）](https://0Zhen.github.io/posts/high-voltage-insulation-pd/cover.jpg)
隨著變頻器驅動馬達（Inverter-fed Motor）普及，高壓絕緣問題從「低壓工頻」升級為「高頻 PWM 脈衝衝擊」，局部放電（Partial Discharge, PD）成為工程師不得不面對的課題。這篇筆記整理了從磁線規範、介電物理，到 PD 測試實務的完整知識脈絡。
一、磁線規範：NEMA MW 1000 與 MW 35-C
NEMA MW 1000 — 美國磁線總體規範
ANSI/NEMA MW 1000（2025 年後更名為 MW 01000）是美國磁線（Magnet Wire）國家標準，涵蓋圓形、矩形、方形薄膜絕緣銅／鋁磁線，分為三個部分：
- Part 1：通用資訊（定義、尺寸規格、測試條件）
- Part 2：各類型磁線的非尺寸產品規格
- Part 3：測試程序與數值
- Annex H：FIW（全絕緣磁線）專用規範，包含在線高壓連續性測試（Inline HVC）
業界常見的「NEMA 1000」、「MW 1000」、「NEMA MW 1000」均指同一份標準。
NEMA MW 35-C — PEI/PAI 漆包線子規範
MW 35-C 專門針對圓形銅質磁線，採用 Polyesterimide / Polyamideimide 雙層絕緣，熱等級 200°C，對應 IEC 60317-13。
| 項目 | NEMA MW 1000 | NEMA MW 35-C |
|---|---|---|
| 性質 | 磁線總體規範 | 子產品規範 |
| 範圍 | 所有磁線類型 | 圓形銅線／PAI 絕緣 |
| 熱等級 | 視子規範而定 | 200°C |
| 對應 IEC | — | IEC 60317-13 |
MW 1000 的 PD 相關測試
| 測試類型 | 適用規範 | 說明 |
|---|---|---|
| 高壓連續性（HVC） | MW 1000 Part 3 | 偵測針孔，非直接 PD 量測 |
| 介電崩潰電壓 | MW 1000 Part 3 | 破壞性，確認絕緣強度 |
| FIW 在線 HVC | MW 1000 Annex H | 100% 線材掃描，故障電流 18 mA |
| PDIV 測試 | 主要參考 IEC 60270 | MW 1000 未獨立規定，通常由客戶規格指定 |
二、PEI/PAI 漆包線特性
MW 35-C 定義的雙層漆包線結構：
- 底層（Basecoat）：聚酯醯亞胺（PEI）—— 提供基礎介電強度與機械性能
- 面層（Topcoat）：聚醯胺醯亞胺（PAI）—— 提供高耐熱、耐化學性
| 特性 | 說明 |
|---|---|
| 耐熱性 | 熱等級 200°C，熱壽命優異 |
| 機械性能 | 抗刮傷性極佳（PAI 高硬度），繞線性優良 |
| 耐化學性 | 耐溶劑、耐冷媒，適合密閉（Hermetic）應用 |
| 介電性能 | 高介電崩潰電壓，熱塑性流動特性良好 |
與其他磁線比較：
| 特性 | PEI/PAI (MW 35-C) | 純聚酯 (MW 28) | 聚醯亞胺 (MW 16-C) |
|---|---|---|---|
| 熱等級 | 200°C | 155°C | 220°C+ |
| 耐化學性 | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ |
| 機械強度 | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ |
| 成本 | 中等 | 低 | 高 |
三、介電理論基礎
電極化 vs 磁化 — 一個熟悉的類比
做馬達的人對磁化（Magnetization）不陌生：外加磁場 H，材料產生磁化強度 M，兩者合成磁通密度 B。介電極化（Dielectric Polarization）是完全對應的類比：
| 電極化 | 磁化 | |
|---|---|---|
| 驅動場 | 電場 E | 磁場 H |
| 響應量 | 極化強度 P | 磁化強度 M |
| 材料方程 | D = ε₀E + P | B = μ₀(H + M) |
| 線性響應 | P = ε₀χₑE | M = χₘH |
同樣地：
