低壓開(kāi)關(guān)柜中絕緣材料的設(shè)計(jì)選型淺析

摘 要：針對(duì)低壓開(kāi)關(guān)柜中絕緣材料如何設(shè)計(jì)選型進(jìn)行了闡述。從低壓開(kāi)關(guān)柜與絕緣材料密切相關(guān)的幾個(gè)重要性能出發(fā)進(jìn)行分析，首先介紹耐壓性能對(duì)絕緣材料選擇的影響，比如絕緣電壓、暫時(shí)過(guò)電壓、瞬態(tài)過(guò)電壓等;其次介紹耐熱性能對(duì)絕緣材料選擇的影響，比如長(zhǎng)期耐熱溫度、短時(shí)耐熱溫度等;最后介紹電動(dòng)力、原材料類(lèi)型、加工工藝性、環(huán)保要求等對(duì)絕緣材料設(shè)計(jì)選型的影響。

關(guān)鍵詞：低壓開(kāi)關(guān)柜;絕緣材料;耐壓;耐熱;電氣間隙;爬電距離

中圖分類(lèi)號(hào)：TM642+.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）08-0050-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.014

0? ? 引言

低壓開(kāi)關(guān)柜廣泛應(yīng)用于配電、照明和電機(jī)控制等電能轉(zhuǎn)換和控制場(chǎng)合，影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生活的各個(gè)方面。低壓開(kāi)關(guān)柜里安裝了許多電氣元件和發(fā)熱零部件（例如銅母線、絕緣導(dǎo)線等），為防止過(guò)壓或過(guò)熱引起的停電、停工甚至傷人、火災(zāi)等事故，除了選擇質(zhì)量?jī)?yōu)良的電氣元件外，低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理的原材料選擇至關(guān)重要。優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅會(huì)充分考慮所有內(nèi)裝元器件和所有載流部件的散熱、強(qiáng)度、絕緣、各種防護(hù)、耐壓等性能，還會(huì)充分考慮機(jī)械應(yīng)力、電氣應(yīng)力、熱應(yīng)力和環(huán)境壓力等因素造成的不利影響，從而保障低壓開(kāi)關(guān)柜安全可靠運(yùn)行。

此外，絕緣材料的設(shè)計(jì)選型也與低壓開(kāi)關(guān)柜的性能密切相關(guān)，本文將對(duì)此進(jìn)行闡述，并結(jié)合應(yīng)用案例進(jìn)行分析，希望能給同行帶來(lái)一些啟發(fā)。

1? ? 耐壓性能的要求對(duì)絕緣材料選擇的影響

電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，在正常使用條件下承受的是工作電壓，由于系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定性以及系統(tǒng)外部的影響，電氣設(shè)備還會(huì)承受各種過(guò)電壓，例如暫時(shí)過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、雷擊過(guò)電壓等，如果電壓過(guò)高，就有可能造成絕緣材料的擊穿。因此，電氣設(shè)備需要具備耐受上述各種電壓的能力。

通常，設(shè)備的絕緣電壓應(yīng)等于或大于所在系統(tǒng)的工作電壓。絕緣電壓是選擇工頻耐受電壓和爬電距離要參考的電壓值。施加工頻耐受電壓可以衡量電路耐受暫時(shí)過(guò)電壓的能力，施加沖擊耐受電壓可以衡量其耐受瞬態(tài)過(guò)電壓的能力。

在低壓系統(tǒng)中，常見(jiàn)的工作電壓為400 V，A、B、C三相，當(dāng)過(guò)電壓類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)（即電源進(jìn)線點(diǎn)水平）時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定沖擊耐受電壓為6 kV。A、B、C三相母線系統(tǒng)通常選擇銅排，由絕緣件支撐，如圖1所示。圖中淺灰色表示絕緣支撐件，深灰色表示導(dǎo)體——銅排。a為電氣間隙（即兩個(gè)導(dǎo)體之間的最短直線距離），b為爬電距離（即兩個(gè)導(dǎo)體之間沿絕緣材料表面的最短距離）。任何情況下，爬電距離都不應(yīng)小于相應(yīng)的最小電氣間隙，即b≥a。

最小電氣間隙由所在系統(tǒng)的額定沖擊耐受電壓決定。比如，當(dāng)額定沖擊耐受電壓為6 kV時(shí)，電氣間隙最小為5.5 mm，即a≥5.5 mm。低壓開(kāi)關(guān)柜的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》（GB/T 7251.1—2013）的10.9.3.5條規(guī)定，如果電氣間隙達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小電氣間隙的1.5倍，則可以免除沖擊耐受電壓試驗(yàn)，只需用測(cè)量的方法進(jìn)行電氣間隙的驗(yàn)證即可。

