電氣間隙和爬電距離能力驗(yàn)證測量的探討

安 偉，余 洋，王 雪

（1.江蘇揚(yáng)子檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，江蘇南京210038；2.南京大學(xué)信息管理學(xué)院，江蘇南京210023；3.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210023）

0 引言

電氣間隙和爬電距離測量主要測量不同電位的兩個(gè)導(dǎo)電部件間最短的空間直線距離以及不同電位的兩個(gè)導(dǎo)電部件之間沿絕緣材料表面的最短距離。電氣間隙和爬電距離主要影響產(chǎn)品的電氣安全以及人身安全，如防火、防觸電等。按照CNAS-R02能力驗(yàn)證規(guī)則要求，電氣領(lǐng)域結(jié)構(gòu)判定的頻次要求為1次/2年，因此電氣間隙和爬電距離測量經(jīng)常作為電氣領(lǐng)域能力驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)項(xiàng)目之一，考核實(shí)驗(yàn)室路徑的選擇和計(jì)算過程。本文以2020年國家認(rèn)監(jiān)委（CNCA）組織的CNCA-20-14電氣產(chǎn)品的爬電距離與電氣間隙試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證為例，介紹電氣間隙和爬電距離能力驗(yàn)證的測量過程、不確定評定方法以及能力驗(yàn)證結(jié)果評定方法。

1 測量說明

爬電距離和電氣間隙試驗(yàn)的樣品為一塊特殊定制的印刷電路板，如圖1a和1b所示，分為A和B兩面，樣品污染等級為2。其中，白色區(qū)域代表樣片上的鏤空部分，T1，T2，T3，T4，R1和R2等代表印制板銅走線，樣片中的角全部按尖角考慮，不視為圓角，槽的底部為直角。依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)包括GB 4706.1—2005《家用和類似用途電器的安全第一部分：通用要求》，此外還應(yīng)考慮CTL決議單590和717的相關(guān)要求。爬電距離、電氣間隙的路徑確定及測量包括：T1到T2的爬電距離、T2到T4的爬電距離和電氣間隙、T1到R1的電氣間隙共4個(gè)項(xiàng)目［1］。測量的難點(diǎn)在于樣品中存在溝槽、凹槽等，有些測量部位不在同一平面，因此在測量過程中，需要應(yīng)用到X值跨接、V型槽的80°應(yīng)用原則、空間展開等方法，這些方法的應(yīng)用將在測量過程中進(jìn)行分析。

2 測量過程及分析

2.1 T1到T2的爬電距離

2.1.1 路徑選擇

T1到T2的爬電距離沿著鏤空邊緣經(jīng)過A1-A2，在V型槽底部進(jìn)行跨接經(jīng)過A2-A3，沿著絕緣材料表面經(jīng)過A3-A4，沿著凹槽底部經(jīng)過A4-A5，最后連接A5-A6，形成最終路徑，如圖2所示。

T1到T2的爬電距離=（A1-A2）+（A2-A3）+（A3-A4）+（A4-A5）+（A5-A6）。

2.1.2 考核要點(diǎn)

圖1 特制的印刷電路板

圖2 T1到T2的爬電距離測量路徑

首先，在A2-A3處，考核要點(diǎn)為V型槽的80°應(yīng)用原則和X值跨接，按照CTL DSH 590決議，V型槽底部的內(nèi)夾角小于80°時(shí)，爬電距離在拐角處用X值連線短接測量。X值是根據(jù)相應(yīng)污染等級規(guī)定的最小值，如表1所示。按照樣品污染等級為2，X值為1.00 mm。

表1 不同污染等級下的X值

其次，在A4-A5處，考核要點(diǎn)為凹槽跨接，按照GB/T 16935.1—2008的舉例［2］（例1和例2），當(dāng)凹槽寬度大于X值，爬電距離的路徑將沿著凹槽絕緣材料表面，當(dāng)凹槽寬度小于等于X值，爬電距離的路徑將跨接凹槽。實(shí)際測量時(shí)，凹槽寬度為1.37 mm。

最后，在A5-A6段，需確認(rèn)A5-A6是否是A5到T2導(dǎo)體的最短點(diǎn)，只需測量T2導(dǎo)體的長度與凹槽的深度，如果T2導(dǎo)體的長度大于凹槽的深度，A6即為垂直于T2導(dǎo)體的垂點(diǎn)，如果T2導(dǎo)體的長度小于或等于凹槽的深度，A6即為T2導(dǎo)體的端點(diǎn)。

2.2 T2到T4的爬電距離

2.2.1 路徑選擇

T2到T4的爬電距離沿著鏤空橫截面經(jīng)過B1-B2，B2為R2端點(diǎn)；將R2所在平面和鏤空橫截面展開到T2、T4平面，B3點(diǎn)為B5到R2導(dǎo)體的垂點(diǎn)，B4為垂線鏤空橫截面的交點(diǎn)，B5為T4的端點(diǎn)，如圖3（a）和3（b）所示。

