杜 曉，冀孟軒

(太原重型機械集團有限公司起重機研究所，太原 030024)

用于冶金起重機的變頻器電氣安全間距設(shè)計

杜 曉，冀孟軒

(太原重型機械集團有限公司起重機研究所，太原 030024)

為提高用于冶金起重機上的變頻器的安全性及可靠性，合理設(shè)計變頻器的安全間距，通過解讀UL840中對于電氣間隙及爬電距離的相關(guān)要求，分析并說明了其應(yīng)用條件及注意事項，給出了設(shè)計時得到正確參數(shù)值的方法，最后通過實驗驗證了所設(shè)計的滿足文中安全間距要求的變頻器具有安全可靠的絕緣耐壓特性，并結(jié)合實際中可能遇到的問題給出了相應(yīng)的設(shè)計思路。

變頻器;電氣間隙;爬電距離;UL840;冶金起重機

隨著我國能源問題的日益突出，節(jié)能減排及各類新能源設(shè)備的設(shè)計及使用已成為社會關(guān)注的一大焦點，變頻器作為改善電機性能并在特定條件下將多余的能量回饋給電網(wǎng)的設(shè)備，在冶金起重機中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于冶金行業(yè)工況環(huán)境等因素，其工作電壓及工作電流往往也較大，因此在設(shè)計變頻器時，設(shè)備的可靠性及安全性就顯得十分重要，這就要求變頻器的電路及結(jié)構(gòu)所設(shè)計的安全間距滿足一定的標準要求[1]。UL作為從事安全試驗和鑒定的較大的專業(yè)機構(gòu)，其制定的標準在保障變頻器產(chǎn)品安全性能外也是國內(nèi)產(chǎn)品進入北美市場的一項必要的技術(shù)要求。UL840[2]作為該系列標準中的一項，規(guī)定了電氣設(shè)備的電氣間隙和爬電距離以及絕緣協(xié)調(diào)配合的要求。由于目前針對安全間距的研究多基于安全間距的理論分析及驗證[3]，并無結(jié)合相關(guān)標準對具體行業(yè)的具體設(shè)備進行指導(dǎo)，本文依據(jù)UL840標準中的條款，分析與說明了其在變頻器產(chǎn)品中關(guān)于電氣間隙及爬電距離的具體條文，歸納總結(jié)了如何合理設(shè)計變頻器安全間距，并結(jié)合實際設(shè)計中可能遇到的問題給出了相應(yīng)的解決辦法，在實際設(shè)計變頻器電路及機械機構(gòu)方面具有指導(dǎo)意義。

1 電氣間隙的理論依據(jù)

其中ɑ與b為常數(shù)，在標準氣壓下ɑ=43.66，b= 12.8.從上述公式中可以看出在氣壓一定的情況下，擊穿電壓隨著電極間距離d的增加而升高。因此UL840中為了保證變頻器電路各電極間不會產(chǎn)生放電現(xiàn)象而對不同電極間的距離做出了相應(yīng)的要求。

對于采用了過壓控制設(shè)備的變頻器，該要求還與設(shè)備所處環(huán)境的污染等級及具體的過壓范圍有關(guān)。其中污染等級可以根據(jù)是否有污染物的存在以及冷凝的可能性分為四個等級，分別為:

污染等級一:僅存在干燥的不導(dǎo)電的污染或無污染的環(huán)境。

污染等級二:正常情況下僅存在不導(dǎo)電的污染，但是可能會由冷凝引起暫時性的導(dǎo)電的污染。

污染等級三:可導(dǎo)電的污染或因冷凝造成干燥的非導(dǎo)電污染變?yōu)榭蓪?dǎo)電的污染。

污染等級四:由于可導(dǎo)電粉塵、雨、雪等造成的可持續(xù)性導(dǎo)電的污染。

帕邢定律:擊穿電壓U是電極距離d和氣體的壓力p乘積的函數(shù)，公式表示為:

2 電氣間隙的設(shè)計要求

電氣間隙是指為避免不同電極間通過空氣放電所要求的最小距離，該距離通常為兩電極間通過空氣的最短距離[4-5]。其數(shù)值應(yīng)參考 UL840的表8.1中所列數(shù)值，具體內(nèi)容見表1.

