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安规工程师的修养篇之一 |电气间隙和爬电距离的确定(新国标GB4943.1-2022)

2022-09-07

    三百六十行,行行出状元,而在电子产品的安规检测界要想立稳脚跟,会做产品结构检查是核心,结构检查中的核心又是爬电距离和电气间隙的确定。

    由CTC资深安规工程师专业讲解:如何确定电气间隙和爬电距离?

    

    一、电气间隙
    电气间隙定义为在两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离。影响电气间隙的因素有4个:

    (1)可能进入设备中的瞬态电压;

    (2)设备内产生的峰值工作电压;

    (3)暂态过电压;

    (4)设备内产生的频率。设备内的峰值工作电压和产生的频率通常可以通过测量得到,这里主要介绍瞬态过电压和暂态过电压的如何确定。

    ►1.1瞬态过电压

    瞬态过电压在标准IEC 60364-4-44中给出了解释,一般指的是大气中的感应雷。根据感应路径,瞬态过电压可以分为交流电网中的瞬态过电压、直流电网中的瞬态过电压和外部电路瞬态电压。

    (1)交流电网中的瞬态过电压

对由交流电网电源供电的设备,电网电源瞬态电压 取决于过电压类别和交流电网电源电压,可以依据标准表12确定。通常预定要与交流电网电源连接的设备,其电气间隙应按II类过电压设计。例如:220VAC选用OVCII,瞬态过电压2500V。

 

     (2)  直流电网中的瞬态过电压

    a) 如果接地的直流供电系统完全处于同一个建筑中,则单点接地瞬态过电压应选用500V,配电侧和设备侧分别接地瞬态过电压应选用350V。

    b) 如果电源分配系统不接地或不在同一个建筑物内,则对地的瞬态电压应假定等于给该直流电源供电的电网电源瞬态电压。对于电信中心的-48Vdc/60Vdc设备,通常接地处于同一建筑中且为单点接地,因此瞬态过电压是500V,而标准IEC 60950- 1认为此种情况瞬态过电压为71V。

    (3) 外部电路瞬态电压双导体(屏蔽或无屏蔽)瞬态电压为 1500V(10/700us)。

    ►1.2暂态过电压

    对暂态过电压的分析主要是基于交流电网,由高压系统引起的暂态过电压故障,最大可达工作电压1200V;由低压系统故障导致的过电压最大为1.732倍工作电压。因此高压系统故障是决定暂态过电压值的首要因素。比如我国的220V交流电网,在配电站一般是由10kV高压转换,则220V交流线路上的暂态过电压主要是由于10kV输电系统的接地故障导致。

    直接与交流电网电源连接的电路,暂态过电压确定如下:

    (1)如果标称电网电源系统电压不超过250V,则认为暂态过电压值是2000V峰值;

    (2)如果标称电网电源系统电压超过250V 但不超过600V,则认为暂态电压值是2500V 峰值。

    ►1.3电气间隙的确定

    电气间隙的确定,应当使用以下两种程序中的最高值:

    (1)程序 1 

    使用峰值工作电压确定电气间隙;峰值工作电压按使用情况,采 用以下电压中的最高值:

    a)稳态电压;

    b)重复性峰值电压,认为是电网电源电压的 1.1 倍;

    c)暂态过电压;

    对于基频不超过30kHz的电路,按标准表10确 定电气间隙值;对于基频高于30kHz的电路,按标准表11确定电气间隙值;若电路中既存在高于30kHz的频率,也有低于30kHz的频率,则选表10和表 11中较大值;

    

    

       

 

    (2)程序 2

    根据使用要求的耐压来确定电气间隙。或者通过增加抗电强度试验来确定电气间隙的充分性,此时应该保持按照程序1中确定的值;除了标准列出的3种特殊情况外,通常情况下,要求的耐压应等于瞬态过电压。

    a)根据使用要求的耐压来确定电气间隙,依据标准表 14;

    b)使用抗电强度试验确定电气间隙的充分性,依据标准表 15。

    c) 以上所要求的电气间隙和试验电压适用于海拔2000m以下,对更高的海拔高度,需要考虑海拔倍增系数,系数可以依据标准表16来确定。

 

