艦用直流1000 V等級開關設備絕緣要求研究

余林剛，豐利軍，關 濤

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艦用直流1000 V等級開關設備絕緣要求研究

余林剛，豐利軍1，關 濤2

（海軍研究院，上海 200235）

艦用直流1000 V等級開關設備是艦船綜合電力系統(tǒng)1000 V等級直流區(qū)域配電系統(tǒng)的關鍵設備，本文針對現(xiàn)有軍用標準絕緣要求的適用性問題，通過國內外相關標準規(guī)范，從直流1000 V電壓等級、直流1000 V等級開關設備的絕緣要素、直流1000 V等級開關設備絕緣要求等方面進行了分析，提出了艦用直流1000 V等級開關設備的絕緣要求建議。

艦用 直流1000V等級 開關設備 絕緣要求

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)是將傳統(tǒng)艦船中相互獨立的動力和電力兩大系統(tǒng)合二為一，以電能的形式統(tǒng)一為推進負載、脈沖負載、通信、導航和日用設備等供電，實現(xiàn)了全艦能源的綜合利用[1]，綜合電力系統(tǒng)已經(jīng)越來越成為當前發(fā)達國家海軍艦船動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[2]。直流區(qū)域配電系統(tǒng)是當前艦船綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分[1]，相比傳統(tǒng)的基于樹干或輻射式交流集中配電方式，更有利于艦船模塊化建造、提高電力系統(tǒng)的效率、可靠性和生命力。在美國“弗吉尼亞”級核潛艇、水面DDG 1000驅逐艦等新型艦艇上已采用低壓直流區(qū)域配電相關技術，隨著分區(qū)內負載容量的不斷增大，提高直流電壓特別是采用低壓范圍內的較高電壓，并兼顧電力電子電流變換裝置廣泛采用的額定1700 V成熟IGBT模塊的安全裕量，1000 V等級直流區(qū)域配電方案成為研究的關注方向[3]。

直流1000 V等級開關設備作為1000 V等級直流區(qū)域配電系統(tǒng)的關鍵設備，其絕緣性能指標直接影響系統(tǒng)的絕緣配合和裝置本身的重量尺寸，也一定程度上影響艦船綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)化設計和設備布置。目前艦船電力系統(tǒng)和設備的相關軍用標準規(guī)范中還缺乏明確針對系統(tǒng)電壓為直流1000 V等級的絕緣性能要求，將對1000 V等級直流區(qū)域配電系統(tǒng)的設計和開關設備的研制帶來不小的困擾，因此通過分析現(xiàn)有國內外相關標準規(guī)范，研究提出艦用直流1000 V等級開關設備絕緣性能指標要求建議顯得十分必要。

1 直流1000 V電壓等級

相比低壓電氣設備，中高壓電氣設備除了絕緣性能要求外，在其他安全性要求方面有較大的差異，對于在直流1000 V等級系統(tǒng)中工作的電氣設備，首先必須確定其是低壓設備還是中高壓設備。

近期美軍標準草案MIL-STD-1399 SECTION LVDC DRAFT規(guī)定了低壓DC375 V、650 V和1000 V三個直流電壓等級的電力品質和界面參數(shù)，而大于1000 V的直流電力系統(tǒng)界面要求在MIL-STD-1399 SECTION MVDC DRAFT中壓部分中規(guī)定，且該MVDC標準中明確規(guī)定了DC600 V、12000 V和18000 V三個中壓直流電壓等級的電力品質和界面參數(shù)。根據(jù)這兩份標準草案電壓等級的劃分，可認為美國海軍將直流1000 V歸入低壓范疇。在CCS規(guī)范的定義中，規(guī)定在額定工作條件下導體間最高電壓不超過1500V的直流系統(tǒng)為低壓直流系統(tǒng)。GB 7251.1《低壓成套開關設備和控制設備總則》規(guī)定適用于DC1500 V及以下的成套開關設備和控制設備。IEEE C37.100.1《Requirement for High Voltage Power Switchgear Rated Above 1000 V》明確規(guī)定適用于額定電壓高于DC1000 V（不包含）的高壓開關設備。IEEE 1709-2010《Recommended Practice for 1kV to 35 kV Medium-Voltage DC Power Systems on Ships》適用于高于1 kV直到并且包括35 kV的船舶中壓直流系統(tǒng)，該標準規(guī)定首選的額定電壓為1.5 kV（或通過雙極實現(xiàn)±0.75 kV）及以上的一系列標準電壓，1000 V及以下應屬于低壓。

