苏州莱瑞测信息科技有限公司

电气产品的绝缘

   2014-01-13 安规与电磁兼容网8380

一般的家电安规标准,都将产品的最高装设高度设为海拔2000公尺。表一所示,乃是高度和距离的修正因素(Correction Factors)之间的关系。
介绍了上述的影响因素之后,现在我们以资讯产品的安规标准IEC60950中,有关空间距离的安规作为说明例子,请见表二。此表乃适用于设置在海拔2000公尺或以下的产品,如标准中的Sub-Clause1.1.2所提。此外,在Sub-Clause2.9.2的Note2中亦提到此表是采用和谐电场与非和谐电场之间的值。我们也可以很明显的看到,表二是适用于CategoryII的,即第二类设置场所。之所以选用此类场所的原因,则是因为一般的资讯产品,都被使用于有控制的室内环境里,不会有严重的污染产生。表中又依不同的输入电压(Nominal Mains Supply Voltage)分为三栏,这是因为不同的配电系统,便会有不同的瞬变电压必须承受,如前所提。

接着,该表又依污染程度,对空间距离作了不同的要求。至于所谓的基本绝缘或双重绝缘等问题,将容后于讨论绝缘分类时予以说明。表的左边有个工作电压(Working Voltage),这电压并非输入电压,而是两导体间在正常操作时的真正压差。要了解此压差的幅度究竟有多大,最简单而又可靠的方法便是直接量测,不过在进行量测时,必须留意两件事,首先,由于线路中的电压多不是弦波或单纯的方波,故所使用的电表之响应时间(Response Time)不能太慢,以免测不到高频部分,且该表最好是真均根方值表(True Root – Mean-Square Meter)。其次,若线路中有绝缘变压器或继电器(Relay)之类的隔离元件,则应在量测前,将隔离元件两侧的线路或迴路(Loop),连接到一个共同的参考点(Reference),以避免量测到的只是个虚电压;一般的作法,乃是将两侧迴路的低压端接到大地(Ground)。当然,在量测时必须改变被测物的各种操作条件,以求得最高压差。
      有些标准会有特别规定,即若工厂的生产控制非常优良,那么对于空间距离的规定便可较为放松,不过,一般的安检单位都不会轻易地接受这一点。

二、爬电/沿面距离(Creepage Distance)

在美国,通常称爬电距离为Over-surface Spacing,是指沿绝缘物表面量测而得的两导体间距离。若外壳是以绝缘材料制成,则内部导体和外壳上的开孔或隙缝间的距离,与空间距离量测时的考虑一样。此外,除非是污染程度为Degree 1的产品(当然有些例外除之),一般标准都规定沿面距离不得小于空间距离。

影响爬电距离的因素很多,有些也和空间距离的因素一样,我们一一于下列说明:

1、 工作电压(Working Voltage)
和工作距离不同的是,沿面距离具有防止漏电流过大的功能,因此它和两电极间的工作电压有着绝对的关系,因为电压差越大,漏电流也就越大。

2、 污染(Pollution)
       爬电距离之污染程度的分类和空间距离相同,但是“污染”这个因素对沿面距离的影响,则远比对空间距离的影响来得重要,因为多数的污染物,都是积存于两电极间的绝缘物上;冷凝现象发生在绝缘物表面的机会也更高。此外,潮解物的存在亦是一大影响,以盐为例,当周围的相对湿度在40%左右时,就会有潮解现象导致两导体间的绝缘恶化。

3、 绝缘材料(Insulating Materials)
       由于谈的是爬电距离,故两导体间绝缘材料,便显得非常重要了。在选择材料时,最重要的考虑就是有关碳化或轨化(Tracking)的问题。所谓碳化或轨化,是指当绝缘物的表面沉积着愈来愈多的污染物时,表面的漏电流便愈来愈大,甚至出现小小的电弧(Mini-Arc),以致绝缘物的表面变质或碳化而形成漏电的轨渠。

在安规领域里,有所谓的比对轨化指数(Comparative Tracking Index,简称CTI),如图五及图三。这是为了界定各种材料的轨化程度而设计的一种相对的指数。

这些测试的规定,主要出于IEC112与美国测试及材料协会(Ame-rican Sociaty for Testing and Materials)的ASTMD3638—85中,在UL746A里亦稍有提及。测试方法是先将材料的样品放在测试架上,两铂电极接至可调的电压源,然后再以每30秒一滴的速度,由滴端共滴下50滴污水(Aqueous Contaminant Liquid,通常为Ammonium chloride,即NH4CL的释液或阻抗为395+5Ω.cm的液体)。若该绝缘材料在铂电极间电压为100V时碳化,则该材料的指数为100,其性能水平的分类(Performance Level Categories,即PLC)为4,而其在材类的组别为1116,就如表三所示。轨化指示在100以下的材料,通常不为安规标准所接受,故在材料分组中并未将这等级的绝缘材料考虑在内,有些标准甚至规定,若工作电压超过630V时,1116的材类不能使用于第三层次的污染环境(Pollution Degree 3)中。

不过,也有些标准提到,如果两导体间的绝缘表面是无机物(Inorganic),如玻璃、陶器(Ceramics)、或云母(Mica)等,在量测沿面距离时,可以采用空间距离的要求,因为这些材料并无碳化的可能。

4、 静电(Electrostatic)
有些产品如电视、电脑监视器(Monitor)等会产生静电,这些静电场会吸引大量的灰尘而形成污染。不过静电所引起的污染,大多不是传导性污染。

表四是IEC所建议的沿面距离规定,其中污染程度为I的栏位并没有CTI的规定值,原因即如前文所提,这种程度的污染几乎等于没有污染的意思。

在介绍了空间距离和沿面距离之后,我们接着说明实际的量测情形。首先请看图六,空间距离很明显的是两导体间最近的直线距离,若绝缘的表面是平直的,且无任何凹槽(Groove)或开孔,那么沿面距离的大小就和空间距离一样。但如果绝缘表面象图六所示的一般,则情况就较为复杂,这时沿面距离的大小,便得透过图中所示之粗径(Bold Path)而量测之,图中X值的大小则依污染环境的条件而有不同,如表五所示。当然,因为一般产品都是设置在室内环境,亦即污染程度为0的条件,所以我们常看到的标准,都将X规定为1mm。

现在我们以X值为1mm再看看图七和图八。当凹槽的宽度小于1mm时,沿面距离与空间距离相同;当凹槽的宽度大于1mm时,空间距离不变,而沿面距离则须沿着凹槽的表面来量测了。因为沿面距离的要求比空间距离大,因此有经验的设计师在碰到距离只符合空间距离而不符合沿面距离时,便会在导体间的绝缘表面上开一个较大的沟槽,如此便可以轻易解决沿面距离不足的问题了。
有一点值得留意的是大部分的标准都会要求在量测进行之前,需对可移动的零件,例如直立的电阻、高脚的电容等,施加一个固定的力量,以使空间或沿面距离在最不利的情况下度量。事实上,沿面或空间距离的量测颇为复杂,尤其是对一些如变压器或马达等叫精巧的零件。因此量测人员的能力与经验都相当重要。

 
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