電氣間隙和爬電距離能力驗證測量的探討

安 偉，余 洋，王 雪

（1.江蘇揚子檢驗認證有限公司，江蘇南京210038；2.南京大學信息管理學院，江蘇南京210023；3.南京大學環(huán)境學院，江蘇南京210023）

0 引言

電氣間隙和爬電距離測量主要測量不同電位的兩個導電部件間最短的空間直線距離以及不同電位的兩個導電部件之間沿絕緣材料表面的最短距離。電氣間隙和爬電距離主要影響產(chǎn)品的電氣安全以及人身安全，如防火、防觸電等。按照CNAS-R02能力驗證規(guī)則要求，電氣領域結(jié)構(gòu)判定的頻次要求為1次/2年，因此電氣間隙和爬電距離測量經(jīng)常作為電氣領域能力驗證的結(jié)構(gòu)項目之一，考核實驗室路徑的選擇和計算過程。本文以2020年國家認監(jiān)委（CNCA）組織的CNCA-20-14電氣產(chǎn)品的爬電距離與電氣間隙試驗能力驗證為例，介紹電氣間隙和爬電距離能力驗證的測量過程、不確定評定方法以及能力驗證結(jié)果評定方法。

1 測量說明

爬電距離和電氣間隙試驗的樣品為一塊特殊定制的印刷電路板，如圖1a和1b所示，分為A和B兩面，樣品污染等級為2。其中，白色區(qū)域代表樣片上的鏤空部分，T1，T2，T3，T4，R1和R2等代表印制板銅走線，樣片中的角全部按尖角考慮，不視為圓角，槽的底部為直角。依據(jù)的標準包括GB 4706.1—2005《家用和類似用途電器的安全第一部分：通用要求》，此外還應考慮CTL決議單590和717的相關要求。爬電距離、電氣間隙的路徑確定及測量包括：T1到T2的爬電距離、T2到T4的爬電距離和電氣間隙、T1到R1的電氣間隙共4個項目［1］。測量的難點在于樣品中存在溝槽、凹槽等，有些測量部位不在同一平面，因此在測量過程中，需要應用到X值跨接、V型槽的80°應用原則、空間展開等方法，這些方法的應用將在測量過程中進行分析。

2 測量過程及分析

2.1 T1到T2的爬電距離

2.1.1 路徑選擇

T1到T2的爬電距離沿著鏤空邊緣經(jīng)過A1-A2，在V型槽底部進行跨接經(jīng)過A2-A3，沿著絕緣材料表面經(jīng)過A3-A4，沿著凹槽底部經(jīng)過A4-A5，最后連接A5-A6，形成最終路徑，如圖2所示。

T1到T2的爬電距離=（A1-A2）+（A2-A3）+（A3-A4）+（A4-A5）+（A5-A6）。

2.1.2 考核要點

圖1 特制的印刷電路板

圖2 T1到T2的爬電距離測量路徑

首先，在A2-A3處，考核要點為V型槽的80°應用原則和X值跨接，按照CTL DSH 590決議，V型槽底部的內(nèi)夾角小于80°時，爬電距離在拐角處用X值連線短接測量。X值是根據(jù)相應污染等級規(guī)定的最小值，如表1所示。按照樣品污染等級為2，X值為1.00 mm。

表1 不同污染等級下的X值

其次，在A4-A5處，考核要點為凹槽跨接，按照GB/T 16935.1—2008的舉例［2］（例1和例2），當凹槽寬度大于X值，爬電距離的路徑將沿著凹槽絕緣材料表面，當凹槽寬度小于等于X值，爬電距離的路徑將跨接凹槽。實際測量時，凹槽寬度為1.37 mm。

最后，在A5-A6段，需確認A5-A6是否是A5到T2導體的最短點，只需測量T2導體的長度與凹槽的深度，如果T2導體的長度大于凹槽的深度，A6即為垂直于T2導體的垂點，如果T2導體的長度小于或等于凹槽的深度，A6即為T2導體的端點。