從上述國內外標準規(guī)范[4-9]的規(guī)定看，可見DC1000 V屬于低壓范疇，系統(tǒng)直流電壓1000 V的配電系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過電壓范圍不超過直流1500 V，系統(tǒng)內開關設備應為低壓直流電氣設備。

2 直流1000 V等級開關設備的絕緣要素

直流1000 V等級開關設備的絕緣水平是直流1000 V等級區(qū)域配電系統(tǒng)絕緣水平的重要因素。開關設備絕緣性能的好壞體現(xiàn)在系統(tǒng)中承受各種電壓所引起的絕緣損壞程度的大小。在絕緣性能檢測中，檢查局部放電對絕緣的影響和外絕緣的放電性能時通常采用工頻耐壓試驗，檢驗設備絕緣耐受過電壓性能時通常采用沖擊耐壓試驗。在開關設備設計研制中則具體以電氣間隙和爬電距離來保證在系統(tǒng)各種電壓下良好的絕緣性能。

所謂電氣間隙是指兩個導電部分之間的最短直線距離，而爬電距離則是指兩個導電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。開關設備電氣間隙和爬電距離的取值大小主要取決于工作時承受的瞬態(tài)過電壓、電場均勻程度和污染等級等因素。開關設備合理設計電氣間隙和爬電距離，一方面關系到開關設備在長期使用過程中能否保證安全可靠，另一方面也直接影響開關設備的重量尺寸大小。開關設備需要在較為惡劣的溫度、濕度、鹽霧、油霧、塵埃等使用環(huán)境中安全可靠工作，同時又要兼顧重量尺寸。因此，電氣間隙和爬電距離是1000 V等級開關設備非?；镜慕^緣性能指標要素。

3 直流1000 V等級開關設備絕緣要求的相關標準研究

研究確定艦船直流1000 V等級開關設備的絕緣要求，主要是確定對應絕緣電壓下的最小電氣間隙和爬電距離要求。在缺乏艦船各種環(huán)境條件下，不同材料、不同使用場合開關設備絕緣性能試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的情況下，本文從現(xiàn)有國內外相關標準規(guī)范規(guī)定的絕緣要求進行分析研究。目前軍用標準對直流1000 V等級電氣設備電氣間隙和爬電距離還沒有明確針對性的規(guī)定要求，因此除從現(xiàn)有相關軍用標準分析外，也必須考慮艦船環(huán)境并分析借鑒民用相關標準的技術要求。

1）GB/T16935.1-2008(IEC60664-1：2007)《低壓系統(tǒng)內設備的絕緣配合第1部分：原理、要求和試驗》[10]。GB/T16935.1-2008(IEC60664-1：2007)的附錄表F.1“直接由低壓電網(wǎng)供電的設備的額定沖擊電壓”，規(guī)定對于標稱電壓DC1000 V系統(tǒng)，在最為嚴格的過電壓類別（Ⅳ類）情況下，設備額定沖擊電壓為12 kV，對于直流1000 V以上系統(tǒng)的設備沖擊電壓，該標準沒有給出數(shù)據(jù)。根據(jù)附錄表F.2“耐受瞬時過電壓的電氣間隙”，對于非均勻電場，規(guī)定額定沖擊耐壓為12 kV，對應的電氣間隙為14 mm。

2）IEC 62993-2017《Guidance for Determination of Clearances, creepage distances and requirements for solid insulation for equipment with a rated voltages above 1000 V AC and 1500 V DC and up to 2000 V AC and 3000 V DC》[11]。該標準對交流2000 V及以下、直流3000 V及以下的絕緣配合要求進行了規(guī)定，給出了對應系統(tǒng)最高電壓電氣設備不同過電壓類別時的額定沖擊耐壓要求（部分摘錄見表1，原標準中Table1），以及對應的電氣間隙要求（部分摘錄見表2，原標準中Table2）。

表1 根據(jù)過電壓類別的額定沖擊耐壓

表2 電氣間隙與額定沖擊耐壓的對應關系

表3 利用額定沖擊電壓UNi確定空氣中的最小電氣間隙（mm）

3）EN50124-1：2001《Railway applications — Insulation coordination Part 1:Basic requirements —Clearances and creepage distances for all electrical and electronic equipment》[12]。該標準規(guī)定了歐洲鐵路應用的絕緣配合要求。該標準表A.1中規(guī)定DC1000 V供電系統(tǒng)的額定沖擊耐壓，在過電壓類別（Ⅳ類）時為12 kV，在過電壓類別（Ⅲ類）時為8 kV，與GB/T16935.1-2008(IEC60664-1：2007)一致。

