

用于测量在允许电压下不导电的材料、电工产品及元器件绝缘电阻,配恒温水浴可测不一样的温度下无屏蔽层塑料电线电缆绝缘电阻。最高量程10¹⁶Ω,超量程经电流换算可达10²⁰Ω,测试电压1-1000V。
光伏组件要在户外持续工作二十余年,承受直流高压、昼夜温差、雨雪潮湿与紫外辐照的反复作用。决定它能否长期安全运作的,除了电池片本身的转换效率,还有一层看不见的东西,就是绝缘。组件内部,封装胶膜把电池片与边框、背板隔开;组件外部,接线盒、连接器与边框之间要保持充足的爬电距离与绝缘强度。一旦某处材料的绝缘性能不足,就也许会出现漏电、局部放电,乃至引发电位诱导衰减一类问题,让整块组件的输出功率悄悄下降。
表征绝缘性能的参数有很多,体积电阻率与表面电阻率是两个基本的量。体积电阻率反映材料内部对电流的阻碍能力,表面电阻率反映表面对泄漏电流的阻碍能力。光伏封装用的 EVA 胶膜、POE 胶膜、背板与绝缘条,乃至组件生产车间的防静电地面、操作人员穿用的防静电服,都要围绕这两个量来评价。围绕这项需求,BEST-380 体积表面电阻率测定仪把直流高压测试、三电极测量与电阻率换算集成在一台桌面仪器里,成为光伏材料检验与防静电评价环节常用的检测设备。本文按该类设备的技术路线、指标口径与操作应用逐项说明。
绝缘材料在外加电压下并不是一点都不导电,而是漏电流很小。按电流流过的路径,可以把这种泄漏分成两支:一支穿过材料内部,从一面的电极流到另一面的电极,与之对应的是体积电阻;另一支沿着材料表面,从一个电极爬到另一个电极,与之对应的是表面电阻。
体积电阻反映的是材料本体的导电能力。它和材料的分子结构、极性、杂质含量、含水率有关,也强烈受温度影响——温度上升,载流子活动增强,体积电阻会下降几个数量级。表面电阻反映的是材料表面的状态。同样一块材料,表面洁净干燥与表面沾了油污、吸附了水汽,测出的表面电阻可能相差很大,所以它常常被用来评价材料的洁净度、抗污染能力与防静电性能。
体积电阻与表面电阻的区别,落到测量上就是电流路径的区别;落到工程上,则是材料选得对不对与表面处理做得够不够两件事。
电阻以欧姆计,是一个与试样几何尺寸有关的量。同一块材料,做得厚一点、面积大一点,测出的体积电阻就不同;电极间距、电极形状一变,测出的表面电阻也不同。所以单看电阻是多少欧,实验室之间没法比,同一材料不同批次之间也没法比。
电阻率的引入,就是为解决这一个问题。体积电阻率把体积电阻按试样厚度与有效面积归一化,单位是欧姆·厘米;表面电阻率把表面电阻按电极间距与电极长度归一化,单位也是欧姆(工程上也称欧姆每方)。换算到位之后,不一样的尺寸、不同电极构型的测量结果才能放在一起比较,也才能与材料标准里的限值直接对照。BEST-380 同时给出电阻与电阻率的直显结果,正是为了方便这一比对。
光伏组件的失效路径里,有几条与电阻率直接相关,这也是这类检测在光伏行业用量集中的原因。
其一是封装胶膜的体积电阻率。EVA 与 POE 胶膜夹在电池片与边框之间,是组件内部承受系统电压时间相当长的部分。胶膜体积电阻率偏低,在潮湿与高电压共同作用下就也许会出现漏电流增大,进而诱发电位诱导衰减,表现为组件的填充因子与输出功率下降,而且这种衰减有时在出厂检测中看不出来,要到电站运行一段时间后才显现。
其二是背板与在允许电压下不导电的材料的绝缘电阻。背板承担组件背面的绝缘与防护,其绝缘电阻不足会影响组件的耐压性能;组件层压前,背板、绝缘条等材料通常要做来料检验。