| 電場問題 | 磁場問題 |
|---|---|
| 介電常數 εᵣ | 導磁率 μᵣ |
| 電極化率 χₑ = εᵣ − 1 | 磁化率 χₘ = μᵣ − 1 |
| 氣泡（電場集中） | 氣隙（磁場集中） |
| 介電損 | 磁滯損 |
介電常數 εᵣ 的工程意義
εᵣ 越大，材料被極化的能力越強，越能屏蔽內部電場。氣體 εᵣ ≈ 1，幾乎無極化能力，因此絕緣體中若存在氣泡，電場就會集中在氣泡內部，這正是局部放電的根本起因。
| 材料 | εᵣ |
|---|---|
| 真空／氣體 | ≈ 1 |
| 聚乙烯 (PE) | 2.3 |
| 環氧樹脂 | 3–5 |
| 水 | 80 |
四、高壓放電現象總覽
高壓下的放電現象分為幾種型態，工程上常混淆，這裡一次釐清：
電暈放電（Corona Discharge）
電場強度超過氣體游離場強（空氣 ≈ 3 kV/mm）時，局部氣體游離但未形成完整導電通道。會產生藍紫色光暈、臭氧（O₃）、NOx 與 EMI，是 PD 的一種形式。
輝光放電（Glow Discharge）
需要低氣壓（1～100 Pa），氣體均勻游離，形成穩定自持放電。日光燈、霓虹燈的原理。電流小、不損傷電極，與馬達絕緣關係較小。
電弧放電（Arc Discharge）
電流夠大時形成完整導電通道，溫度極高（數千至數萬 K），具破壞性。電焊、閃電、開關跳弧都是電弧。
（封面圖即為電弧放電實驗，來源：YouTube）
閃絡（Flashover）
沿絕緣體表面發生的放電（非穿透內部）。表面污染 → 漏電流增加 → 乾帶形成 → 局部電弧 → 貫穿通道。常見於戶外高壓礙子與套管。
放電的物理判斷條件
所有放電現象的共同物理基礎：
| 符號 | 意義 |
|---|---|
| qλE_app | 電子走一個平均自由路徑 λ 累積的動能 |
| Wᵢ | 游離能（Ionization Energy） |
| W_b | 化學鍵能（Bond Energy） |
- qλE_app > Wᵢ → 碰撞游離發生，電子雪崩啟動
- W_elec > W_b → 化學鍵斷裂，絕緣材料永久損傷
![電子雪崩崩潰機制：(a) 碰撞游離 (b) 電子倍增 (c) 雪崩通道形成 (d) 化學鍵斷裂導致放電。[3]](fig1-electron-avalanche.png)
電子雪崩崩潰機制：(a) 碰撞游離 (b) 電子倍增 (c) 雪崩通道形成 (d) 化學鍵斷裂導致放電。[3]
五、局部放電（PD）定義與類型
IEC 60270 定義
發生在電極間局部區域的放電，但未完全橋接兩電極之間的絕緣。
這個「未完全橋接」是關鍵：放電是局部的、不完全的，絕緣整體仍維持功能，但會隨時間累積劣化。
PD 的三種類型
![局部放電類型：(a) 內部放電 (b) 表面放電 (c) 電暈放電 (d) 電樹枝通道（Treeing Channel）。[2]](fig4-pd-types.png)
局部放電類型：(a) 內部放電 (b) 表面放電 (c) 電暈放電 (d) 電樹枝通道（Treeing Channel）。[2]
| PD 類型 | 發生位置 | 說明 |
|---|---|---|
| Internal Discharge | 固體絕緣內部氣泡 | 最典型的 PD |
| Surface Discharge | 絕緣體表面 | 表面不完全導通 |
| Corona Discharge | 電極尖端附近氣體 | 電場集中區域游離 |
重要區分：
表面放電（局部，未貫穿）→ Surface Discharge → 屬於 PD ✅
閃絡（貫穿兩電極） → Flashover → 不屬於 PD ❌
絕緣內部的氣泡問題
實際高壓電纜或馬達繞組中，絕緣層內部難免存在製程缺陷或老化造成的空隙（Voids）：
![高壓電纜截面示意：絕緣層中的空隙（Insulation Voids）是局部放電的主要發生位置，空隙越靠近導體，承受電場越強。[1]](fig2-cable-voids.png)
高壓電纜截面示意：絕緣層中的空隙（Insulation Voids）是局部放電的主要發生位置，空隙越靠近導體，承受電場越強。[1] [1]
六、氣泡導致 PD 的物理機制
氣泡為何危險？根本原因在於 εᵣ 的差異：
在串聯介質（絕緣體 + 氣泡）中，電場分配與介電常數成反比：
