引言

因出色的導(dǎo)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(wèn)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(gè)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(duì)于塑料寬泛的解釋：以單體為原料，通過(guò)加聚或縮聚反應(yīng)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(yīng)用工程師的角度出發(fā)，即使我們沒(méi)有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)高壓絕緣知識(shí)，只要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)保證電氣間隙、爬電距離這兩個(gè)指標(biāo)達(dá)到要求，就基本可以保證設(shè)計(jì)的高壓系統(tǒng)絕緣不會(huì)出大問(wèn)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(huì)產(chǎn)生頗為壯觀的電弧，當(dāng)距離拉開后，電弧消失。電弧的產(chǎn)生是因?yàn)閺?qiáng)電場(chǎng)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(gè)現(xiàn)象就很好說(shuō)明了只要保持一定距離，那么兩個(gè)高壓零件之間的空氣絕緣就沒(méi)有問(wèn)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(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)看看GBT4939（信息技術(shù)設(shè)備安全）中對(duì)于爬電距離的基本要求：

爬電距離的尺寸應(yīng)當(dāng)確保在給定的工作電壓和污染等級(jí)下不會(huì)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(gè)陌生的名詞—閃絡(luò)，行業(yè)內(nèi)對(duì)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(shí)，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(guò)氣隙放電，也就是說(shuō)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(shí)驗(yàn)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(yīng)該注意的是，這不僅涉及表面干燥、清潔時(shí)的特性，還應(yīng)考慮表面潮濕、污染時(shí)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(huì)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(lái)解釋兩者在測(cè)量上的差異（不過(guò)多拓展，有興趣可以查看IEC60950，實(shí)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(gè)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(duì)電流的阻抗，用來(lái)表征材料的電性質(zhì)，單位是Ω·m。
塑料絕緣材料在電場(chǎng)下，也會(huì)有很小的電流通過(guò)，所以體積電阻率的測(cè)試方法就是將材料在要求電壓下保持規(guī)定時(shí)間，并測(cè)量所產(chǎn)生的電流。
為了理解不同材料的差異，我們先來(lái)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(shuō)分子有極性是說(shuō)這個(gè)分子內(nèi)電荷分布不均勻，或者說(shuō)，正負(fù)電荷中心沒(méi)有重合。分子的極性取決于分子內(nèi)各個(gè)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(lái)說(shuō)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(gè)結(jié)論，后面還會(huì)用到），NH3就是典型的極性分子。

2.介電強(qiáng)度（Dielectric strength）

介電強(qiáng)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(guò)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(cè)量介電強(qiáng)度，單位是kV/mm。介電強(qiáng)度越大，對(duì)電荷的束縛能力的上限就越大越強(qiáng)。

1. 相對(duì)漏電起痕指數(shù)（Comparative Tracking Index ( CTI )
相對(duì)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(méi)有形成漏電痕跡的***高電壓值。我們可以簡(jiǎn)單的理解為塑料抗污染的能力。
如果大家對(duì)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(méi)關(guān)系，我們?cè)贉亓?xí)下前文內(nèi)容。
實(shí)驗(yàn)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(yīng)該注意的是，這不僅涉及表面干燥、清潔時(shí)的特性，還應(yīng)考慮表面潮濕、污染時(shí)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(gè)失效的過(guò)程：

(1)首先材料表面存在潮濕與污穢+電場(chǎng)足夠大時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)達(dá)到放電場(chǎng)強(qiáng)而導(dǎo)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(dǎo)電率高，此處的電場(chǎng)密度集中于該碳化部分，引起放電的重復(fù)發(fā)生，在其周圍產(chǎn)生更多的碳化物，形成碳化導(dǎo)電路，并向電極方向伸展，***終導(dǎo)致短路

除了上述幾個(gè)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?zāi)芰Α⒛途植糠烹娔芰Γń^緣材料含有雜質(zhì)、氣孔等，導(dǎo)致局部放電）等。

三、高壓絕緣塑料特性—機(jī)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(jī)械性能要求。塑料材料機(jī)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(lái)看下高分子材料常見的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

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

2.斷裂延伸率（Elongation at break）材料在拉伸斷裂后，總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距長(zhǎng)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(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等。材料供應(yīng)商提供的物性表中的值一般來(lái)說(shuō)都是常溫下測(cè)得，也不包含材料的耐久老化（在高分子材料的使用過(guò)程中, 由于受到熱、氧、水、光、微生物、化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素的綜合作用， 高分子材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化， 物理性能也會(huì)相應(yīng)變壞, 如發(fā)硬、發(fā)粘、變脆、變色、失去強(qiáng)度等， 這些變化和現(xiàn)象稱為老化）。

所以在材料選型過(guò)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(gè)非常重要的指標(biāo)—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(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(wú)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(yán)重。當(dāng)然，溫度的提升并不全部是壞處，有時(shí)會(huì)提高材料的某些參數(shù)，比如我們關(guān)注的拉伸強(qiáng)度。

作為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的高壓絕緣零件，在某些場(chǎng)合下，我們會(huì)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(píng)估塑料材料是否耐不耐油，可以從以下兩點(diǎn)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(duì)較高的，因此材料供應(yīng)商并不會(huì)每個(gè)牌號(hào)都會(huì)進(jìn)行老化數(shù)據(jù)測(cè)試。所以在沒(méi)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(lái)代表材料短期的受熱能力。