其三是接线盒、连接器与边框的绝缘评估。这些部位长期暴露在户外,材料老化、吸潮或污染都会改变其表面电阻,进而影响爬电性能。
其四是生产环节的静电控制。组件生产线上,硅片、电池片的搬运与清洗过程中会产生静电,静电放电可能损伤电池片。因此车间的防静电地面、工装、周转箱、防静电服与鞋,都要按表面电阻率、体积电阻率分级评价,这正是这类仪器在光伏厂里另一个常用场合。
材料按导电能力大致可分三档:导电材料、静电耗散(抗静电)材料、在允许电压下不导电的材料。分档的依据,正是体积电阻率与表面电阻率所处的量级。导电材料的表面电阻率通常在较低量级,电流容易通过,用于需要迅速泄放电荷的场合;静电耗散材料居中,电荷可以缓慢泄放,既不积累静电也不形成大的放电电流,是防静电工作区里用量比较大的一类;绝缘材料的电阻率很高,电荷不易泄放,容易积累静电。
需要说明的是,不同标准对三档的边界取值并不一致,同一种材料在国标、行业标准与客户内控要求下的分档结论可能不同。因此判读时要把所依据的标准一并写明,而不只是记一个电阻率数值。这也是这类测试报告里必须同时记录测试电压、测量方式(体积或表面)、试样厚度与温湿度条件的原因。
体积表面电阻率的测量,走的是直流伏安法这条路线。仪器在试样两端施加一个稳定的直流电压 U,测出流过试样的电流 I,由欧姆定律得到电阻 R=U/I;再结合试样的厚度、有效面积或电极的间距与长度,换算出体积电阻率或表面电阻率。
看起来简单,难在两点。其一是电流很小。绝缘材料在高电压下的漏电流常常小于纳安量级,要把这样微弱的电流测准,需要高输入阻抗的测量前端与良好的屏蔽,否则工频干扰、杂散电容与表面泄漏会淹没有用信号。其二是电压要稳。绝缘电阻本身随电压变化,若测试过程中电压漂移,测出的电流就无法对应一个确定的电压点。因此这类仪器普遍采用恒压测试法,先建立稳定的直流电压,再测电流,BEST-380 也是按这一思路设计的。
一台仪器既能测体积电阻,又能测表面电阻,靠的是电极的接法切换。这类测量一般会用三电极结构:一个测量电极(与被测电流的测量端相连)、一个高压电极(施加电压)、一个保护电极(也叫环电极,环绕在测量电极外围)。
测体积电阻时,把保护电极接地或接到保护端,让沿材料表面流动的泄漏电流从保护电极旁路掉,不进入测量回路,于是测量端采集到的就只剩穿过材料本体的电流,据此算出体积电阻。测表面电阻时则反过来,让电流主要沿表面在两电极之间流动,把穿过本体的电流排除在测量之外,据此算出表面电阻。
电极的尺寸、间距与压力都会进入换算公式,因此测量时的电极配置必须与标准规定的构型一致。仪器附带的测试电极、测试夹与屏蔽箱,就为了把试样的装夹与屏蔽固定下来,减少人为差异。
该设备在设计与检验时参照的标准涉及在允许电压下不导电的材料直流电阻测定、固体绝缘材料体积与表面电阻率测定、液体增塑剂体积电阻率测定以及一系列防静电产品与场所的技术方面的要求,资料所列条目如下:
GB/T 1410-2006 固体在允许电压下不导电的材料 体积电阻率和表面电阻率试验方法
GB/T 18864-2002 硫化橡胶 工业用抗静电和导电产品 电阻极限范围
GB/T 22043-2008 服装 防静电性能 通过材料的电阻(垂直电阻)试验方法
GJB 5104-2004 无线电引信风帽用防静电涂料及风帽静电性能通用要求
