzdem fehlschlagen, wenn der größte Stromfluss (z. B. 2,2 mA) über dem für den Test angegebenen Maximum (z. B. 1,0 mA) lag. .

5) Sollte ich die Spannungsversorgung mit Wechselstrom oder Gleichstrom testen?

Die Wahl der AC- oder DC-Prüfung hängt weitgehend von der Norm ab, nach der Sie testen, sowie von etwaigen spezifischen Kundenwünschen.
Wechselstrom ist in den meisten Fällen die bevorzugte Methode, es sei denn, Sie testen eine fertige Baugruppe (z. B. EMV-Filter), in die möglicherweise echte Kondensatoren eingebaut sind.

5.1) HPAC – Wechselstrom-Hochleistungsprüfung (0–5 kV Wechselstrom, 50–1000 Hz)

Bei Wechselstromprüfungen ist in der Regel keine lange Hochlaufzeit erforderlich und der Ladungsabfall nach Abschluss der Prüfung erfolgt in der Regel viel schneller, da die natürliche Kapazität des Transformators nicht aufgeladen wird

Der gemessene Strom berücksichtigt jedoch sowohl den Effekt der tatsächlichen (sehr hohen) Widerstandscharakteristik des Transformators als auch den Effekt der kapazitiven Reaktanz zwischen den Wicklungen.

Solange dies verstanden ist und der kapazitive Stromeffekt unter Ihrem Gesamtstrom-Testgrenzwert liegt, kann dies aufgrund der Zeitersparnis bei der Hochlaufzeit immer noch vorzuziehen sein.

5.2) HPDC – DC-Hochspannungsprüfung (0–7 KV DC)

Bei einem DC-HiPot-Signal muss die Hochlaufzeit möglicherweise verlängert werden, damit sich die natürliche Eigenkapazität des Transformators stabilisieren kann.

Wenn es zu schnell ist, kann dies zu einem übermäßigen Stromfluss führen und auf einen falschen Fehler hinweisen.

Diese Methode liefert jedoch einen klaren Hinweis auf den tatsächlichen Widerstandsstromfluss, da die Wechselstromeffekte entfernt werden.

Sowohl die HPAC- als auch die HPDC-Tests des Voltech AT5600 schalten aus Sicherheitsgründen nach jedem Hi-Pot-Test automatisch einen Ableitwiderstand ein, um jegliche im Prüfling verbleibende Ladung zu entfernen.

Dieser Prozess ist intelligent, sodass Sie bei HIPOT-DC-Tests mit größeren und kapazitiveren Transformatoren zusätzliche Testzeit hinzufügen können.

6) Best Practices für AT5600 HIPOT-Tests

Abgesehen von den offensichtlichen Gründen fehlerhafter Isolierung und Montage gibt es verschiedene Probleme, die zum Scheitern des HIPOT-Tests führen können.

Einer der möglichen Gründe könnte darin liegen, wie die HIPOT-Tests konzipiert und durchgeführt wurden.

Jede Messung erfordert stabile und kontrollierte Bedingungen, damit die Messergebnisse wiederholbar und stabil sind und somit einen aussagekräftigen Hinweis auf die Leistung geben.

6.1) Hochlaufzeit

Die Geschwindigkeit, mit der die große Prüfspannung angelegt wird, sollte so berücksichtigt werden, dass bei stabiler Regelung das Maximum erreicht wird.

Dies gilt insbesondere für größere Prüfteile (z. B. Ringkerntransformatoren oder E-Kern-Laminate), bei denen je nach Größe und Kapazität des Transformators eine Hochlaufzeit von 0,5 bis 2,0 Sekunden erforderlich sein kann.

6.2) Vermeiden Sie während des Hi-Pot-Tests nicht verbundene schwebende Knoten.

Zur optimalen Vorgehensweise sollten alle Anschlüsse in der Komponente entweder als HIGH oder LOW ausgewählt werden, um zu verhindern, dass Wicklungen schweben.

Nicht verbundene Anschlüsse oder Knoten tendieren dazu, auf ein unkontrolliertes Potenzial zu schweben, irgendwo zwischen der 0-V-Tiefspannung und der angelegten HOCHspannung.