2.2 T2到T4的爬電距離

2.2.1 路徑選擇

T2到T4的爬電距離沿著鏤空橫截面經(jīng)過B1-B2，B2為R2端點；將R2所在平面和鏤空橫截面展開到T2、T4平面，B3點為B5到R2導體的垂點，B4為垂線鏤空橫截面的交點，B5為T4的端點，如圖3（a）和3（b）所示。

T2到T4的爬電距離=（B1-B2）+（B3-B4）+（B4-B5）。

2.2.2 考核要點

首先，按照GB/T 16935.1—2008的舉例［2］，當存在浮動導電部件分開時，爬電距離分成幾個部分，因此應考慮R2作為浮動導電部件，T2到T4爬電距離應分為T2到R2、R2到T4兩個部分的爬電距離。然后將計算值與B1-B5的直接距離進行比較，選取最小值的路徑作為最終路徑。

其次，R2到T4的爬電距離需要將R2所在平面和鏤空橫截面展開到T2、T4所在平面，構(gòu)建輔助點B4，利用勾股定理分別計算B3-B4和B4-B5。當需要測量的兩個部件不在同一個平面時，通過將不同平面展開到同一平面，并構(gòu)建輔助點，即可快速找到路徑。

2.3 T2到T4的電氣間隙

T2到T4的電氣間隙的思路與上述T2到T4的爬電距離類似，但需注意爬電距離和電氣間隙的關系，爬電距離不能小于相關的電氣間隙。

2.4 T1到R1的電氣間隙

2.4.1 路徑選擇

將R1所在平面和鏤空橫截面展開到T1所在平面，T1到R1的電氣間隙即為T1端點C1與R1端點C3的連線長度。C2為連線與鏤空橫截面的交點，如圖4（a）和4（b）所示。

T1到R1的電氣間隙=（C1-C2）+（C2-C3）。

2.4.2 考核要點

T1到R1電氣間隙主要考核空間展開分析能力，技巧在于將R1所在平面和鏤空橫截面展開到T1所在平面，并構(gòu)建輔助點C2。此時需要注意C3點的確定，如果R1導體的長度夠長，C3可能為垂直于R1導體的垂點，如果R1導體的長度不夠長，C3即為R1導體的端點。

3 不確定度分析

此次能力驗證沒有要求不確定度分析結(jié)果，本文結(jié)合CNAS-GL007《電器領域不確定度的評估指南》，提出此次能力驗證不確定度分析的方法。根據(jù)上述測量的不同情況，可以分為以下幾種。

（1）單獨用數(shù)顯游標卡尺測量，通過幾個數(shù)值相加，得到最終結(jié)果。

圖3 T1到T2的爬電距離測量路徑和空間展開

圖4 T1到R1的電氣間隙測量路徑和空間展開

（2）使用數(shù)顯游標卡尺和投影儀測量，游標卡尺測量印制板厚度，投影儀測量各線段長度，包括輔助點形成線段的長度，通過幾個數(shù)值相加，得到最終結(jié)果。

以2.4章節(jié)為例，采用第一種方法，標準不確定度來源主要由重復性測量u1引起（A類）和數(shù)顯游標卡尺u2引起（B類）構(gòu)成［3］。

（1）對2.4章節(jié)的路徑進行5次測量，按貝塞爾公式計算出的實驗標準偏差s，得到u1=0.006 922 mm。

（2）數(shù)顯游標卡尺最小分辨率為0.01 mm，在半寬0.01 mm的范圍內(nèi)服從矩形分布，k= 3，得到u2=0.005 774 mm。

通過u1和u2計算出合成標準不確定度，最終得到擴展不確定度U=0.018 mm，k=2。

4 結(jié)語

電氣間隙和爬電距離的難點在于路徑的選擇，考核實驗室熟練掌握標準定義、測試方法和各種規(guī)則，靈活運用空間展開方法和計算方法。近些年，電氣間隙和爬電距離能力驗證的樣品有采用印制板，也有采用如端子、變壓器、插座等實物，實物的情況更加復雜，特別是當有幾種路徑時，需要比較各種路徑的值以確定最短路徑。同時，不確定結(jié)果分析對于評估測量的準確性非常重要，也考驗了實驗室的能力水平。