从上表条目能够准确的看出,这台仪器的适用面并不局限于光伏材料,而是覆盖了固体在允许电压下不导电的材料、纺织品、橡胶、陶瓷砖、地面、涂料与液体石油产品等多种对象。对光伏企业而言,常用的几条是 GB/T 1410-2006(封装胶膜、背板等固体材料)与 ASTM D257-99;对涉及防静电管理的车间,则是 GJB 3007A-2009 与 GB 50611-2010 一类场所标准。标准随技术发展存在版本更替,实际执行以所委托检测任务指定的现行有效版本为准;光伏封装材料的方法标准另有专门规定,测前应核对所依据方法对试样尺寸、电极构型与加压时间的具体要求。
其一是直流高压源。它把市电整流、变换后输出 1V 至 1000V 连续可调的直流电压,供施加到试样上使用。电压档位细分到一千档,目的是让不同的材料与不同的标准要求都能找到比较合适的测试电压。
其二是测量前端。它把流过试样的微弱电流采集、放大并数字化,是决定测量精度与稳定性的关键部分。为保证小电流测量不受干扰,前端要有高输入阻抗与良好屏蔽。
其三是控制与运算部分。由高性能微处理器负责电压设置、时序控制、量程判断与电阻率换算,把采集到的电流换算成电阻、电阻率并送到显示屏。
其四是人机界面与接口。包括高分辨率触摸屏、功能按键以及 Handler、RS-232、以太网、U 盘等多种接口,既支持本地操作,也支持上位机远程控制与数据采集。
其五是电极系统与屏蔽箱。测试电极、测试夹与屏蔽箱共同构成测量的外部条件,决定电流路径是否规范、外部干扰能否被隔离。
测试范围:电阻 5×10² Ω~1×10¹⁶ Ω(超出显示时可按电流换算,电阻值可至 10 的 20 次方),电阻率可至 1×10²² Ω·cm
测试特点:带设置记忆功能,开机一键测试出结果,不用反复设置;可设定测量延时和放电延时
自定义测量模式:十种,可由用户自行编辑,开机直接调取,适应不一样材料的测试需求
自动扫描,带设置记忆与电压记忆功能,开机一键出结果,直接显示电阻和电阻率
1V 至 1000V 连续可调、细分一千档,是这台仪器在参数上比较有特点的一项。绝缘材料的电阻与所加电压有关,材料在低电压与高电压下表现并不一样,部分材料还可能出现随电压升高的非线性变化。因此标准在给出电阻率限值时,往往同时规定测试电压,比如某些封装材料要求在 100V 或 500V 下测量。
档位细分的意义在于兼容。不一样的材料的厚度与耐压能力不同,食品包装膜、封装胶膜一类薄型材料不宜直接加高电压,而绝缘制品、地面材料又需要较高的电压才能测出稳定电流。有了宽范围连续可调,就可以按标准规定的电压点取数,而不是将就仪器固定的几个档位。
与测试电压配套的还有两项时序设置:测量延时与放电延时。测量延时是在加压后等待一段时间再读数,让电流从初始的充电电流过渡到稳定的泄漏电流;放电延时是在测试完成后给试样一个放电过程,避免残余电荷影响下一次测量或带来安全风险。这两项参数应按所执行标准的规定设置。
电阻的直显范围是 5×10² Ω 至 1×10¹⁶ Ω,覆盖了从半导电材料到超在允许电压下不导电的材料的一个很宽区间。当被测电阻超出直显范围时,仪器不会直接给出电阻值,而是显示对应的电流,由使用者按所加电压换算电阻,换算后的电阻值可至 10 的 20 次方;相应的电阻率可至 1×10²² Ω·cm。这一超范围走电流显示的设计,使仪器在量程边缘仍能提供可用数据,而不是直接报错。
量程上超与量程下超两种提示,是判读时要留意的。量程上超表示被试电阻高到当前设置测不出,需要调整设置或改用换算方式;量程下超则表示电阻低到测量下限以下,可能试样已近短路或电极接触异常。出现任一种提示时,都不宜直接把读数当作有效结果记录,应先查明原因。
