船用中壓變頻器電氣間隙和爬電距離的應(yīng)用研究

代 科，鄭海濱，尹傳濤，李 潔

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船用中壓變頻器電氣間隙和爬電距離的應(yīng)用研究

代 科1，鄭海濱2，尹傳濤1，李 潔1

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 青島海西電氣有限公司，山東青島 266555）

電氣間隙和爬電距離的設(shè)計對船用中壓變頻器的安全有著非常重要的作用。本文以基于IGCT的3300 V船用中壓變頻器為例，首先分析影響電氣間隙和爬電距離的安全工作電壓，其次對比IEC、國標和船級社規(guī)范中關(guān)于電氣間隙和爬電距離的差異，并對IGCT功率模塊進行沖擊電壓試驗，驗證其電氣間隙和爬電距離滿足船用環(huán)境要求，最后設(shè)計過電壓保護電路以增強電氣間隙和爬電距離的安全性。

中壓變頻器 電氣間隙 爬電距離 船級社規(guī)范

0 引言

當今世界，能源成為全球關(guān)注的重點，節(jié)能與環(huán)保成為發(fā)達國家和發(fā)展中國家共同關(guān)注的話題。船舶電力推進技術(shù)的應(yīng)用比內(nèi)燃機推進耗油減少10 %左右，充分體現(xiàn)了“綠色船舶”的環(huán)保節(jié)能理念。

船用中壓變頻器是大型船舶電力推進系統(tǒng)的核心設(shè)備，其電氣安全性和可靠性至關(guān)重要。船舶空間較小，雖然要求設(shè)備的功率密度越高越好，但仍需確保中壓變頻器的安全電氣間隙和爬電距離。

1 安全工作電壓設(shè)計

安全工作電壓是電氣間隙和爬電距離設(shè)計的依據(jù)，決定中壓變頻器的電氣絕緣性能。交直交變頻器的安全工作電壓分為直流安全工作電壓和交流安全工作電壓。直流安全工作電壓按照額定直流工作電壓的1.1倍設(shè)計，交流安全工作電壓有效值的峰值按照直流母線電壓最大值設(shè)計。

本文對基于IGCT三電平拓撲電路的船用中壓變頻器電氣間隙和爬電距離進行應(yīng)用研究。變頻器輸出電壓3300 V，采用集成門極換流晶閘管（IGCT）作為主功率器件。

1.1 直流安全工作電壓

直流額定工作電壓計算如下：

直流正負母線安全工作電壓：

根據(jù)三電平電路的工作原理可知，正對中性點母排和中性點對負母排的安全工作電壓（同時也為功率器件承受的最大直流電壓）為：

1.2 交流安全工作電壓

交流安全工作電壓：

綜上所述，三電平中壓變頻器拓撲電路的最小電氣間隙和爬電距離取決于半母線電壓的穩(wěn)定值和功率器件的關(guān)斷峰值。

2 電氣間隙和爬電距離的設(shè)計

中壓變頻器的電氣間隙和爬電距離不僅取決于電氣設(shè)備的安全工作電壓，而且因設(shè)備使用環(huán)境的污染程度（如塵、污、水等）和供電網(wǎng)絡(luò)及自身過電壓（如開關(guān)瞬間、雷電等）的影響而不同。

2.1 污染等級和過電壓類別選擇

污染等級：通常只有干性、不導(dǎo)電的污染。偶爾當設(shè)備閑置時因污染堆集也可能會臨時性導(dǎo)電。

過電壓類別（）：電路中具有內(nèi)部和外部過電壓保護且只能出現(xiàn)有限的過電壓，其原因為不直接與接觸網(wǎng)相連、內(nèi)部操作、處于一個設(shè)備或裝置內(nèi)。

2.2 相關(guān)標準規(guī)范對電氣間隙和爬電距離的要求

基于IGCT三電平拓撲電路的3300 V船用變頻器的直流側(cè)電氣間隙和爬電距離的邊界條件如下：

3）設(shè)備使用環(huán)境的污染等級；

4）設(shè)備使用的過電壓類別;

因目前沒有特別針對船用中壓變頻器的相關(guān)規(guī)范，因此查閱IEC、UL、國標和船級社規(guī)范，由于各個標準對電氣間隙和爬電距離講解的詳細程度各不同，電氣間隙和爬電距離也不相同，見表1。

表1 電氣間隙和爬電距離

IEC60077-1:1999標準適用軌道交通；DNV和CCS規(guī)范中《交流高壓電氣裝置特殊要求》章節(jié)的要求主要針對中壓配電板和斷路器等配電設(shè)備。

功率器件IGCT(5SHY35L45xx)如圖1所示，其中門極位于固定壓板和陰極之間，固定壓板為導(dǎo)電材料。固定壓板與陰極同電位，因此陽極和陰極的電氣間隙H實測約11.5 mm，陽極到陰極之間為波浪形絕緣陶瓷體，測量最小爬電距離約為34 mm，滿足表1中的1、3、4項，不滿足2、5、6項，則應(yīng)進行相應(yīng)的沖擊電壓試驗。

2.3 沖擊電壓試驗

2.3.1進行沖擊電壓試驗的必要性

中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中，第4篇第2章第14節(jié)《交流高壓電氣裝置特殊要求》對電氣間隙和爬電距離的要求：

圖1 IGCT(型號5SHY35L45XX)實物照片

1）通常對未經(jīng)型式試驗的設(shè)備，額定工作電壓3（3.3）kV，其非絕緣部件間的相對相和相對地之間的電氣間隙應(yīng)不小于55 mm。如電壓為所列額定電壓的中間值，則應(yīng)取電壓高的這一檔次值；如電氣間隙低于所列值，則應(yīng)進行相應(yīng)的沖擊電壓試驗。