該標準表A.3“利用額定沖擊電壓確定空氣中的最小電氣間隙”，按照額定沖擊耐壓為12 kV，污染等級為PD3A電氣間隙為14 mm，PD4電氣間隙為22 mm，PD4A電氣間隙為27 mm。艦用環(huán)境大約在PD3A和PD4A之間，不到PD4A等級，對應電氣間隙應小于27 mm。

該標準額定沖擊電壓下的最小電氣間隙（部分摘錄）見表3。

4）GB/T 25890.1-2010《軌道交通 地面裝置直流開關設備 第1部分：總則》[13]。該標準規(guī)定的電氣間隙要求（部分摘錄）見下表4，其中U為裝置標稱電壓，U為額定電壓，U為系統(tǒng)最高電壓。若按照系統(tǒng)最高電壓1.8 kV，在污染等級為3類時，該電壓等級對應的戶內電氣間隙（對地和極間）為18 mm，在污染等級為4類時，該電壓等級對應的戶內電氣間隙（對地和極間）為27 mm。若按照系統(tǒng)最高電壓1.2 kV，在污染等級為3類時，該電壓等級對應的戶內電氣間隙（對地和極間）為14 mm，在污染等級為4類時，該電壓等級對應的戶內電氣間隙（對地和極間）為22 mm。艦船艙室內環(huán)境污染等級不高于4級，1000 V等級直流區(qū)域配電系統(tǒng)最高電壓應約相當于1.2 kV但不超過1.8 kV，可見直流1000 V等級開關設備電氣間隙應大于等于22 mm但小于27 mm。該標準中爬電距離的以系統(tǒng)最高電壓U為基礎，根據(jù)該標準中表D.1和表D.2，爬電距離按下表7確定。

若軌道交通地面開關設備系統(tǒng)最高電壓1.8 kV，則戶內其最高要求的爬電距離也就54 mm。

5）GB 1497-1985《低壓電器基本標準的絕緣配合要求》[14]。該標準對非均勻電場條件下（情況A）電氣設備沖擊耐壓和電氣間隙進行了規(guī)定，見表5（原標準摘錄）。該標準對爬電距離的規(guī)定見表6（原標準摘錄），同時規(guī)定對于表5中安裝類別（過電壓類別）為IV的爬電距離應按表7中提高兩個額定絕緣電壓等級的要求。

從表5可見，開關設備污染等級4、安裝類別IV，電壓在直流1000 V的電氣間隙為14 mm，電壓在直流1200 V～1500 V之間，電氣間隙為25 mm。

安裝類別IV的開關設備按此標準要求爬電距離為高兩個電壓等級的數(shù)據(jù)，從表6可知，開關設備污染等級4、材料組別IIIa，電壓為直流1250 V時應選用2000 V的數(shù)據(jù)，為63 mm，電壓為直流1600 V時應選用2500 V的數(shù)據(jù)，為80 mm。

表4 絕緣水平

表5 沖擊耐壓和電氣間隙

由額定系統(tǒng)電壓給定的相對地電壓（交流有效值和直流值）V沖擊耐壓電氣間隙對污染等級2,3,4對于非均勻電場條件（情況A），相應于安裝類別（過電壓類別）和相應的最小電氣間隙的沖擊耐壓 安裝類別（過電壓類別） IIIIIIIV 600＜U≤1000沖擊耐壓40006000800012000 電氣間隙mm污染等級23.05.5814 33.05.5814 43.05.5814 1000＜U≤1200，直流1200＜U≤1500沖擊耐壓40006000800012000 電氣間隙mm污染等級25.581425 35.581425 45.581425

表6 最小爬電距離

表7 爬電距離推薦值（以UNm為基礎）

表8 電氣間隙與爬電距離

表9 艦用直流1000V等級開關設備的電氣間隙和爬距離

從表6可見，開關設備污染等級4、安裝類別IV，電壓在直流1000 V的電氣間隙為14 mm，電壓在直流1200 V～1500 V之間，電氣間隙為25 mm。

安裝類別IV的開關設備按此標準要求爬電距離為高兩個電壓等級的數(shù)據(jù)，從表7可知，開關設備污染等級4、材料組別IIIa，電壓為直流1250 V時應選用2000 V的數(shù)據(jù)，為63 mm，電壓為直流1600 V時應選用2500 V的數(shù)據(jù)，為80 mm。

