葛江波 胡良果

CCX工具在低壓電器產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

葛江波 胡良果

（施耐德電氣（中國）有限公司上海分公司，上海 201203）

電氣間隙和爬電距離是衡量電器產(chǎn)品電氣安全性的關(guān)鍵指標(biāo)。本文從IEC 60664—1和IEC 60947—1出發(fā)分析影響兩者的主要因素，并闡述利用Creo CCX工具計(jì)算分析電氣間隙和爬電距離的基本原理和具體設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合低壓電器限位開關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，給出運(yùn)用CCX工具分析電氣間隙和爬電距離的優(yōu)化案例，為改善低壓電器產(chǎn)品的電氣安全性設(shè)計(jì)提供參考。

低壓電器；電氣安全；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；電氣間隙；爬電距離；CCX

0 引言

隨著低壓電器產(chǎn)品向小型化、高集成度、高可靠性等方向發(fā)展，產(chǎn)品的功能越來越多，自身結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜，產(chǎn)品的電氣安全問題越來越突出，這也是一直受消費(fèi)者和產(chǎn)品開發(fā)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。電氣安全性是衡量低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，電氣間隙和爬電距離與之息息相關(guān)，對(duì)產(chǎn)品的電氣安全起著至關(guān)重要的作用，是研發(fā)人員在開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，需要重點(diǎn)保證的技術(shù)參數(shù)。

目前，針對(duì)產(chǎn)品電氣間隙和爬電距離的研究很多。文獻(xiàn)[4]研究和分析在產(chǎn)品安全檢驗(yàn)中涉及電氣間隙和爬電距離的相關(guān)路徑的確定，以及測(cè)量方法的選擇。文獻(xiàn)[5]研究如何測(cè)量同一平面內(nèi)和不同平面間的電氣間隙與爬電距離。文獻(xiàn)[6-7]以蹺板開關(guān)為例，結(jié)合X光片透視和產(chǎn)品模型，對(duì)不同條件下的電氣間隙和爬電距離的測(cè)量進(jìn)行對(duì)比分析。文獻(xiàn)[8-11]研究關(guān)于測(cè)量電氣間隙和爬電距離的不確定度的評(píng)定，以及影響不確定度的因素。文獻(xiàn)[12]研究分析6種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于跨接尺寸的影響因素和等效性的規(guī)定。上述文獻(xiàn)主要涉及檢測(cè)機(jī)構(gòu)如何測(cè)量產(chǎn)品的電氣間隙和爬電距離，而關(guān)于在研發(fā)設(shè)計(jì)中如何確保電氣間隙和爬電距離的研究甚少。

鑒于此，本文研究分析Creo CCX（clearance and creepage extension）工具計(jì)算電氣間隙和爬電距離的基本數(shù)學(xué)模型和相關(guān)設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合低壓電器產(chǎn)品限位開關(guān)，給出運(yùn)用CCX工具進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化的具體案例，以期為改善產(chǎn)品的電氣安全性設(shè)計(jì)提供參考，為新一代低壓電器產(chǎn)品的研發(fā)及優(yōu)化提供思路。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)概述

1.1 標(biāo)準(zhǔn)介紹

有關(guān)低壓電器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，主要來自IEC和UL兩大標(biāo)準(zhǔn)體系。

IEC 60947是關(guān)于低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的系列標(biāo)準(zhǔn)，共有22個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，由IEC/SC 121A國際技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)制定。IEC 60947—1作為此系列標(biāo)準(zhǔn)的總則，其中的表13和表15分別規(guī)定了對(duì)電氣間隙和爬電距離的具體要求。而IEC 60947—1關(guān)于電氣間隙和爬電距離的規(guī)定是在參考IEC 60664—1（GB/T 16935.1）標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加以制定的。

中國現(xiàn)頒布施行的關(guān)于低壓電器的GB 14048系列標(biāo)準(zhǔn)，是與IEC標(biāo)準(zhǔn)接軌的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，大部分是等同采用了IEC 60947標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)如GB 14048.1/4/5/7/8/11是修改采用了IEC 60947相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如接觸器、過載繼電器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器和限位開關(guān)等低壓控制產(chǎn)品涉及的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 14048—1、GB/T 14048—4、GB/T 14048—5，分別與IEC 60947—1，IEC 60947—4—1，IEC 60947—5—1相對(duì)應(yīng)。該系列標(biāo)準(zhǔn)目前由中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)修訂，歸口于全國低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 189）。截至2020年，該系列標(biāo)準(zhǔn)全部由強(qiáng)制性改為推薦性，標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)亦由GB變?yōu)镚B/T。

