電氣間隙和爬電距離的分析與測量

張羽

(沈陽電氣傳動研究所(有限公司)，遼寧 沈陽 110141)

1 概述

電氣間隙和爬電距離對于電氣類產品的安全性是非常重要的參數，電氣類產品中的帶電部件與導電部件之間距離過短，將很容易產生漏電，使導電部件帶電，危害操作者的人身安全；不同電位的帶電部件間距離過短，將容易造成相間短路，使電氣類產品中絕緣功能的降低或失效，從而引發火災或爆炸。因此，在安全檢測中，在熟悉電氣類產品內部結構的基礎上需分辨出其絕緣結構和絕緣特性，確定帶電部件和導電部件，分析路徑，用符合標準要求的測量方法測量數據，判定該電氣類產品是否符合標準要求。

2 電氣間隙和爬電距離的定義

電氣間隙：兩個導電部件之間的最短直線距離。電氣間隙應足以達到能承受宣稱的電路的額定沖擊耐受電壓(Uimp)其值應為表1中的值。[1]

表1 空氣中的最小電氣間隙

爬電距離：兩個導電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離。初始制造商應依據所選擇的成套設備電路的額定絕緣電壓(Ui)去確定爬電距離。對于任一列出的電路，其額定絕緣電壓不應小于額定工作電壓(Ue)[1]。

在任何情況下，最小爬電距離≥最小電氣間隙

爬電距離應符合規定的污染等級和表2給出的在額定絕緣電壓下相應的材料組別。

表2 最小爬電距離

凹槽寬度X：凹槽寬度X是假定任意凹槽在最不利的位置下被絕緣橋接的寬度，其值與污染等級相關聯見表3[1]。

表3 凹槽寬度X的最小值

根據IEC60664-1第4款的例子2及例子6可見。角度大于或等于90度的兩角不橋接，IEC60664-1沒有包含具體的信息，在哪個角度小于90度的橋梁應該適用。根據《CTL決議單590》橋接應適用于80度以下的角度。即：內角小于80°，且開口寬度大于X值的V行凹槽。

3 試驗案例(一)

(1)以上海電器設備檢測所有限公司組織實施的“電氣間隙與爬電距離測試”能力驗證為例(如圖1所示)。

圖1

①進行試驗前，不需對樣品進行任何預處理。

②樣品中的角全部按“尖角”考慮，不視為圓角。

③設定樣品污染等級為3。樣品發出前已經過吹塵處理，在包裝盒內也受到塑料板填保護。在測量過程中，灰塵、異物污染忽略不計。

④導體A、B及C均為直徑6mm的圓柱體，導體頂面與接線端子上表面平齊，導體底面均高出接線端子下表面2.5mm，如圖3所示。導體和裝配孔之間的間隙忽略不計(如圖2所示)。

圖2

⑤分別測量以下測試項目，并繪制路徑圖。確保繪制的路徑清晰、明確。

(a)導體A與B之間的電氣間隙和爬電距離；

(b)導體B與C之間的電氣間隙和爬電距離。

(2)測量過程與分析

首先利用游標卡尺、電腦CAD軟件等工具，把樣品的三個主要測量截面用CAD軟件1：1的測繪出來，如圖3所示。

圖3

對導體A與B之間的電氣間隙進行分析得出以下6個路徑(見圖4(a)、(b)、(c))。

(a)

對路徑2進行分析，連接導體A、B圓心A1、B1經過導體A、B圓A2、B2和如圖所示D、E點，A2-D-E-B2為電氣間隙的路徑。需要注意的是點A2與點B2的確定，之所以要通過導體A、B圓心A1、B1的連線來確定是因為如果導體A、B兩個圓的圓心不在同一水平線上的話(如圖4(d)所示)得出的路徑A將小于實際路徑B。對路徑1的分析與路徑2道理相同。

對于路徑3進行分析，以點A為圓心畫圓與導體A相切于點B，其他路徑道理相同。

經計算路徑2為最短距離

對導體A與B之間的爬電距離進行分析得出以下6個路徑(見圖5(a)、圖4(b)、圖4(c))。

經計算路徑6為最短距離(見圖5(b))。

(a)

以點D、E為圓心畫圓與分別與導體A、B相切于點A1、B1，A1-D-E-B1為爬電距離的路徑。

對導體B與C之間的電氣間隙進行分析得出以下2個路徑(見圖6),同時也需考慮圖4(d)中所指出的問題。

圖6

經測量計算路徑1與路徑2的距離相等均為最短距離。

對導體B與C之間的爬電距離進行分析得出以下2個路徑(見圖7(a))。

經測量計算路徑2為最短距離(見圖7(b))。

(a)