最小爬電距離由額定絕緣電壓、環(huán)境污染等級(jí)和材料組別三者共同確定。例如，在額定絕緣電壓為690 V、環(huán)境污染等級(jí)為3、材料組別為Ⅱ的條件下，最小爬電距離為9 mm;而材料組別為Ⅲa的條件下，最小爬電距離為10 mm。由此可以看出，材料組別越高，需要的最小爬電距離越小，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)得越緊湊。

材料組別分類(lèi)如表1所示[1]。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，A、B、C三相導(dǎo)體間要保持一定的電氣間隙和爬電距離，否則會(huì)被擊穿，造成短路甚至火災(zāi)等事故。因?yàn)殡姎忾g隙a最小要求為5.5 mm，爬電距離b最小要求為9 mm（假設(shè)選擇材料組別為Ⅱ）。為了同時(shí)滿足最小a和最小b的要求，要么將電氣間隙放大到9 mm，要么將灰色的絕緣材料的表面由平面設(shè)計(jì)改為凸起表面設(shè)計(jì)，以增加爬電距離到9 mm，如圖2（b）所示，虛線部分相加為爬電距離。如果選擇電氣間隙≥1.5×5.5=8.25 mm，那么就可以免做沖擊耐受電壓的試驗(yàn)。因此，選擇電氣間隙≥9 mm，則同時(shí)可以滿足最小爬電距離的要求，還可以免做沖擊耐受電壓的試驗(yàn)。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要從整體出發(fā)多方權(quán)衡到底選擇多大尺寸。

2? ? 耐熱性能的要求對(duì)絕緣材料選擇的影響

電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，除了承受工作電流，有時(shí)還會(huì)承受各種過(guò)電流，例如短路造成的過(guò)電流等。只要有電流流過(guò)，導(dǎo)體就會(huì)發(fā)熱，溫度就會(huì)升高，因此，絕緣材料的耐熱性能要考慮正常發(fā)熱和非正常發(fā)熱情況下的耐受能力。

此外，絕緣材料的絕緣性能與溫度也有著密切的關(guān)系，溫度越高，絕緣材料的絕緣性能越差。為保證絕緣強(qiáng)度，每種絕緣材料都有一個(gè)適當(dāng)?shù)淖罡咴试S工作溫度，在此溫度以下，材料可以長(zhǎng)期安全地使用，超過(guò)這個(gè)溫度就會(huì)加速老化。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電氣絕緣 耐熱性和表示方法》（GB/T 11021—2014）中，絕緣材料的最高允許工作溫度被稱(chēng)為耐熱等級(jí)。從絕緣材料的耐熱等級(jí)（表2）可知，A級(jí)絕緣材料在最高105 ℃的溫度下就可以長(zhǎng)期安全地使用。通常在選擇絕緣材料的耐熱等級(jí)時(shí)會(huì)考慮高一級(jí)的材料，也就是留有一定的裕量。

絕緣材料耐熱性能直接影響低壓開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7251.1—2013中表6規(guī)定了低壓開(kāi)關(guān)柜的溫升限值要求，即在周?chē)諝馄骄鶞囟炔怀^(guò)35 ℃時(shí)的限值。例如：用于連接外部絕緣導(dǎo)線的端子的溫升不能超過(guò)70 ℃，加上周?chē)諝鉁囟?5 ℃，也就是連接外部絕緣導(dǎo)線端子的溫度不能超過(guò)105 ℃。因此，在選擇用于連接外部絕緣導(dǎo)線端子處的絕緣材料時(shí)，選擇A級(jí)絕緣材料就可以滿足要求。但在實(shí)際使用中，也可以選擇E級(jí)絕緣材料，使其具有更高一級(jí)的安全系數(shù)。

上面講述的是正常發(fā)熱情況下絕緣材料的溫度選擇，在非正常發(fā)熱情況下，比如在短路時(shí)導(dǎo)體能夠產(chǎn)生高達(dá)200～250 ℃的溫度，那么絕緣材料就要選擇短時(shí)耐熱溫度超過(guò)200～250 ℃的。