$$E \propto \frac{1}{\varepsilon_r}$$
[導體] ─── [絕緣體 ε≈3] ─── [氣泡 ε≈1] ─── [絕緣體 ε≈3] ─── [導體]
↑ 電場集中在氣泡
完整因果鏈：
氣泡 εᵣ ≈ 1
↓
極化強度 P ≈ 0（幾乎不極化）
↓
無束縛電荷產生
↓
沒有反向電場削弱內部電場
↓
電場集中 → 碰撞游離 → 局部放電（PD）
一句話記憶：介電常數低 = 極化能力弱 = 無法屏蔽電場 = 電場集中 = PD。
七、PDIV、PDEV、RPDIV
這三個參數是 PD 測試的核心指標：
| 參數 | 全名 | 說明 |
|---|---|---|
| PDIV | Partial Discharge Inception Voltage | 電壓由低→高，首次偵測到 PD 時的電壓 |
| PDEV | Partial Discharge Extinction Voltage | 電壓由高→低，PD 消失時的電壓 |
| RPDIV | Repetitive PDIV | PD 開始穩定重複出現時的電壓 |
數值關係：
低壓 ──→ PDEV ──→ PDIV ──→ RPDIV ──→ BDV（擊穿）
PD消失 PD首次 PD穩定重複 絕緣崩潰
通常 PDEV < PDIV ≤ RPDIV。PDEV < PDIV 是因為遲滯效應：放電一旦啟動，維持放電比重新啟動容易。
階梯電壓法（Step Voltage Method）：紅線為電壓上升路徑，在 corona 起始點（PDIV）後繼續升壓至 Max Working Voltage，再升至崩潰（breakdown）。藍線顯示存在 PDIV 遲滯。
對變頻器驅動馬達而言，RPDIV 比 PDIV 更有工程意義：PDIV 可能只是偶發單次事件，RPDIV 才代表 PD 穩定在每個交流週期重複，持續侵蝕絕緣。
記憶法：PDIV = 第一次看到；RPDIV = 確定會一直來。
八、PD 測試方法
標準電氣法（IEC 60270）
測試電路四大元件：
- 高壓測試變壓器（T）：自身 PD 應 < 5 pC
- 耦合電容（Ck）：1 nF～1 μF，為高頻脈衝提供低阻抗路徑
- 檢測阻抗（Zm）：PD 電流脈衝 → 電壓脈衝
- PD 量測儀器：放大、濾波、輸出 pC 數值
測試前用 PD 校準器注入已知脈衝（如 100 pC），上升時間須 < 60 ns。
六種偵測方法比較
| 方法 | 頻率範圍 | 適用設備 | 特點 |
|---|---|---|---|
| 電氣法（IEC 60270） | 100 kHz～1 MHz | 電纜、變壓器 | 定量（pC），需低雜訊環境 |
| UHF 電磁法 | 300 MHz～1500 MHz | GIS 氣體絕緣開關設備 | 抗干擾強 |
| 聲波法（AE） | 20 kHz～300 MHz | 油浸式變壓器 | TOF 定位放電位置 |
| DGA 化學法 | — | 油浸式設備 | 分析 H₂、CH₄、C₂H₂ |
| UV 相機法 | 紫外線 | 架空線路、戶外設備 | 帶電巡檢目視電暈 |
| HFCT 夾鉗法 | 1 MHz～50 MHz | 電纜接頭／終端 | 夾接地線，不需停電 |
驗收標準參考
| 設備 | 標準 | 驗收準則 |
|---|---|---|
| 高壓電纜（工廠） | IEC 60840 | < 5 pC |
| 電纜（現場安裝後） | IEEE 400.3 | 100～300 pC @ U₀ |
| 變壓器 72.5 kV 以下 | IEC 60076-3 | ≤ 300 pC |
| 馬達／發電機（新品） | IEC 60034-27-1 | < 1000 pC |
PRPD 圖形判斷放電類型
| 圖形特徵 | 放電類型 |
|---|---|
| 正負半週對稱，約 45°/225°（兔耳形） | 內部空洞放電 |
| 正負半週不對稱 | 表面放電 |
| 僅出現在單一半週 | 電暈放電 |
| 脈衝散佈無規律，與相位無關 | 外部雜訊 |
九、馬達絕緣測試總覽
高壓馬達定子繞組含雲母（Mica），是最耐 PD 的材料之一。PD 的發生不代表立即失效，而是隨時間累積劣化，因此需要定期監測。
四種測試的定位：
| 測試 | 類比 | 偵測的問題 |
|---|---|---|