6)美軍電氣設備相關標準[15,16]。美國軍用標準MIL-DTL-17587C《低壓抽屜式空氣斷路器通用規(guī)范》、MIL-DTL-917F《電力設備基本要求》中規(guī)定了交流1000 V以下和直流1500 V以下低壓電器的通用要求，其中規(guī)定了600 V～1000 V（包含1000 V）電器的電氣間隙為12.7 mm，爬電距離為50.8 mm；1000 V（不包含1000 V）～3000 V電器的電氣間隙為50.8 mm，爬電距離為101.6 mm。具體見表8（部分摘錄）。我國軍用標準參考了美軍標準的絕緣配合要求。

但業(yè)內專家普遍認為1000 V（不包含1000 V）～3000 V電器設備的電氣間隙和爬電距離對于1000 V等級而言要求過高，由于直流1000 V等級的低壓配電系統(tǒng)長期以來未在艦船電力系統(tǒng)中應用，美軍在當時制定這些標準時還沒有相關1000 V等級設備的應用，這些指標簡單地參考了交流中壓3000 V電壓等級的設備而制定，沒有對1000 V～3000 V之間電壓進行細分，因此這些指標要求作為直流1000 V～1500 V的設備顯得要求過高，針對性不強。直流1000 V等級電器設備的電氣間隙和爬電距離要求，應根據(jù)額定絕緣電壓（或實際工作電壓），污染等級和絕緣材料組別等艦船實際使用環(huán)境研究確定。

7）光伏行業(yè)標準。光伏行業(yè)相關標準中，如GB/T34581-2017《光伏系統(tǒng)用直流斷路器通用技術要求》的規(guī)定，DC1000 V光伏開關設備的額定沖擊耐壓基本上按照8 kV和12 kV進行選取的。然后再按照IEC60664或GB/T16935.1-2008等相關標準選取相應的電氣間隙和最小爬電距離。與1）到5）論述的基本一致。

4 艦用直流1000 V等級開關設備絕緣要求建議

民用標準規(guī)范，以及美軍標準（MIL）的分析表明，軍用標準規(guī)定的開關設備電氣間隙和爬電距離要求高于民用標準，GJB基本上是參考MIL標準的。因此按照美軍標準的出發(fā)點，適應艦船環(huán)境條件，相比民用標準適當嚴格要求艦用開關設備的電氣間隙和爬電距離指標是必要的，艦用開關設備不但要保證在出廠時達到規(guī)定的性能要求，也必須在艦船環(huán)境下長期使用過程中積累了綜合污染后仍可保證其安全可靠地工作。

由于直流1000 V等級的低壓配電系統(tǒng)長期以來未在艦船電力系統(tǒng)中應用，美軍和我軍在當時制定這些標準時還沒有相關1000 V等級設備的應用，這些指標簡單地參考了交流3 kV電壓等級的設備制定，籠統(tǒng)地規(guī)定了1000 V～3000 V之間的電氣間隙和爬電距離，覆蓋電壓范圍過寬，直接作為直流1000 V～1500 V的設備顯得要求過高，有必要對軍用標準的1000 V～3000 V電壓范圍進行細分，提高電氣間隙和爬電距離要求對直流1000 V等級開關設備的針對性和適用性。

對于艦船直流1000 V等級區(qū)域配電系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)電壓變化范圍±10%，此時系統(tǒng)最高電壓為1100 V，也即開關設備額定絕緣電壓為1100 V，考慮系統(tǒng)電壓變化范圍±20%，額定絕緣電壓也就1200 V。因此在考慮細分已有美軍標等軍用標準中直流電壓1000 V～3000 V范圍的電氣間隙和爬電距離規(guī)定時，建議可分為直流1000V～1250 V、1250 V～1500 V和1500 V～3000 V三個級別的范圍。這樣劃分既能有效縮小覆蓋1000 V直流區(qū)域配電系統(tǒng)開關設備的額定絕緣電壓范圍，又能提高電氣間隙和爬電距離要求的針對性和適用性，既可保證開關設備安全可靠工作，又有利于減小開關設備的重量尺寸。按直流1000 V等級開關設備在系統(tǒng)中的額定絕緣電壓要求，現(xiàn)階段先規(guī)定直流1000 V～1250 V、1250 V～1500 V兩個等級范圍的電氣間隙和爬電距離已可完全指導相當一段時期內的艦船綜合電力系統(tǒng)直流區(qū)域配電系統(tǒng)設備的設計研制工作。根據(jù)本文第4章對相關標準的分析結果，建議艦用直流1000 V等級開關設備的電氣間隙和爬電距離要求如表9。

