用于冶金起重機的變頻器電氣安全間距設計

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)

用于冶金起重機的變頻器電氣安全間距設計

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要求，分析并說明了其應用條件及注意事項，給出了設計時得到正確參數(shù)值的方法，最后通過實驗驗證了所設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，并結合實際中可能遇到的問題給出了相應的設計思路。

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備的設計及使用已成為社會關注的一大焦點，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)的設備，在冶金起重機中得到越來越廣泛的應用。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，因此在設計變頻器時，設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構所設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，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要求。UL840[2]作為該系列標準中的一項，規(guī)定了電氣設備的電氣間隙和爬電距離以及絕緣協(xié)調配合的要求。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]，并無結合相關標準對具體行業(yè)的具體設備進行指導，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)品中關于電氣間隙及爬電距離的具體條文，歸納總結了如何合理設計變頻器安全間距，并結合實際設計中可能遇到的問題給出了相應的解決辦法，在實際設計變頻器電路及機械機構方面具有指導意義。

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的要求。

對于采用了過壓控制設備的變頻器，該要求還與設備所處環(huán)境的污染等級及具體的過壓范圍有關。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電的污染，但是可能會由冷凝引起暫時性的導電的污染。

污染等級三:可導電的污染或因冷凝造成干燥的非導電污染變?yōu)榭蓪щ姷奈廴尽?/p>

污染等級四:由于可導電粉塵、雨、雪等造成的可持續(xù)性導電的污染。

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)值應參考 UL840的表8.1中所列數(shù)值，具體內(nèi)容見表1.

表1 設備應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。若變頻器中有應用過壓保護設備，則應根據(jù)所用過壓保護設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滿足的最小電氣間隙。當一個設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，應參考該區(qū)間的上限對應的距離要求。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計。需要特別注意的是這里所提到的過壓保護設備并非我們?nèi)粘Ｌ峒暗娜繅好綦娮璧仍O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備的要求，具體的說明請參考UL網(wǎng)站或UL1449中的相關規(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，對應的過壓范圍可選為600 V或1 000 V以下對應的安全間距要求。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距離，若起重設備上裝有較好的通風除塵設備，則可參考污染等級二條件下的相關距離。如實際中位于通風良好的室內(nèi)電氣倉內(nèi)，進線側未裝有過壓保護設備，工作在380 V額定電壓下的變頻器主回路電路可導電部分間的電氣間隙應大于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大于0.5 mm.

3 爬電距離的設計要求

爬電距離是指由于導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。設計時應參考UL840的表9.1及表9.2中的數(shù)值進行設計。

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時同樣應當先根據(jù)操作電壓的范圍，確定被關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計。

表2 設備所應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)品結構的限制，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，電壓由零位到設定值的緩沖時間為10 s，當漏電流達到3 000 μA時設備將報警。實驗結果表明試驗期間各電路元件及機械結構間的漏電流最大為1 656 μA，實驗通過。因此按照文中指出的安全間距設計可以保證相關電路及設備在2 800 V直流電壓下不會對人及周圍器件產(chǎn)生危害，同時也表明設備在極端條件下的安全性及可靠性是符合相關標準要求的。

5 結論

安全間距的設計是變頻器電氣設計中的重要環(huán)節(jié)，直接影響到所設計產(chǎn)品的可靠性與安全性。電氣間隙與爬電距離應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)品設計中可能會出現(xiàn)的問題，結合實際工況在安規(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。