Dies ist aus messtechnischer Sicht unerwünscht, da diese unkontrollierte Wicklung die Stabilität der ohnehin schon sehr kleinen Strommessung zwischen den gewählten Anschlüssen beeinträchtigen kann.

Dies ist auch aus Sicht der Testsicherheit und des Geräteschutzes unerwünscht, da erdfreie Wicklungen nach Abschluss des Tests aufgeladen bleiben können. Dies gilt wiederum insbesondere für physikalisch größere Transformatoren.

Diese Ladung könnte sich dann möglicherweise auf spätere Niederspannungstests an diesen schwebenden Wicklungen auswirken oder im schlimmsten Fall zu einer versehentlichen Entladung in den AT-Tester führen, wenn dieser versucht, die Wicklung für einen späteren Test anzuschließen.

7) AT5600 HIPOT-Generator und IEC-Standard

Der AT5600 ist so konzipiert, dass er die Transformatorprüfanforderungen von IEC 62368-1 und IEC 61010-1 sowie die UL-Äquivalente erfüllt.

Diese Normen erfordern keine Stromversorgung für die Hochspannungsprüfung der Transformatoren in der Produktion, sondern spezifizieren lediglich die Prüfspannung und die Prüfdauer (auch als „Verweilzeit“ bezeichnet).

Die IEC-Normen ermöglichen eine Verkürzung der Prüfdauer auf 1–2 Sekunden, wenn die Prüfspannung um 20 % über die Anforderung hinaus erhöht wird.

Dies führt offensichtlich zu einer erheblichen Verbesserung des Testdurchsatzes für Hersteller, solange jedes der spezifischen Designs den zusätzlichen 20 % der Testspannung standhält.

Dies müsste vor der vollständigen Umsetzung natürlich durch Chargen-Vortests auf Eignung überprüft werden.

Die IEC-Norm enthält Derating-Diagramme, die die zulässige Verkürzung der Prüfzeit im Vergleich zur entsprechenden erforderlichen Erhöhung der Prüfspannung detaillierter erläutern.

Der AT5600 HIPOT-Generator hat eine Leistung von 250 VA.

Selbst bei einer Wicklungskapazität von bis zu 10 nF beträgt der erforderliche Strom bei 5 kV 60 Hz nur 19,1 mA, was einem VA-Bedarf von nur 96 VA entspricht, so dass der 250 VA über ausreichend Überkapazität verfügt, um selbst für die größten Transformatoren die erforderlichen Spannungen zu erzeugen .

8) FAQ – Häufig gestellte Fragen.

8.1) Ich habe das gleiche Teil mit zwei AT5600 getestet, beide Einheiten lesen beim HPAC/HPDC unterschiedlich

Einheit 1 – 3,2 uA
Einheit 2 – 10,0 uA

Die AT5600s lesen nicht den gleichen kleinen Strom, was soll ich tun?

Antwort:

Wie bei jeder elektrischen Messung erhöht sich der mögliche Fehler im Messwert, wenn das Signal gegen Null tendiert.
HI-Pot-Messungen messen naturgemäß sehr kleine Ströme.
Ein idealer Transformator würde einen HIPOT-Stromwert von Null ergeben.
Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, sich diese Messungen wie einen typischeren DCR-Wert von beispielsweise 2 Ohm vorzustellen, bei dem man Stabilität und Wiederholbarkeit erwartet.

Da der Strom jedoch sehr niedrig ist, sollten Sie damit rechnen, dass solch sehr kleine Messwerte anfällig für das Eigenrauschen des Geräts sind.
Dadurch erhalten Sie möglicherweise eine Reihe von Messwerten für verschiedene Testgeräte, die jedoch immer noch deutlich unter den Anforderungen oder Ihren angegebenen Grenzwerten liegen sollten.

Eine schlechte Isolierung (z. B. Kurzschluss, schwache Emaille zwischen den Wicklungen usw.) würde zu übermäßigen Stromwerten führen, die über Ihren Grenzwerten liegen, oder sogar zu einem harten Überschlag / 3400-Auslöser bei echten defekten Teilen.