    

    

    (3)附录X: 

    作为替代,对过电压类别II,可以按照附录X确定与不超过420V峰值(300V有效值)的交流电网电源连接的电路中的电气间隙。

对不超过420V峰值(300V有效值)的交流电网电源:

——如果工作电压的峰值不超过交流电网电源电压的峰值,那么按表X.1 来确定替代的最小电气间隙;

——如果工作电压的峰值超过交流电网电源电压的峰值,那么替代的最小电气间隙是如下两个数值的总和:

•表X.1 的电气间隙,和

•表X.2 的相应的附加电气间隙。

表X.1 与不超过420V 峰值(300V 有效值)的交流电网电源连接的电路中的绝缘的替代最小电气间隙。

表X.2 与不超过420V 峰值(300V 有效值)的交流电网电源连接的电路中的绝缘的附加电气间隙

 

   

    二、爬电距离

    爬电距离定义为沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。影响爬电距离的因素3个:有效工作电压、污染等级和材料组别。

    当频率小于等于30kHz时,基本绝缘和附加绝缘的爬电距离依据标准表17确定;当频率超过30kHz但小于等于400kHz时,基本绝缘和附加绝缘的爬电距离可以依据标准表18确定。

    对于加强绝缘,爬电距离是基本绝缘要求值的2倍。当查表爬电距离值小于电气间隙值,应使用电气间隙值作为爬电距离值。

    污染等级2通常适用于标准范围所包括的所有设备。

    如果材料组别是未知的,则应假定是材料组别为Ⅲb。

    

      

    当设备连接到AC电网电源,工作电压Vrms≤250V, Vpeak≤380V,工作频率50/60Hz,过电压等级OVCII,污染等级2,材料组别Ⅲb时,根据下面的程序来确定基本 绝缘和加强绝缘电气间隙。

    (1)程序1:根据设备的峰值工作电压确定电气间隙

    ①稳态工作电压峰值(380Vpk);②重复性峰值电压 (220*1.414*1.1=342.2Vpk);③暂态电压(2000Vpk),由①②③中最大电压得到为:2000Vpk;再依据标准表10, 获得电气间隙:基本绝缘1.27mm,加强绝缘:2.54mm。

    (2)程序2:根据设备要求的耐压确定电气间隙因设备要求的耐压等于瞬态电压,而瞬态电压由标准表12确定,查表即得到要求的耐压为2500V(300 Vac,OVCII)。再依据标准表14,获得电气间隙:基本绝缘 1.5mm,加强绝缘 3.0mm。

    因为程序1<程序 2,所以电气间隙按程序2确定 为基本绝缘1.5mm,加强绝缘3.0mm。或者按程序1确定为基本绝缘1.27mm,加强绝缘2.54mm,需再按标准表15增加耐压测试,承受耐压为基本绝缘为2.92 kVdc,加强绝缘为2.96×1.6=4.672kVdc。

    (3)附录X: 根据附录X中表X.1,查表即得到Vpeak≤380V小于420Vpeak,获得电气间隙:基本绝缘2.0mm,加强绝缘4.0mm。

针对5000m海拔,依据标准表16,电气间隙海拔倍增系数为1.48,抗电强度电压系数为1.24。此时,电气间隙最小值应为:基本绝缘1.5×1.48=2.3mm(程序2)、2.0×1.48=3.0mm(附录X),加强绝缘 3.0×1.48=4.5mm(程序2)、4.0×1.48=6.0mm(附录X);或者基本绝缘为1.27×1.48=1.9mm, 加强绝缘为2.54×1.48=3.8mm,但须承受电压基本绝缘2.92×1.24=3.62kVdc,加强绝缘3.62×1.6=5.8kVdc的耐压测试(程序1)。表1所示为2000m海拔绝缘距离要求差异对比,表2所示为5000m 海拔绝缘距离要求差异对比。

表1 2000m海拔绝缘距离要求差异对比

表2 5000m海拔绝缘距离要求差异对比

 

三、案例分析:电源板满足海拔5000m高度。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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