隨著低壓電器市場(chǎng)的全球化加劇和競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)相互滲透。為了協(xié)調(diào)UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，Underwriters Laboratories Inc.推出了一系列與IEC標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)相同的標(biāo)準(zhǔn)，其中UL 60947系列標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。目前，這些UL標(biāo)準(zhǔn)中涉及低壓電器的標(biāo)準(zhǔn)有10種。

1.2 相關(guān)概念定義

表1列舉了與電氣間隙和爬電距離相關(guān)的基本概念的定義[13-14]。

表1 基本概念的定義

（續(xù)表1）

1.3 影響電氣間隙和爬電距離的因素

良好的電氣安全設(shè)計(jì)，應(yīng)確保進(jìn)入設(shè)備的瞬態(tài)過電壓和設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的峰值電壓不會(huì)擊穿產(chǎn)品此處的電氣間隙；爬電距離應(yīng)確保在給定的工作電壓和污染等級(jí)下產(chǎn)品不會(huì)產(chǎn)生閃絡(luò)或擊穿。通常，標(biāo)準(zhǔn)要求的最短的爬電距離應(yīng)大于或等于最短的電氣間隙，但是兩者間并無物理聯(lián)系。例如玻璃、陶瓷等材料不會(huì)發(fā)生漏電起痕，其爬電距離就不必大于相應(yīng)的電氣間隙。

1）與電氣間隙相關(guān)的因素

影響電氣間隙的主要因素有電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓、過電壓類別、額定沖擊耐受電壓imp、污染等級(jí)、電場(chǎng)條件、海拔高度（其修正系數(shù)見表2[13]）、絕緣類型（如功能絕緣、基本絕緣、附加絕緣、雙重或加強(qiáng)絕緣）等。由于低壓電器產(chǎn)品主要使用在低頻環(huán)境（如50Hz，60Hz，50/60Hz），故通常不需要考慮頻率的影響。確定電氣間隙的流程如圖1所示。

表2 海拔修正系數(shù)

2）與爬電距離相關(guān)的因素

影響爬電距離的主要因素有額定絕緣電壓i、材料組別（根據(jù)CTI值，絕緣材料可劃分為4大類，見表3）、污染等級(jí)、槽寬度值、絕緣類型（如功能絕緣、基本絕緣、附加絕緣、雙重或加強(qiáng)絕緣）等。關(guān)于頻率，通常亦不需考慮其對(duì)爬電距離的影響。確定爬電距離的流程如圖2所示。

圖1 確定電氣間隙的基本流程

表3 材料組別的分類

圖2 確定爬電距離的基本流程

3）實(shí)際測(cè)量路徑對(duì)兩者的影響

除了上述因素外，在實(shí)際確定測(cè)量路徑的選擇上，以下3個(gè)因素會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生影響。

（1）槽寬度原則

關(guān)于槽寬度對(duì)爬電距離的影響，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同污染等級(jí)下的槽寬度的最小值min，見表4。當(dāng)實(shí)際槽寬度小于min，其爬電距離應(yīng)直接跨過槽寬度測(cè)量。當(dāng)實(shí)際槽寬度等于或大于min，其爬電距離應(yīng)沿槽的輪廓進(jìn)行測(cè)量。另外，如果涉及的電氣間隙小于3mm，min可減少至該電氣間隙的1/3。

（2）V形槽80°角原則

根據(jù)IECEE發(fā)布的CTL DSH—590號(hào)決議單上的80°角規(guī)則（溝槽橋接規(guī)則）[15]：當(dāng)V形槽底部角度＜80°，且開口寬度大于min時(shí)，爬電距離的路徑應(yīng)沿著槽的輪廓進(jìn)行繪制，但在槽底部應(yīng)采用尺寸為min的連線跨接。不同情況下V形槽的爬電

