電氣間隙和爬電距離的分析與測(cè)量

張羽

(沈陽電氣傳動(dòng)研究所(有限公司)，遼寧 沈陽 110141)

1 概述

電氣間隙和爬電距離對(duì)于電氣類產(chǎn)品的安全性是非常重要的參數(shù)，電氣類產(chǎn)品中的帶電部件與導(dǎo)電部件之間距離過短，將很容易產(chǎn)生漏電，使導(dǎo)電部件帶電，危害操作者的人身安全；不同電位的帶電部件間距離過短，將容易造成相間短路，使電氣類產(chǎn)品中絕緣功能的降低或失效，從而引發(fā)火災(zāi)或爆炸。因此，在安全檢測(cè)中，在熟悉電氣類產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上需分辨出其絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣特性，確定帶電部件和導(dǎo)電部件，分析路徑，用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)量方法測(cè)量數(shù)據(jù)，判定該電氣類產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 電氣間隙和爬電距離的定義

電氣間隙：兩個(gè)導(dǎo)電部件之間的最短直線距離。電氣間隙應(yīng)足以達(dá)到能承受宣稱的電路的額定沖擊耐受電壓(Uimp)其值應(yīng)為表1中的值。[1]

表1 空氣中的最小電氣間隙

爬電距離：兩個(gè)導(dǎo)電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離。初始制造商應(yīng)依據(jù)所選擇的成套設(shè)備電路的額定絕緣電壓(Ui)去確定爬電距離。對(duì)于任一列出的電路，其額定絕緣電壓不應(yīng)小于額定工作電壓(Ue)[1]。

在任何情況下，最小爬電距離≥最小電氣間隙

爬電距離應(yīng)符合規(guī)定的污染等級(jí)和表2給出的在額定絕緣電壓下相應(yīng)的材料組別。

表2 最小爬電距離

凹槽寬度X：凹槽寬度X是假定任意凹槽在最不利的位置下被絕緣橋接的寬度，其值與污染等級(jí)相關(guān)聯(lián)見表3[1]。

表3 凹槽寬度X的最小值

根據(jù)IEC60664-1第4款的例子2及例子6可見。角度大于或等于90度的兩角不橋接，IEC60664-1沒有包含具體的信息，在哪個(gè)角度小于90度的橋梁應(yīng)該適用。根據(jù)《CTL決議單590》橋接應(yīng)適用于80度以下的角度。即：內(nèi)角小于80°，且開口寬度大于X值的V行凹槽。

3 試驗(yàn)案例(一)

(1)以上海電器設(shè)備檢測(cè)所有限公司組織實(shí)施的“電氣間隙與爬電距離測(cè)試”能力驗(yàn)證為例(如圖1所示)。

圖1

①進(jìn)行試驗(yàn)前，不需對(duì)樣品進(jìn)行任何預(yù)處理。

②樣品中的角全部按“尖角”考慮，不視為圓角。

③設(shè)定樣品污染等級(jí)為3。樣品發(fā)出前已經(jīng)過吹塵處理，在包裝盒內(nèi)也受到塑料板填保護(hù)。在測(cè)量過程中，灰塵、異物污染忽略不計(jì)。

④導(dǎo)體A、B及C均為直徑6mm的圓柱體，導(dǎo)體頂面與接線端子上表面平齊，導(dǎo)體底面均高出接線端子下表面2.5mm，如圖3所示。導(dǎo)體和裝配孔之間的間隙忽略不計(jì)(如圖2所示)。

圖2

⑤分別測(cè)量以下測(cè)試項(xiàng)目，并繪制路徑圖。確保繪制的路徑清晰、明確。

(a)導(dǎo)體A與B之間的電氣間隙和爬電距離；

(b)導(dǎo)體B與C之間的電氣間隙和爬電距離。

(2)測(cè)量過程與分析

首先利用游標(biāo)卡尺、電腦CAD軟件等工具，把樣品的三個(gè)主要測(cè)量截面用CAD軟件1：1的測(cè)繪出來，如圖3所示。

圖3

對(duì)導(dǎo)體A與B之間的電氣間隙進(jìn)行分析得出以下6個(gè)路徑(見圖4(a)、(b)、(c))。

(a)

對(duì)路徑2進(jìn)行分析，連接導(dǎo)體A、B圓心A1、B1經(jīng)過導(dǎo)體A、B圓A2、B2和如圖所示D、E點(diǎn)，A2-D-E-B2為電氣間隙的路徑。需要注意的是點(diǎn)A2與點(diǎn)B2的確定，之所以要通過導(dǎo)體A、B圓心A1、B1的連線來確定是因?yàn)槿绻麑?dǎo)體A、B兩個(gè)圓的圓心不在同一水平線上的話(如圖4(d)所示)得出的路徑A將小于實(shí)際路徑B。對(duì)路徑1的分析與路徑2道理相同。