表1 設(shè)備應(yīng)滿足的最小電氣間隙Tab.1 Mini clearance requirement in equipment(Tab.8.1 in UL840)

在使用該表時，若變頻器未使用過壓保護設(shè)備，則先確定變頻器所處的過壓范圍，再確定變頻器安裝處的污染等級，然后得到對應(yīng)該過壓范圍及污染等級下所要求的最小電氣間隙。若變頻器中有應(yīng)用過壓保護設(shè)備，則應(yīng)根據(jù)所用過壓保護設(shè)備可承受的脈沖電壓的額定峰值和過壓范圍中較嚴苛的那個值及污染等級得到所應(yīng)滿足的最小電氣間隙。當一個設(shè)備的過壓范圍或可耐受的脈沖電壓額定峰值處于表中所列值的某一個區(qū)間中時，應(yīng)參考該區(qū)間的上限對應(yīng)的距離要求。不同類型電路間的安全間距需要按照條件嚴苛的電路的要求進行設(shè)計。需要特別注意的是這里所提到的過壓保護設(shè)備并非我們?nèi)粘Ｌ峒暗娜繅好綦娮璧仍O(shè)備，因為UL在其標準中將壓敏電阻等又分成了幾類，其中僅有部分滿足這里的過壓保護設(shè)備的要求，具體的說明請參考UL網(wǎng)站或UL1449中的相關(guān)規(guī)定。

對于冶金起重機來說常見的相對地電壓有380 V，690 V等，對應(yīng)的過壓范圍可選為600 V或1 000 V以下對應(yīng)的安全間距要求。另外由于工作環(huán)境里粉塵較大，因此建議參考污染等級三條件下的相關(guān)距離，若起重設(shè)備上裝有較好的通風除塵設(shè)備，則可參考污染等級二條件下的相關(guān)距離。如實際中位于通風良好的室內(nèi)電氣倉內(nèi)，進線側(cè)未裝有過壓保護設(shè)備，工作在380 V額定電壓下的變頻器主回路電路可導(dǎo)電部分間的電氣間隙應(yīng)大于5.5 mm.經(jīng)隔離變壓器隔離，工作在24 V額定電壓下的變頻器控制電路各部分間的電氣間隙應(yīng)大于0.2 mm.主回路及控制回路之間的電氣間隙參照主回路部分的電氣間隙要求應(yīng)大于0.5 mm.

3 爬電距離的設(shè)計要求

爬電距離是指由于導(dǎo)體周圍的絕緣材料被電極化而呈現(xiàn)出帶電現(xiàn)象，該區(qū)域的半徑即為爬電距離[4-5]。爬電距離通常跟相關(guān)電路的操作電壓，所用絕緣材料的漏電起痕指數(shù)以及污染等級有關(guān)。設(shè)計時應(yīng)參考UL840的表9.1及表9.2中的數(shù)值進行設(shè)計。

因表2及表3中數(shù)據(jù)較多，本文中只列出了較為常用的幾組數(shù)據(jù)。

在使用UL840中表9.1及表9.2時同樣應(yīng)當先根據(jù)操作電壓的范圍，確定被關(guān)注電路所處的污染等級，再根據(jù)所用絕緣材料的漏電起痕指數(shù)來確定應(yīng)滿足的最小爬電距離。當操作電壓處于表中所列某一電壓區(qū)間中時，處理方法同處理電氣間隙時的一樣。通常絕緣材料的漏電起痕指數(shù)在所選材料的廠家的技術(shù)手冊中都有注明。對于PCBA所處污染等級為3或4時，需要根據(jù)UL840中表9.1所列的參考值進行設(shè)計。