5 結束語

針對直流1000 V等級開關設備在艦船綜合電力系統(tǒng)1000 V等級直流區(qū)域配電系統(tǒng)的應用需求，以及當前軍用標準對直流1000 V等級開關設備電氣間隙和爬電距離的絕緣性能要求缺乏針對性和適用性的問題，通過對國內外民用標準和軍用標準中類似電壓等級直流開關設備絕緣要求的分析，考慮艦船使用環(huán)境和艦船綜合電力系統(tǒng)1000 V等級直流區(qū)域配電系統(tǒng)開關設備額定絕緣電壓要求，對已有軍用標準電壓范圍進行了適當細分，研究提出了更具有針對性和適用性的艦用直流1000 V等級開關設備的電氣間隙和爬電距離要求。今后也可在實際研制、試驗和使用中進一步進行專題研究完善。

[1] 付立軍, 劉魯鋒, 王剛, 等. 我國艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)研究進展［J］. 中國艦船研究, 2016, 11(1): 72-73.

[2] 馬偉明, 艦船動力發(fā)展的方向—綜合電力系統(tǒng)［J］. 海軍工程大學學報, 2002, 14(6): 1-2．

[3] 范學鑫, 謝楨, 肖飛等. 直流區(qū)域配電系統(tǒng)母線電壓等級問題研究[J]. 電器與能效管理技術, 2018.

[4] MIL-STD-1399(NAVY) SECTION LVDC DRAFT, DEPARTMENT OF DEFENSE INTERFACE STANDARD SECTION LVDC, ELECTRIC POWER, L-OW VOLTAGE AND 1000 VOLTS DIRECT CURRENT[S]. Naval Sea Systems Command, 2016.

[5] MIL-STD-1399(NAVY) section mvdc draft, depa r- tment of defense interface standard section mvdc, electric power, high voltage direct current[S]. Na-val Sea Systems Command, 2016.

[6] 鋼質海船入級規(guī)范[S]. 中國船結社, 2015.

[7] 低壓成套開關設備和控制設備總則: GB 7251.1-2013[S]. 北京: 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會, 2013.

[8] Requirement for High Voltage Power Switchgear Rated Above 1000V: IEEE C37. 100. 1-2007[S]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2-007.

[9] Recommended Practice for 1kV to 35 kV Medium-Voltage DC Power Systems on Ships: IEEE 1709-2010[S]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2007.

[10] 低壓系統(tǒng)內設備的絕緣配合第1部分：原理、要求和試驗: GB/T16935.1-2008(IEC60664-1：2007)[S]. 北京: 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會, 2008.

[11] Guidance for Determination of Clearances, creepage distances and requirements for solid insulation for equipment with a rated voltages above 1000V AC and 1500V DC, and up to 2000V AC and 3000V DC:IEC/TS 62993[S]. International Electrotechnical Commission, 2017.

[12] Railway applications—Insulation coordination Part 1:Basic requirements —Clearances and creepage d-istances for all electrical and electronic equipment:EN50124-1: 2001[S]. European Committee for Ele-ctrotechnical Standardization, 2001.

[13] 軌道交通地面裝置直流開關設備第1部分總則: GB/T 25890.1-2010[S]. 北京: 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會, 2011.

[14] 低壓電器基本標準的絕緣配合要求: GB 1497-1985[S]. 北京: 國家標準局, 1985.

[15] 低壓抽屜式空氣斷路器通用規(guī)范: MIL-DTL-17587C[S]. 上海: 上海電器科學研究所（集團）有限公司譯, 2017.

[16] 電力設備基本要求: MIL-DTL-917F[S]. 上海: 上海電器科學研究所（集團）有限公司譯, 2017.

Study on Insulation Requirements of DC 1000V Warship Switchgear

Yu Lingang，F(xiàn)eng Lijun1，Guan Tao2

(Naval Research Acadimy, Shanghai 200235, China)

TM564

A

1003-4862（2019）01-0005-06

2018-04-19

余林剛（1969-），男，高工。研究方向：裝備科技創(chuàng)新和艦船電力系統(tǒng)標準規(guī)范研究工作。E-mail: yulingang@163.com