恒压测试法是这类仪器测量绝缘电阻的基本方式:先在试样上建立并保持一个稳定的直流电压,再测量稳定的泄漏电流。相比先升压后读数的做法,恒压法把电压波动这一变量控制住,使测出的电阻对应一个确定的电压点,重复性更好。
测试速度分快速与慢速两档。快速档可达每秒 5 次读数,慢速档为每秒 1 次。快速档适合来料抽检与产线分选,能在较短时间内对多个试样完成通断与量级判断;慢速档适合需要稳定读数的场合,因为绝缘电阻的稳定需要时间,多次读数的收敛过程本身就反映材料是否已进入稳定状态。测试周期可短至 200ms,配合自动扫描与自动量程切换,产线节拍上比较从容。
测量绝缘电阻,外部条件与仪器本身同样重要,电极系统正是外部条件的载体。仪器配有一套测试电极,配合测试夹完成与被测件的连接;输入端子采用香蕉插头与 BNC 插头两种形式,前者方便插拔,后者适合需要屏蔽的场合。
屏蔽箱的作用是把试样与外界静电、电磁干扰隔开。测量绝缘电阻时电流很小,人体感应、相邻带电体与工频场都会引入虚假电流,把试样放进屏蔽箱并正确接地,能明显改善读数的稳定性。对于薄膜、片材一类试样,还应注意电极与试样接触是否均匀、压力是否一致,接触不良会直接抬高电阻读数。
电极的清洁也需要留意。测量高阻试样时,附着在电极与绝缘支撑件表面的油污、粉尘与吸湿层都会形成并联通路,使读数偏低。定期用无水乙醇擦拭电极工作面并待其挥发,是常规做法。
仪器采用 4.3 寸高分辨率 TFT 屏显示,配合触摸与功能按键操作,可显示电阻、电阻率、电流与电压,显示位数可在 4 位与 5 位之间选择,界面语言可在中文与英文之间切换。
接口方面配置比较齐全。Handler 接口用于连接自动分选系统,配合多样分选讯响设置,可在流水线上完成自动测试与分档;RS-232 接口用于串口通讯;以太网接口用于接入局域网,实现远程控制与数据采集;U 盘接口用于数据导出与备份。计算机远程控制指令兼容 SCPI(可编程仪器标准命令集),便于把仪器接入实验室信息管理系统或自动化测试平台,完成批量测试与数据集中管理。
对光伏企业的来料检验而言,上位机软件的价值在于把多个试样、多个批次的数据汇总记录;对检测机构而言,则在于减少人工抄录带来的转录差错。
十种自定义测量模式与十组设置存储,是这台仪器在操作效率上比较实用的一项设计。不一样的材料的测试条件并不相同:封装胶膜与背板要用不同的测试电压,防静电服与地面材料要按各自标准的电极构型与加压时间。把这些条件预先编辑成模式存起来,切换材料时直接调取,不必每次从头设置。
设置记忆与电压记忆功能与之配合:开机后调出上次使用的条件,按一键即可开始测试并显示电阻与电阻率,省去反复设置的环节。仪器另带自动扫描功能,可自动切换量程,不用手工调节档位。对每天要测多个批次、多类试样的检验岗位,这些功能省下的是时间,也减少因设置漏改而导致的错测。
以下流程按该类仪器的一般使用步骤整理,具体操作以随机的使用说明书与所执行标准为准。
其一是准备工作。检查电源是不是满足 110V 或 220V 供电要求,确认仪器接地良好;核对试样状态,记录试样名称、厚度与预处理情况。
其二是环境确认。测量在 0℃ 至 40℃、相对湿度 80%RH 以下(无凝结)的条件下进行,测量高阻试样时湿度影响尤其明显,宜记录当时的温湿度。
其三是试样装夹。按测量对象选择体积或表面测量方式,把试样放入电极或屏蔽箱,确认电极与试样接触均匀、无翘曲与气泡,盖好屏蔽箱。