另外，過(guò)電流是一種能夠產(chǎn)生較大熱量甚至導(dǎo)致著火的非正常條件下的電流，因此，絕緣材料還需要有一定的能夠耐受由于過(guò)電流引起的非正常發(fā)熱和著火的能力。通常用灼熱絲耐熱試驗(yàn)來(lái)衡量絕緣材料耐受非正常發(fā)熱和著火的能力。

對(duì)于需要在其上直接安裝載流部件的絕緣材料，要求能夠耐受960 ℃的灼熱絲頂部溫度;對(duì)于嵌入墻內(nèi)的外殼，要求耐受850 ℃;對(duì)于其他部件，包括要安裝保護(hù)導(dǎo)體的部件，要求耐受650 ℃[1]。

因此，對(duì)于耐熱性能的要求，在選擇絕緣材料時(shí)，要考慮絕緣材料的長(zhǎng)期工作溫度或耐熱等級(jí)、短時(shí)耐熱溫度和灼熱絲耐受溫度。

3? ? 電動(dòng)力對(duì)絕緣材料機(jī)械強(qiáng)度的影響

在正常工作條件下，低壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行時(shí)通常只受到重力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作用;在非正常條件下，比如短路時(shí)，會(huì)受到熱應(yīng)力和電動(dòng)力的綜合影響，比如母線夾在短路時(shí)就要承受由于短路引起的電動(dòng)力。母線夾之間的距離與電動(dòng)力有很大的關(guān)系，通常通過(guò)計(jì)算和短路試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證母線系統(tǒng)的動(dòng)熱穩(wěn)定性。

如某母線系統(tǒng)，選擇矩形銅導(dǎo)體截面尺寸為60 mm×

10 mm，A、B、C三相之間的相間距c=200 mm，母線夾之間的距離L=600 mm，三相預(yù)期短路峰值電流Ipk=73.5 kA?？梢韵扔糜?jì)算的方法來(lái)驗(yàn)證該導(dǎo)體的固有頻率及最大電動(dòng)力，再用短路試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證可靠性。

計(jì)算過(guò)程如下：

導(dǎo)體的斷面二次矩[3]：

導(dǎo)體的一階固有頻率為[3]：

當(dāng)導(dǎo)體支撐方式為多等跨簡(jiǎn)支時(shí)，Nf=3.56，E=

11.9×1010 Pa，代入公式中求得：

固有頻率f1在35～135 Hz范圍以外，故動(dòng)應(yīng)力系數(shù)β=1。因此，最大電動(dòng)力為[3]：

將數(shù)值代入上式中，得到最大電動(dòng)力：

Fmax=1.73×10-7××73 5002×1≈2 804 N

4? ? 設(shè)計(jì)時(shí)絕緣材料其他性能的選擇

低壓開(kāi)關(guān)柜里的許多零部件結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，比如母線系統(tǒng)、母線夾、絕緣子等，一般選用熱固性塑料，比如BMC、SMC或者電工膠木等，這些原材料里通常含有玻纖，因此強(qiáng)度很高，又有很好的耐熱性（耐熱等級(jí)通常為F級(jí)），絕緣強(qiáng)度高，得到了廣泛應(yīng)用。

低壓開(kāi)關(guān)柜里也有一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零部件，比如多功能板、抽屜里的一次插座等絕緣支撐件，通常選用熱塑性塑料，比如尼龍加玻纖等，此種塑料的流動(dòng)性好，模具加工較容易，機(jī)械強(qiáng)度高，還可以添加合適的阻燃劑起到很好的阻燃作用。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有時(shí)還要考慮環(huán)保要求，尤其是在碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略背景下，要選擇環(huán)保材料，比如低煙無(wú)鹵阻燃的材料等，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

總之，絕緣材料是低壓開(kāi)關(guān)柜的重要組成部分，在進(jìn)行絕緣材料選型及設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮上述各方面的影響，通過(guò)正確的原材料選擇、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和必要的試驗(yàn)驗(yàn)證，選擇既能滿足功能、性能要求，又易于獲得，加工工藝性好、性價(jià)比高，同時(shí)還兼顧環(huán)保要求的材料。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則：GB/T 7251.1—2013[S].

[2] 電氣絕緣 耐熱性和表示方法：GB/T 11021—2014[S].

[3] 苗世洪，朱永利.發(fā)電廠電氣部分[M].5版.北京：中國(guó)電力出版社，2015.

收稿日期：2022-01-10

作者簡(jiǎn)介：竇娟娟（1970—），女，湖北通山人，機(jī)械工程師，從事低壓成套產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。