T2到T4的爬電距離=（B1-B2）+（B3-B4）+（B4-B5）。

2.2.2 考核要點(diǎn)

首先，按照GB/T 16935.1—2008的舉例［2］，當(dāng)存在浮動(dòng)導(dǎo)電部件分開時(shí)，爬電距離分成幾個(gè)部分，因此應(yīng)考慮R2作為浮動(dòng)導(dǎo)電部件，T2到T4爬電距離應(yīng)分為T2到R2、R2到T4兩個(gè)部分的爬電距離。然后將計(jì)算值與B1-B5的直接距離進(jìn)行比較，選取最小值的路徑作為最終路徑。

其次，R2到T4的爬電距離需要將R2所在平面和鏤空橫截面展開到T2、T4所在平面，構(gòu)建輔助點(diǎn)B4，利用勾股定理分別計(jì)算B3-B4和B4-B5。當(dāng)需要測量的兩個(gè)部件不在同一個(gè)平面時(shí)，通過將不同平面展開到同一平面，并構(gòu)建輔助點(diǎn)，即可快速找到路徑。

2.3 T2到T4的電氣間隙

T2到T4的電氣間隙的思路與上述T2到T4的爬電距離類似，但需注意爬電距離和電氣間隙的關(guān)系，爬電距離不能小于相關(guān)的電氣間隙。

2.4 T1到R1的電氣間隙

2.4.1 路徑選擇

將R1所在平面和鏤空橫截面展開到T1所在平面，T1到R1的電氣間隙即為T1端點(diǎn)C1與R1端點(diǎn)C3的連線長度。C2為連線與鏤空橫截面的交點(diǎn)，如圖4（a）和4（b）所示。

T1到R1的電氣間隙=（C1-C2）+（C2-C3）。

2.4.2 考核要點(diǎn)

T1到R1電氣間隙主要考核空間展開分析能力，技巧在于將R1所在平面和鏤空橫截面展開到T1所在平面，并構(gòu)建輔助點(diǎn)C2。此時(shí)需要注意C3點(diǎn)的確定，如果R1導(dǎo)體的長度夠長，C3可能為垂直于R1導(dǎo)體的垂點(diǎn)，如果R1導(dǎo)體的長度不夠長，C3即為R1導(dǎo)體的端點(diǎn)。

3 不確定度分析

此次能力驗(yàn)證沒有要求不確定度分析結(jié)果，本文結(jié)合CNAS-GL007《電器領(lǐng)域不確定度的評估指南》，提出此次能力驗(yàn)證不確定度分析的方法。根據(jù)上述測量的不同情況，可以分為以下幾種。

（1）單獨(dú)用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量，通過幾個(gè)數(shù)值相加，得到最終結(jié)果。

圖3 T1到T2的爬電距離測量路徑和空間展開

圖4 T1到R1的電氣間隙測量路徑和空間展開

（2）使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺和投影儀測量，游標(biāo)卡尺測量印制板厚度，投影儀測量各線段長度，包括輔助點(diǎn)形成線段的長度，通過幾個(gè)數(shù)值相加，得到最終結(jié)果。

以2.4章節(jié)為例，采用第一種方法，標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源主要由重復(fù)性測量u1引起（A類）和數(shù)顯游標(biāo)卡尺u2引起（B類）構(gòu)成［3］。

（1）對2.4章節(jié)的路徑進(jìn)行5次測量，按貝塞爾公式計(jì)算出的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s，得到u1=0.006 922 mm。

（2）數(shù)顯游標(biāo)卡尺最小分辨率為0.01 mm，在半寬0.01 mm的范圍內(nèi)服從矩形分布，k= 3，得到u2=0.005 774 mm。

通過u1和u2計(jì)算出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，最終得到擴(kuò)展不確定度U=0.018 mm，k=2。

4 結(jié)語

電氣間隙和爬電距離的難點(diǎn)在于路徑的選擇，考核實(shí)驗(yàn)室熟練掌握標(biāo)準(zhǔn)定義、測試方法和各種規(guī)則，靈活運(yùn)用空間展開方法和計(jì)算方法。近些年，電氣間隙和爬電距離能力驗(yàn)證的樣品有采用印制板，也有采用如端子、變壓器、插座等實(shí)物，實(shí)物的情況更加復(fù)雜，特別是當(dāng)有幾種路徑時(shí)，需要比較各種路徑的值以確定最短路徑。同時(shí)，不確定結(jié)果分析對于評估測量的準(zhǔn)確性非常重要，也考驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)室的能力水平。