| 絕緣電阻（IR） | 量體溫 | 整體受潮、污染、老化 |
| 交流耐壓（Hi-Pot AC） | 壓力測試 | 對地絕緣能否承受高壓 |
| PD 測試 | X 光 | 絕緣內部潛在空洞劣化 |
| Surge Test | 超音波 | 匝間是否已短路 |
建議執行順序：
IR / PI → Surge Test → Hi-Pot AC → PD 測試
先做 IR 確認夠乾燥，再做 Surge 確認無短路，才做高壓測試，最後用 PD 確認細節。
十、變頻器馬達的絕緣挑戰
頻率越高，問題越嚴重
介電損與頻率成正比：
$$P = f \cdot \varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot \tan\delta \cdot E^2$$
PD 劣化也與頻率成正比——頻率越高，每秒放電次數越多，絕緣劣化速度越快。
| 電源類型 | PD 劣化 | 介電損 | 特點 |
|---|---|---|---|
| DC | 最低 | 幾乎無 | 無過零點，熄弧困難 |
| 工頻 AC（50/60 Hz） | 中 | 中 | 正常運行 |
| 高頻 AC（kHz 以上） | 高 | 高 | 熄弧困難 |
| PWM 脈衝 | 最高 | 高 | 變頻器驅動馬達特別危險 |
材料選擇
| 材料 | 極性 | tan δ | 耐熱等級 |
|---|---|---|---|
| PTFE（鐵氟龍） | 極低 | 極低 | 高 |
| 聚醯亞胺 PI | 中等 | 低 | H 級（180°C+） |
| 聚酯亞胺 PEI | 中等 | 中 | F 級 |
| 聚酯 PET | 較高 | 較高 | B/F 級 |
變頻器專用馬達不只需要耐熱的絕緣材料，更需要在高頻下維持低介電損（低 tan δ），這是選用 PI 漆包線的核心原因，而非只是熱等級的考量。
附錄：重要標準對照
| 標準 | 說明 |
|---|---|
| ANSI/NEMA MW 1000 | 美國磁線總體規範 |
| NEMA MW 35-C | PEI/PAI 圓形銅磁線規範，200°C |
| IEC 60317-13 | MW 35-C 對應 IEC 標準 |
| IEC 60270 | 局部放電測試方法（電氣法） |
| IEC 60034-27-1 | 馬達定子繞組離線 PD 測試 |
| IEC 60034-27-2 | 馬達定子繞組在線 PD 測試 |
| IEC 60076-3 | 變壓器 PD 驗收標準 |
| IEC 60840 | 高壓電纜 PD 驗收標準 |
| IEEE 43 | 絕緣電阻測試（IR/PI） |
| IEEE 400.3 | 電纜現場 PD 測試 |
參考資料
[1] Lectromec. Addressing the Big Questions of Partial Discharge. https://lectromec.com/addressing-the-big-questions-of-partial-discharge/
[2] Rathod, V. B., Kumbhar, G. B., & Bhalia, B. R. (2022). Partial Discharge Detection and Localization in Power Transformers based on Acoustic Emission: Theory, Methods, and Recent Trends. IETE Technical Review, 39(3), 540–552. https://doi.org/10.1080/02564602.2021.1871672
[3] Wang, J., Shen, ZH., Li, W. et al. (2025). Dynamic atomic-scale electron avalanche breakdown in solid dielectrics. Nature Communications, 16, 6465. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61866-z
[4] 電弧放電實驗影片. https://www.youtube.com/watch?v=iO_2NA_eF-Q