對(duì)于路徑3進(jìn)行分析，以點(diǎn)A為圓心畫圓與導(dǎo)體A相切于點(diǎn)B，其他路徑道理相同。

經(jīng)計(jì)算路徑2為最短距離

對(duì)導(dǎo)體A與B之間的爬電距離進(jìn)行分析得出以下6個(gè)路徑(見圖5(a)、圖4(b)、圖4(c))。

經(jīng)計(jì)算路徑6為最短距離(見圖5(b))。

(a)

以點(diǎn)D、E為圓心畫圓與分別與導(dǎo)體A、B相切于點(diǎn)A1、B1，A1-D-E-B1為爬電距離的路徑。

對(duì)導(dǎo)體B與C之間的電氣間隙進(jìn)行分析得出以下2個(gè)路徑(見圖6),同時(shí)也需考慮圖4(d)中所指出的問題。

圖6

經(jīng)測(cè)量計(jì)算路徑1與路徑2的距離相等均為最短距離。

對(duì)導(dǎo)體B與C之間的爬電距離進(jìn)行分析得出以下2個(gè)路徑(見圖7(a))。

經(jīng)測(cè)量計(jì)算路徑2為最短距離(見圖7(b))。

(a)

連接導(dǎo)體B、C圓心B1、C1經(jīng)過導(dǎo)體B、C圓B2、C2(其原理與圖4(d)分析一致)和如圖所示D、E點(diǎn),由于直線DF和直線GE所形成的角度為70.65°小于80°，根據(jù)《CTL決議單590》連接FG，污染等級(jí)為3，F(xiàn)G=1.5mm，B2-D-F-G-E-C2為爬電距離的路徑。

4 試驗(yàn)案例(二)

4.1 參考標(biāo)準(zhǔn)

本次比對(duì)計(jì)劃依據(jù)的基礎(chǔ)方法標(biāo)準(zhǔn)為GB7251.1-2005《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：型式試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)成套設(shè)備》。

4.2 試驗(yàn)說明

(1)在進(jìn)行試驗(yàn)之前，不需對(duì)樣品進(jìn)行任何形式的預(yù)處理。試驗(yàn)的場(chǎng)所應(yīng)是保持恒定溫度在20±5℃之間的房間，請(qǐng)測(cè)量T1和T4之間的電氣間隙和爬電距離。

(2)設(shè)定樣品污染等級(jí)為2(正常情況)。

(3)樣片中的角全部按“尖角”考慮，不視為圓角。

(4)結(jié)果單中的爬電距離和電氣間隙測(cè)量值精確到0.01mm。

4.3 測(cè)量與分析

首先根據(jù)題目將樣件放置在20±5℃房間24小時(shí)。在此溫度下用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量T1與T4的電氣間隙如圖8(b)。

經(jīng)分析得出爬電距離可有三種路徑：

由T1下端點(diǎn)沿樣件到T4左端點(diǎn)(見圖8(c))根據(jù)《CTL決議單590》此角度為90度不需要橋接。

由T1上端點(diǎn)沿樣件到T2左端點(diǎn)，再由T2右端點(diǎn)沿樣件到T3上端點(diǎn)，再由T3下端點(diǎn)沿樣件到T4右端點(diǎn)(見圖8(d))根據(jù)《CTL決議單590》這兩個(gè)角度均小于80°度需要橋接凹槽寬度X的值為1mm。

(a)

由T1下端點(diǎn)到R1左端點(diǎn)，再由R1右端點(diǎn)到T4左端點(diǎn)。這組數(shù)據(jù)不好得出因?yàn)門1的下端點(diǎn)的A面與R1左端點(diǎn)B面不在一個(gè)空間平面內(nèi)，如圖8(e)。

將A面旋轉(zhuǎn)90°與B面成為一個(gè)平面(見圖8f)。

得出由T1下端點(diǎn)到R1左端點(diǎn)，再由R1右端點(diǎn)到T4左端點(diǎn)的爬電距離，經(jīng)計(jì)算比較此結(jié)果為爬電距離距離最短。

5 試驗(yàn)案例(三)

5.1 檢測(cè)方法說明

(1)本次能力驗(yàn)證計(jì)劃要求實(shí)驗(yàn)室按照日常檢測(cè)程序進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)量：

①T1到T2的爬電距離和電氣間隙，并繪制路徑圖；

②T1到R1的電氣間隙，并繪制路徑圖；

③T3到R1的爬電距離，并繪制路徑圖。

(2)本次能力驗(yàn)證計(jì)劃依據(jù)的基礎(chǔ)方法標(biāo)準(zhǔn)為GB/T16935.1-2008，GB8898、GB4943、GB2099.1、GB16915.1、GB14536.1、GB15092.1、GB19212.1、GB7000.1、GB12350等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也在相關(guān)章節(jié)中引用了方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，可作為試驗(yàn)依據(jù)；此外還應(yīng)考慮CTL決議單590和717的相關(guān)要求。