熱變形溫度是負(fù)荷撓曲溫度的通俗說(shuō)法。它是高溫下測(cè)定塑料剛性的一種方法：在一定負(fù)荷下，以一定速度持續(xù)加溫，直到式樣顯示指示變形量時(shí)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(huì)添加各種添加劑，這就猶如燒菜時(shí)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(guò)于玻纖（無(wú)機(jī)非金屬材料，能有效的提高材料的拉伸強(qiáng)度），即材料牌號(hào)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(wèn)題有兩個(gè)。

1. 價(jià)格

以玻纖為例，GF40材料比GF30材料，玻纖含量高，拉伸強(qiáng)度高，是不是價(jià)格也更貴一點(diǎn)呢？

其實(shí)不然，玻纖的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)玻纖提高拉伸強(qiáng)度的同時(shí)，其他參數(shù)會(huì)變差，如塑性。這種此消彼長(zhǎng)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(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)大致了解下除了V0還有哪些阻燃等級(jí)。可燃性UL94等級(jí)是應(yīng)用***廣泛的塑料材料可燃性能標(biāo)準(zhǔn)，它用來(lái)評(píng)價(jià)材料在被點(diǎn)燃后熄滅的能力。UL94共12個(gè)防火等級(jí)，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(diǎn)看下HB和V0。HB是UL94標(biāo)準(zhǔn)中***低的阻燃等級(jí)。試驗(yàn)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(dòng)到試片另一端接觸樣品 6mm，并計(jì)時(shí) 30±1 秒后移開，待試片燒至 25mm 標(biāo)記時(shí)，啟動(dòng)另一計(jì)時(shí)器。若在 30±1 秒內(nèi)就燒至 25 mm 的標(biāo)記時(shí)，啟動(dòng)另一計(jì)時(shí)器，并將本生燈移開。V0的試驗(yàn)時(shí)也稱為50w垂直燃燒測(cè)試，這是因?yàn)槿紵哪芰吭?0w左右。試驗(yàn)方法是本生燈（火焰高度20mm左右）接觸樣品下方中心點(diǎn)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(shí)間。自燃停止后，馬上進(jìn)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(shí)間及火焰熄滅后的熾紅時(shí)間。

從測(cè)試規(guī)范以及要求限值來(lái)看，V0阻燃等級(jí)是高于HB，這也就是為什么新能源汽車行業(yè)會(huì)出現(xiàn)阻燃性V0要求之一。那么對(duì)于這樣的要求，原本HB阻燃的材料就無(wú)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(hào)。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(qiáng)度和韌性會(huì)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(duì)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(diǎn)問(wèn)題，其帶來(lái)的社會(huì)影響巨大，這在一定程度上推動(dòng)了對(duì)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(wèn)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(diǎn)火源三個(gè)條件同時(shí)具備的情況下，可燃物才能發(fā)生燃燒。對(duì)于電驅(qū)系統(tǒng)而言，密封等級(jí)一般IP67，內(nèi)部零件以金屬為主，從這個(gè)角度出發(fā)出發(fā)，電驅(qū)系統(tǒng)因材料阻燃性失效導(dǎo)致的的嚴(yán)重度、頻度、探測(cè)度都是比較低的。當(dāng)然對(duì)于設(shè)計(jì)而言，是精益求精的過(guò)程，沒(méi)有***好的選擇，只有更好的選擇。

權(quán)衡價(jià)格、性能、制造、等多方面方面因素，在目前的階段，我認(rèn)為電驅(qū)系統(tǒng)技從工程角度來(lái)說(shuō)是不需要把V0阻燃作為硬性要求，當(dāng)然有V0能力那當(dāng)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(dá)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(jué)就是剛的一塌糊涂，穩(wěn)定的像個(gè)“龜殼”，這個(gè)“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(gè)“龜殼”，那應(yīng)該也很穩(wěn)定咯？是的，PBT學(xué)名聚對(duì)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(shuō)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(shí)候又被叫做“PA6T”。PPA是以間苯二甲酸、對(duì)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(guò)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(dāng)然價(jià)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(duì)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(yīng)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(jì)選型過(guò)程中需要重點(diǎn)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(wèn)題的答案也就自然而然的出來(lái)了。當(dāng)材料無(wú)法更改，那么合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可以規(guī)避材料本身的不足。當(dāng)結(jié)構(gòu)無(wú)法調(diào)整，那么合理的材料選型時(shí)可以規(guī)避設(shè)計(jì)的不足。實(shí)際工作過(guò)程中，我們也遇到過(guò)韌性好的零件開裂，也遇到過(guò)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(gè)不錯(cuò)的選擇，當(dāng)然更換一個(gè)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)

接下來(lái)，我們來(lái)談下高壓絕緣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。也就是前面談到的那些參數(shù)限值多少問(wèn)題。

關(guān)于電氣間隙與爬電間隙：新能源電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)解讀與拓展：電器間隙與爬電距離，對(duì)現(xiàn)有的國(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)的收集，大家可以參考。但需要注意的是，這些標(biāo)準(zhǔn)里的限值并不是硬性的指標(biāo)，而是參考。

有些參數(shù)我們很容易根據(jù)系統(tǒng)工況進(jìn)行限定，比如根據(jù)CAE分析對(duì)材料拉伸強(qiáng)度進(jìn)行要求，根據(jù)系統(tǒng)***高溫度對(duì)材料HDT進(jìn)行要求 。但體積電阻率、介電強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致開裂，但脆只是一個(gè)特性。多脆會(huì)導(dǎo)致失效呢？對(duì)于同一個(gè)大類，PPS通過(guò)增加添加劑可以提高韌性，而PPA增加添加劑后也可能會(huì)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(yīng)用提供機(jī)遇。

來(lái)源：調(diào)皮的jinx公眾號(hào) 汽車材料專家于斌先生