表2 設(shè)備所應(yīng)滿足的最小爬電距離(表9.1)Tab.2 Mini creepage requirement in equipment(Tab.9.1 in UL840)

表3 PCBA應(yīng)滿足的最小爬電距離(表9.2)Tab.3 Mini creepage requirement in PCBA(Tab.9.1 in UL840)

4 實際中可能遇到的問題及解決方法

在實際設(shè)計時，會出現(xiàn)下列幾種情況:

(1)電氣間隙與爬電距離所通過的空間距離為同一條路徑但兩者給出的最小距離參考值不同。

(2)由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，某一空間狹小使得電氣間隙不滿足要求。

(3)在產(chǎn)品進行安規(guī)宣稱時發(fā)現(xiàn)PCBA上某兩條線路間的爬電距離不滿足要求。

對于上述幾種情況，這里給出一些解決辦法以供參考:第一種情況應(yīng)當滿足電氣間隙與爬電距離兩者中要求距離較大的數(shù)值，即應(yīng)滿足條件更為嚴苛的要求。對第二種情況可選用滿足UL508c要求的絕緣材料制成的絕緣片將不滿足電氣間隙的兩個電路從空間上隔開。對第三種情況通?？筛鶕?jù)實際情況在兩條線路中開挖一道凹槽以增加爬電距離。

對于按照上述條件設(shè)計的變頻器的絕緣耐壓性能進行驗證，實驗器材為AN9635H型交直流絕緣耐壓測試儀，實驗時設(shè)置實驗電壓為直流2 800 V，持續(xù)時間60 s，電壓由零位到設(shè)定值的緩沖時間為10 s，當漏電流達到3 000 μA時設(shè)備將報警。實驗結(jié)果表明試驗期間各電路元件及機械結(jié)構(gòu)間的漏電流最大為1 656 μA，實驗通過。因此按照文中指出的安全間距設(shè)計可以保證相關(guān)電路及設(shè)備在2 800 V直流電壓下不會對人及周圍器件產(chǎn)生危害，同時也表明設(shè)備在極端條件下的安全性及可靠性是符合相關(guān)標準要求的。

5 結(jié)論

安全間距的設(shè)計是變頻器電氣設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，直接影響到所設(shè)計產(chǎn)品的可靠性與安全性。電氣間隙與爬電距離應(yīng)當在分別考慮了系統(tǒng)電壓，污染等級，過壓范圍，過壓保護設(shè)備及絕緣材料漏電起痕指數(shù)等因素的條件下進行選取。最后對于產(chǎn)品設(shè)計中可能會出現(xiàn)的問題，結(jié)合實際工況在安規(guī)標準所規(guī)定的范圍內(nèi)尋求解決方法。

參考文獻:

[1]UL 508C-2002，Power Conversion Equipment[S].

[2]UL 840-2005，Insulation Coordination Including Clearances and Creepage Distances for Electrical Equipment[S].

[3]鄭虹，張健.電子產(chǎn)品檢測中電氣間隙和爬電距離的確定[J].中國計量學院學報，2007(03):83-86.

[4]杜鵑.電氣間隙和爬電距離的簡析(一)[J].日用電器，2010(11):32-36.

[5]杜鵑.電氣間隙和爬電距離的簡析(二)[J].日用電器，2010(12):46-48.

Clearance and Creepage Design on Converter Electric Safety of Metallurgy Crane

DU Xiao，JI Meng-xuan
(Crane Institute of Taiyuan Heavy Machinery Group Co.，LTD，Taiyuan 030024，China)

To improve the safety and reliability of converter in metallurgy crane，this article introduces the requirements of clearance and creepage according to UL840，analyzes the application conditions and attention options，shows the way of getting accurate parameters，finally verifies the high-voltage withstand ability and gives out the method about how to solve actual problems in design.

converter，clearance，creepage，UL840，metallurgy crane

TP23

B

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.014

1673-2057(2015)04-0309-04

2015-05-04

杜曉(1986-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為起重機配電及控制。