表4 不同污染等級(jí)下的Xmin

距離應(yīng)按圖3所示的路徑進(jìn)行計(jì)算。

圖3 V形槽爬電距離路徑示意圖

（3）筋原則

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通常采用凸筋結(jié)構(gòu)來增加其電氣間隙和爬電距離。IEC 60664—1和IEC 60947—1關(guān)于筋結(jié)構(gòu)和爬電距離的規(guī)定不盡相同[13-14]。IEC 60947—1附錄G G.2規(guī)定：若筋的最小高度為2mm時(shí)，爬電距離可減少至規(guī)定值的0.8倍，對(duì)筋的最小寬度不做要求，滿足機(jī)械要求即可。IEC 60664—1對(duì)筋的規(guī)定更加嚴(yán)格，表F.5規(guī)定了使用筋時(shí)減小的爬電距離值，但只適于在污染等級(jí)3，爬電距離大于或等于8mm的情況下，且需滿足單個(gè)筋的最小寬度值和最小高度值的要求（即分別要達(dá)到所需爬電距離的20%和25%）。

2 CCX工具介紹

2.1 概述

CCX作為PTC Creo軟件下的一個(gè)擴(kuò)展模塊，從最初Pro/E和Creo早期版本的SAX（spark analysis extension），發(fā)展到從Creo 4.0 M010開始推出全新的CCX，其功能變得越來越強(qiáng)大。表5匯總了CCX和SAX的主要區(qū)別。由于CCX新增擴(kuò)展的眾多功能，目前在CCX中不能查看用SAX計(jì)算的分析結(jié)果。

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷提高，以及集成的電子元器件越來越多，傳統(tǒng)方法（例如靠人為經(jīng)驗(yàn)測(cè)量3D模型或樣品等）在設(shè)計(jì)檢查產(chǎn)品的電氣安全性方面往往耗時(shí)且容易出錯(cuò)，或無法提供精確的結(jié)果。而Creo CCX通過對(duì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，可自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)的電氣間隙和爬電距離的計(jì)算分析，以及判斷其是否符合設(shè)計(jì)要求。CCX計(jì)算分析流程如圖4所示。

表5 CCX和SAX的區(qū)別

圖4 CCX計(jì)算分析流程

由于CCX在計(jì)算速度、分析精度，以及計(jì)算結(jié)果的可視化顯示等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，在協(xié)助研發(fā)人員產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化方案、降低成本等方面，可更快速地響應(yīng)市場(chǎng)需求。CCX計(jì)算結(jié)果的可視化路徑分析如圖5所示，其分析結(jié)果會(huì)以高亮紅色線條的方式顯示在模型上。

圖5 CCX計(jì)算結(jié)果的可視化路徑分析

2.2 數(shù)學(xué)模型

圖6為CCX模塊計(jì)算分析電氣間隙和爬電距離的數(shù)學(xué)模型示意圖。通過設(shè)置CCX模塊的相關(guān)參數(shù)，可自動(dòng)計(jì)算識(shí)別滿足條件的多條路徑，并能以可視化及矩陣形式顯示計(jì)算結(jié)果。

圖6 CCX數(shù)學(xué)模型示意圖

筋/槽對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響如圖7所示。在小于或等于min的情況下，CCX計(jì)算時(shí)都會(huì)以尺寸為min的連線處理成橋接，這比目前V形槽80°角原則的規(guī)定更為嚴(yán)格，但其數(shù)學(xué)邏輯也更清晰嚴(yán)密。

圖7 筋/槽對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

另外，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)筋原則的規(guī)定對(duì)CCX的計(jì)算結(jié)果無影響（目前CCX沒有考慮該方面的設(shè)定）。

3 研究案例分析

本文以低壓電器產(chǎn)品限位開關(guān)為例，研究運(yùn)用CCX工具對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的電氣間隙和爬電距離進(jìn)行計(jì)算分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。限位開關(guān)主要由觸頭模塊、塑料外蓋/外殼/底座、橡膠件、金屬板、滾輪及接線端子等組成，其3D設(shè)計(jì)模型如圖8所示。表6列舉了此產(chǎn)品需要滿足的主要電氣參數(shù)指標(biāo)。

圖8 限位開關(guān)的3D設(shè)計(jì)模型

表6 限位開關(guān)電氣安全參數(shù)與指標(biāo)

3.1 電氣間隙和爬電距離的最小值

由表6查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60664—1—2020、IEC 60947—1—2020和IEC 60947—5—1—2016[13-14, 16]，得到需滿足的電氣間隙和爬電距離最小值見表7。