其四是参数设置。设定测试电压、测量延时与放电延时,或直接调取预先存好的自定义测量模式。
其五是零位与检查。在正式加压前确认回路连接正确、量程设置合理,必要时用已知量级的校准件核对读数是否可信。
其六是加压测量。启动测试,等待读数稳定后记录电阻或电阻率;若出现量程上超或下超提示,按第十二节所述查明原因后再取数。
其七是多次测量。对同批试样进行重复测量,观察读数离散程度;绝缘电阻的重复测量往往比单次读数更能反映材料的稳定性。
其八是放电与取件。测试完成后待放电延时结束再取下试样,避免残余电荷影响人身与设备安全。
其九是数据记录。记录读数、测试电压、测量方式、试样厚度与环境条件,形成可追溯的原始记录。
其十是收尾。清洁电极工作面,按要求收纳测试夹、连接线与屏蔽箱;长期不用时按存储温湿度条件存放。
温度:温度上升会使绝缘材料的体积电阻显而易见地下降,同批试样应在相近温度下测量比较。
湿度:表面吸附水汽会明显降低表面电阻,高湿环境下测量薄型材料尤其要留意。
试样厚度与均匀性:厚度不均匀的片材换算电阻率的误差较大,宜多点测量取代表值。
测量得到的原始数据至少应包含:试样标识、测量方式(体积或表面)、测试电压、读数(电阻或电阻率)、试样厚度、环境和温度与相对湿度、测量日期与操作者。缺少其中任何一项,读数就难以与他人的结果比对。
判读时先看数量级,再看与限值的关系。防静电类材料的评价更是如此:表面电阻率落在静电耗散区间与落在绝缘区间,意味着截然不同的使用结论,而这两个区间的分界往往只差一个数量级。若读数落在区间边缘,宜增加测量次数并核对测试条件后再下结论。
记录管理上,可借仪器自带的存储与 U 盘导出功能保存测试数据,再归档到检验记录中,形成从试样到报告的链条。涉及对外出具的检验测试的数据,还应满足相应质量体系对记录保存与数据完整性的要求。
仪器放在干燥通风处,避免在结露环境使用;长期不用时按 -10℃ 至 60℃、80%RH 以下的条件存放。
光伏封装材料:EVA 胶膜、POE 胶膜的体积电阻率测定,背板与绝缘条的绝缘电阻评价。
纺织与个体防护:防静电工作服、防静电鞋、防静电洁净织物的表面电阻率与垂直电阻测试。
液体与涂料:液体增塑剂、液体石油产品的体积电阻率测定,抗静电防腐胶的电阻测试。
电线电缆:与恒温水浴配套,测量不一样的温度下塑料电线电缆(无屏蔽层)的绝缘电阻。
从这类仪器近些年的变化看,有几个方向比较清晰。一是量程继续向两端延伸,随着宽禁带半导体、超高压绝缘与新能源材料的出现,既能测半导电材料、又能测超高阻材料的需求在增加。二是接口与数据管理更开放,SCPI 兼容、以太网与上位机软件的组合,使仪器更容易接入自动化测试线与实验室信息管理系统。三是自动化程度提高,自动扫描、自动量程与自动换算减少了人工干预,配合自动定位电阻箱一类的选配装置,能更加进一步降低校准与核查的作业量。四是小型化与便携化,把高压源与测量前端做得更紧凑,便于在现场开展测量。五是测试条件的标准化,温度、湿度与加压时序的可设定与可记录,正成为高阻测量可信度的一部分。
体积电阻率与表面电阻率是材料绝缘性能的两个基础量,在光伏、电子、橡塑、纺织与防静电管理等场合都有实际用途。BEST-380 这类仪器把直流高压源、微电流测量前端与电阻率换算集成在一起,用三电极结构与屏蔽箱固定测量条件,再借宽范围电压档位、恒压测试法与多种接口适配不同的测试需求。把测量条件记录清楚、把电极与试样处理到位,读数才有意义;这也是这类测试与其说是测仪器,不如说是测条件的原因。