Einige Hersteller von Testgeräten entscheiden sich dafür, Ergebnisse unterhalb einer festgelegten Zahl (z. B. 20 uA) als harte „0,00“ zurückzugeben. Wir haben uns jedoch dafür entschieden, immer eine Zahl als Nachweis der Messung anzugeben, auch wenn solch kleine Ergebnisse einer großen (z. B +/- 100%) Fehlertoleranz.

Daher ist es normal, dass bei unterschiedlichen AT-Einheiten leicht unterschiedliche HPAC/HPDC-Werte auftreten, wenn das zu prüfende Teil ein guter Isolator ist und die Strommessung von Natur aus sehr klein ist.

8.2) Mein AT5600 gibt 3400 Fehlercodes aus, auch wenn ich die vom HIPOT angeforderte Spannung reduziere.

Welche Schritte zur Fehlerbehebung gibt es, um dieses Problem zu beheben?

Antwort:

Es gibt Dinge, die den 3400 TRIP beim AT5600 verursachen könnten.

1, Halterungsplatte verwendet – die Halterung selbst könnte verunreinigt sein oder nicht genügend Freiraum für die erforderliche Spannungsabschaltung haben. (Eine gute Faustregel ist mindestens 1 mm pro 1000-V-Abstand)
2, Ein wirklich schlechtes Teil.
3, Große natürliche Kapazität des Teils (bei größeren Transformatoren – in diesen Fällen die RAMP-UP-Zeit erhöhen).

Der Auslösemechanismus des AT5600 wird während des HIPOT-Tests aktiviert, wenn ein Kurzschluss oder ein übermäßiger Strom gemessen wurde.
Wenn die Auslösung in mehreren Teilen erfolgt, von denen Sie vermuten, dass sie tatsächlich „gut“ sind, sollten Sie das verwendete Gerät überprüfen.
Mit den folgenden beiden Tests können Sie die Vorrichtung und das Gerät schnell testen.

1. Ausführen des Programms (idealerweise 4-5 Mal) und direkt aus dem AT-Editor, mit montiertem Gerät, aber KEINEM UUT.

Da kein Teil vorhanden ist, müssen Sie damit rechnen, dass die Messtests (z. B. R, LS, RLS, Z, MAGI usw.) fehlschlagen.
Ein von Ihnen programmierter HPAC- oder HPDC-Test sollte jedoch bestanden werden
Wenn die HPAC/HPDC-Tests fehlschlagen, ohne dass ein UUT angebracht ist, isoliert das Gerät die Knoten nicht ordnungsgemäß.

Untersuchen Sie das Gerät auf
A, Anzeichen von Kontamination auf der Oberseite.
B, die Trennung der Verkabelung innerhalb des Geräts – Drähte sollten sich nicht kreuzen, da dies zu „Übersprechen“ führen kann.

2. Führen Sie das Programm auf dem Gerät aus, ohne dass ein Gerät und kein UTT angeschlossen ist.

Wie oben wird hiermit die Hipot-Integrität des Geräts getestet
Da kein Teil vorhanden ist, müssen Sie damit rechnen, dass die Messtests (z. B. R, LS, RLS, Z, MAGI usw.) fehlschlagen.
Ein von Ihnen programmierter HPAC- oder HPDC-Test sollte jedoch entfallen
Wenn bei Ihnen ein HPAC- oder HPDC-Fehler auftritt und kein Gerät angeschlossen ist, kontaktieren Sie uns bitte.

8.3) Der Bildschirm meines AT5600 flackert während des HIPOT-Tests plötzlich. Ist mein Gerät defekt?

Antwort:

Jeder Hochspannungstest (insbesondere bei größeren Signalen von bis zu 3–5 kV) kann zu EMI-Emissionen durch die Luft führen.
Aufgrund der relativen Nähe Ihres UUT zum AT5600-Bildschirm könnte der große Bildschirm des AT5600 diese Energie aufnehmen.

Dies kann bei diesen Tests zu einem Flackern des Bildschirms führen, ist jedoch nur ein optischer Effekt und hat keinen Einfluss auf den digitalen Betrieb des Geräts.
Solange der Test noch kontrolliert und aufrechterhalten wird und der AT5600 in der Lage ist, den Test abzuschließen, ist dies ein erwartetes Verhalten und sollte keinen Anlass zur Sorge geben.