(3)在進(jìn)行試驗(yàn)之前，不需對(duì)樣品進(jìn)行任何形式的預(yù)處理。試驗(yàn)的場(chǎng)所應(yīng)是保持恒定溫度在20±5℃之間的房間。

(4)設(shè)定樣品污染等級(jí)為3。

(5)樣片中的角全部按“尖角”考慮，不視為圓角。

(6)如圖9(a)，紅點(diǎn)為左側(cè)鏤空半圓的圓心。

5.2 測(cè)試與分析

首先根據(jù)題目將樣件放置在20±5℃房間24小時(shí)。在此溫度下用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量T1與T2的電氣間隙如圖9(b)。

由B點(diǎn)開始沿著絕緣塑料邊界爬行至槽的邊緣C點(diǎn)，橋接寬度小于1.5mm的槽，沿著絕緣塑料的邊界爬行至D點(diǎn)利用CAD軟件得出T1與T2的爬電距離如圖9(c)。

(a) 紅點(diǎn)為左側(cè)鏤空半圓的圓心位置

由點(diǎn)C向上做垂直于底面的直線交于頂面A，直線AC與直線AB相垂直，因?yàn)锳C與AB的長(zhǎng)度相對(duì)好測(cè)量，所以最后利用勾股定理算得BC的直線長(zhǎng)度即T1到R1的電氣間隙如圖9(d)。

如圖9(e)由點(diǎn)B′向上做垂直于底面的直線交于頂面B，可測(cè)量出∠BOA的角度，利用弧長(zhǎng)計(jì)算公式可算出圓弧BA的長(zhǎng)度，將圓弧BA展開如圖9(f)。

由此可以利用CAD軟件直接得出直線的距離即T3到R1的爬電距離。

6 試驗(yàn)案例(四)

6.1 測(cè)量L極-N極的爬電距離和電氣間隙，并繪制路徑。6.2 測(cè)試要求

(1)本次試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 16935.1-2008、GB 2099.1-2008、GB 4943.1-2011、GB 4706.1-2005、GB 7000.1-2015、GB 8898-2011等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；

(2)樣品在海拔 2000 米以下使用，污染等級(jí)為2；

(3)樣品額定電壓220V，頻率50Hz；

(4)所有帶電部件均按加強(qiáng)絕緣考慮；

(5)不考慮插頭插入時(shí)的情況。

6.3 測(cè)量與分析

首先根據(jù)觀察與測(cè)量確定出電氣間隙與爬電距離的路徑見圖10(b)、圖10(c)、圖10(d)。

(a)樣品拆解圖

(1)首先利用顯微鏡找Bb水平，把B點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，并測(cè)量Ba距離。

(2)沿Bb水平向金屬件延伸得出A(左右圖形對(duì)稱方法相同)。

(3)找到金屬件點(diǎn)F，連接AF。將B點(diǎn)做垂直于Bb的直線BH，連接FH(與AB平行)。

(4)以B為原點(diǎn)做BC垂直于AF，則可計(jì)算出電氣間隙的距離即L極-N極的電氣間隙(見圖10(e))。

(5)做輔助線FF′=1(污染等級(jí)為2查表3可得)，輔助線A′F′平行于AF與BH相交于D點(diǎn)，DE等于1并垂直于AF。

(6)需要注意的是，見圖10(e)點(diǎn)F與點(diǎn)F1在圖10(f)中所示方向上可能一高一低，需要測(cè)量出來其中差值，然后根據(jù)勾股定理計(jì)算出電氣間隙的距離即L極-N極的爬電距離。

7 測(cè)量過程的注意事項(xiàng)

對(duì)于電氣間隙和爬電距離的測(cè)量，首先需要全面的考慮其可能的最短路徑，同時(shí)注意凹槽寬度X最小值的選取問題，再通過分析計(jì)算，最終得出正確結(jié)論。對(duì)于不在同一平面上測(cè)量，可通過繪制1∶1的各個(gè)平面圖來選取正確的路徑，以確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)際的測(cè)試過程中，還應(yīng)該注意選擇適合的測(cè)量?jī)x器設(shè)備，從而減少過多的人為誤差，針對(duì)具體產(chǎn)品選用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，此外，還應(yīng)考慮額定電壓等級(jí)、樣品表面污染狀況、絕緣材料特性、測(cè)量環(huán)境等多種因素，以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

8 結(jié)語

電氣間隙和爬電距離的測(cè)量作為電氣類產(chǎn)品中一項(xiàng)重要的安全檢測(cè)項(xiàng)目，其準(zhǔn)確性不僅在一定程度上反映了試驗(yàn)室在電氣安全檢測(cè)方面的水平，而且對(duì)電氣類產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上具有一定的指導(dǎo)意義。