2）帶電部件之間及帶電部件與接地金屬部件之間的爬電距離，應(yīng)符合相關(guān)IEC出版物關(guān)于系統(tǒng)的額定電壓、絕緣材料特性和開關(guān)及故障時產(chǎn)生瞬間過電壓的規(guī)定。

2.3.2沖擊電壓試驗的電壓值設(shè)計

1）三電平電路拓撲中設(shè)計過電壓抑制電路，使得關(guān)斷峰值電壓不超過4500 V，實測波形如圖2所示；

圖2 IGCT關(guān)斷實測波形

2）IEC標準中明確DC2800V工作電壓的電氣間隙不小于5.5 mm，其對應(yīng)的沖擊電壓應(yīng)為6 kV。

綜上所述，雖然5SHY35L45xx器件的電氣間隙為11.5 mm，但因其最大關(guān)斷峰值電壓限制，沖擊電壓值設(shè)計為6 kV。

2.3.3試驗方法和試驗結(jié)果

1）試驗方法

試驗前檢查，用萬用表二極管檔測量IGCT器件的陽極對陰極為斷態(tài)，陰極對陽極為二極管導(dǎo)通壓降，同時IGCT驅(qū)動板接通控制電源，驅(qū)動板工作指示燈正常。

圖3 基于IGCT(5SHY35L45XX)的功率模塊

功率模塊置于溫濕度箱內(nèi)，溫度保持40 ?C±5 ?C，相對濕度為95 %，在任一個IGCT對應(yīng)的陽-陰極散熱器上施加峰值為6 kV和持續(xù)時間1.2/50 μs的沖擊電壓3~5次進行沖擊電壓試驗。

2）試驗結(jié)果分析

由于試驗設(shè)備的偏差，浪涌抗擾度試驗裝置電壓設(shè)置6 kV，示波器測試電壓6.4 kV，見圖5。試驗過程中未發(fā)生放電現(xiàn)象，試驗后檢查器件的功能狀態(tài)與試驗前一致。

試驗結(jié)果表明，電氣間隙11.5 mm和爬電距離34 mm為該電壓等級下的最小電氣間隙和最小爬電距離。

綜上所述，船用中壓變頻器電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計中半母線之間裸排以及帶電體和非帶電導(dǎo)體之間的電氣間隙不小于為11.5 mm，以及爬電距離不小于34 mm，正負母線和交流輸出的電氣間隙和爬電距離加倍。

圖5 示波器采集沖擊電壓波形

3 過電壓保護電路的設(shè)計

船用中壓變頻器的電氣間隙和爬電距離不僅取決于設(shè)備的使用環(huán)境和系統(tǒng)的過電壓類別，而且也必須設(shè)計合理的過電壓保護電路，維持母線電壓的穩(wěn)定，才能提高設(shè)備絕緣性能。

基于5SHY35L45XX的三電平船用中壓變頻器的半直流母線電壓峰值不大于4500 V，過電壓保護電路設(shè)計主要包括：

設(shè)計母排間的過電壓吸收裝置RZ1和RZ2（如圖5所示），母線U或U電壓尖峰超過4.5 kV時，吸收裝置動作；

設(shè)計制動單元BU（如圖6所示）吸收變頻器負載快速降速或制動的反饋能量，限制直流母線電壓不超過2800 V；

設(shè)計IGCT關(guān)斷過電壓吸收電路IU（如圖5所示）中的LCRD，限制IGCT關(guān)斷過電壓峰值不超過4500 V，降低器件因過壓失效的風(fēng)險。

圖6 電氣原理圖

4 結(jié)論

本文分析了影響船用中壓變頻器電氣間隙和爬電距離的安全工作電壓、污染等級和過電壓類別等相關(guān)因素，并以基于IGCT的3300 V變頻器為例進行電氣間隙和爬電距離設(shè)計，對其小于船級社規(guī)范要求的電氣間隙和爬電距離的功率模塊進行沖擊電壓試驗，結(jié)果表明該電氣間隙和爬電距離滿足船用環(huán)境要求。

[1] IEC61800-5-1:2007, Adjustable speed electrical po-wer drive systems Part 5-1: Safety Requirements Electrical, thermal and energy;

[2] IEC60077-1:1999, Railway applications Electric e-quipment for rolling stock Part1: General service conditions and general rules;

[3] UL840-2000, Insulation Coordination Including Cl-earances and Creepage Distances forElectrical Eq-uipment.DNV: Offshore Standard DNV-OS-D201 Electrical Installations, OCTOBER 2008, Sec7Semi-conductorConverters.

[4] GB/T16935.1-2008, 低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合, 第1部分: 原理、要求和試驗.

[5] 高電壓試驗技術(shù): GB/T 16927.1, 1997.

[6] 電氣裝置: CCS鋼制海船入級規(guī)范第4分冊, 第4篇, 2012.

Application and Research of Clearance and Creepage Distance on the Basis of Marine Medium Voltage Inverter

Dai Ke1, Zheng Haibin2, Yin Chuantao1, Li Jie1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Qingdao Haixi Electric Co. Ltd., Qingdao 266555, Shandong, China)

3300

TN773

A

1003-4862（2018）11-0001-04

2018-04-19

代科（1981-），男，高級工程師。研究方向：船舶電氣及其控制。E-mail: alisonfeed@163.com