3.2 CCX計(jì)算分析

首先，啟動(dòng)帶有CCX模塊的Creo軟件，打開經(jīng)簡(jiǎn)化處理的3D設(shè)計(jì)模型。在“分析（Analysis）”選項(xiàng)卡下啟動(dòng)Clearance and Creepage Analysis（即CCX模塊）。

1）設(shè)置零件屬性（Meta Data）

CCX中主要通過設(shè)置CTI值來定義零件屬性，共有3種類型：CTI=0（導(dǎo)電件）、CTI=1（非導(dǎo)電件）、CTI=-1（CTI值尚未被定義的零件）。雖然實(shí)際絕緣材料的CTI值越大，絕緣性能越高，但CCX分析結(jié)果僅取決于電氣間隙和爬電距離，而不是CTI值。設(shè)置CTI為1或絕緣材料的實(shí)際CTI值對(duì)于CCX計(jì)算結(jié)果沒有影響，只是區(qū)別導(dǎo)體與否。本次計(jì)算分析涉及的絕緣件，其CTI均設(shè)置為1，便于參數(shù)檢查。另外，還需將模型中人手能觸及的塑料件外表面定義為導(dǎo)電。

表7 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣間隙和爬電距離最小值

此外，CCX中對(duì)零件類型的定義有5種：默認(rèn)（Default）、鉚釘（Rivet）、螺釘（Screw）、彈簧（Spring）和凸包（Convex Hull）。其中CCX在設(shè)置螺釘和彈簧類型后自動(dòng)對(duì)幾何模型簡(jiǎn)化處理，如圖9所示。模型中涉及的鉚釘、螺釘和彈簧除了設(shè)置CTI值為0外，還需定義其類型分別為Rivet、Screw和Spring，如圖10所示。

圖9 CCX對(duì)設(shè)置螺釘和彈簧類型的簡(jiǎn)化處理

2）定義電子網(wǎng)絡(luò)（Electric Nets）

CCX將具有相同電勢(shì)的導(dǎo)電零件的集合稱為電子網(wǎng)絡(luò)，可設(shè)定為3種類型，見表8。根據(jù)分析需要，將CCX自動(dòng)識(shí)別的電子網(wǎng)絡(luò)（Nets）進(jìn)行手動(dòng)合并，并將其設(shè)置為電勢(shì)（Potential），電壓設(shè)置為250V，如圖11所示。

圖10 零件的CTI值和類型設(shè)置

表8 電子網(wǎng)絡(luò)分類

圖11 電子網(wǎng)絡(luò)的定義

3）設(shè)置分析參數(shù)（Analysis）

在此選項(xiàng)卡中，按表7要求手動(dòng)設(shè)定源（Source- Contact_block）和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)（Target net-Class2 surfaces）間的電氣間隙、爬電距離和槽寬度，違規(guī)公差（Violation Tolerance）設(shè)置為3mm，如圖12所示。

4）結(jié)果分析

圖12 電氣間隙、爬電距離和槽寬度設(shè)置

圖13 分析結(jié)果

圖14 爬電距離的失效路徑

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖15 優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

爬電距離和電氣間隙的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到產(chǎn)品的電氣安全可靠性，如何在這方面提高設(shè)計(jì)質(zhì)量是設(shè)計(jì)人員面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。本文以低壓電器產(chǎn)品限位開關(guān)為例，研究了如何運(yùn)用Creo CCX工具開展電氣間隙和爬電距離的計(jì)算分析，并以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。該方法可為改善低壓電器的電氣安全性設(shè)計(jì)提供參考。

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Application of CCX tool in safety design of low voltage apparatus products

GE Jiangbo HU Liangguo

(Shanghai Branch of Schneider Electric (China) Co., Ltd, Shanghai 201203)

Clearances and creepage distances are the key indicators to measure the electrical safety of products. This paper analyzes the main factors determining them from IEC 60664—1 and IEC 60947—1. It discusses the mathematic principle and setup of Creo CCX tool. Based on this, design optimization of low-voltage product-limit switch using CCX is carried out, which provides important guidance on robustness design of electrical safety in low-voltage apparatus.

low-voltage apparatus; electrical safety; product design; clearance; creepage distance; CCX

2022-06-08

2022-06-20

葛江波（1986—），男，陜西咸陽人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事低壓電器的產(chǎn)品開發(fā)與技術(shù)研究工作。