連接導體B、C圓心B1、C1經過導體B、C圓B2、C2(其原理與圖4(d)分析一致)和如圖所示D、E點,由于直線DF和直線GE所形成的角度為70.65°小于80°，根據《CTL決議單590》連接FG，污染等級為3，FG=1.5mm，B2-D-F-G-E-C2為爬電距離的路徑。

4 試驗案例(二)

4.1 參考標準

本次比對計劃依據的基礎方法標準為GB7251.1-2005《低壓開關設備和控制設備 第1部分：型式試驗和部分型式試驗成套設備》。

4.2 試驗說明

(1)在進行試驗之前，不需對樣品進行任何形式的預處理。試驗的場所應是保持恒定溫度在20±5℃之間的房間，請測量T1和T4之間的電氣間隙和爬電距離。

(2)設定樣品污染等級為2(正常情況)。

(3)樣片中的角全部按“尖角”考慮，不視為圓角。

(4)結果單中的爬電距離和電氣間隙測量值精確到0.01mm。

4.3 測量與分析

首先根據題目將樣件放置在20±5℃房間24小時。在此溫度下用游標卡尺直接測量T1與T4的電氣間隙如圖8(b)。

經分析得出爬電距離可有三種路徑：

由T1下端點沿樣件到T4左端點(見圖8(c))根據《CTL決議單590》此角度為90度不需要橋接。

由T1上端點沿樣件到T2左端點，再由T2右端點沿樣件到T3上端點，再由T3下端點沿樣件到T4右端點(見圖8(d))根據《CTL決議單590》這兩個角度均小于80°度需要橋接凹槽寬度X的值為1mm。

(a)

由T1下端點到R1左端點，再由R1右端點到T4左端點。這組數據不好得出因為T1的下端點的A面與R1左端點B面不在一個空間平面內，如圖8(e)。

將A面旋轉90°與B面成為一個平面(見圖8f)。

得出由T1下端點到R1左端點，再由R1右端點到T4左端點的爬電距離，經計算比較此結果為爬電距離距離最短。

5 試驗案例(三)

5.1 檢測方法說明

(1)本次能力驗證計劃要求實驗室按照日常檢測程序進行試驗，分別測量：

①T1到T2的爬電距離和電氣間隙，并繪制路徑圖；

②T1到R1的電氣間隙，并繪制路徑圖；

③T3到R1的爬電距離，并繪制路徑圖。

(2)本次能力驗證計劃依據的基礎方法標準為GB/T16935.1-2008，GB8898、GB4943、GB2099.1、GB16915.1、GB14536.1、GB15092.1、GB19212.1、GB7000.1、GB12350等產品標準也在相關章節中引用了方法標準的要求，可作為試驗依據；此外還應考慮CTL決議單590和717的相關要求。

(3)在進行試驗之前，不需對樣品進行任何形式的預處理。試驗的場所應是保持恒定溫度在20±5℃之間的房間。

(4)設定樣品污染等級為3。

(5)樣片中的角全部按“尖角”考慮，不視為圓角。

(6)如圖9(a)，紅點為左側鏤空半圓的圓心。

5.2 測試與分析

首先根據題目將樣件放置在20±5℃房間24小時。在此溫度下用游標卡尺直接測量T1與T2的電氣間隙如圖9(b)。

由B點開始沿著絕緣塑料邊界爬行至槽的邊緣C點，橋接寬度小于1.5mm的槽，沿著絕緣塑料的邊界爬行至D點利用CAD軟件得出T1與T2的爬電距離如圖9(c)。

(a) 紅點為左側鏤空半圓的圓心位置

由點C向上做垂直于底面的直線交于頂面A，直線AC與直線AB相垂直，因為AC與AB的長度相對好測量，所以最后利用勾股定理算得BC的直線長度即T1到R1的電氣間隙如圖9(d)。

如圖9(e)由點B′向上做垂直于底面的直線交于頂面B，可測量出∠BOA的角度，利用弧長計算公式可算出圓弧BA的長度，將圓弧BA展開如圖9(f)。

由此可以利用CAD軟件直接得出直線的距離即T3到R1的爬電距離。

6 試驗案例(四)

6.1 測量L極-N極的爬電距離和電氣間隙，并繪制路徑。6.2 測試要求

(1)本次試驗依據標準：GB/T 16935.1-2008、GB 2099.1-2008、GB 4943.1-2011、GB 4706.1-2005、GB 7000.1-2015、GB 8898-2011等相關標準；

(2)樣品在海拔 2000 米以下使用，污染等級為2；

(3)樣品額定電壓220V，頻率50Hz；

(4)所有帶電部件均按加強絕緣考慮；

(5)不考慮插頭插入時的情況。

6.3 測量與分析

首先根據觀察與測量確定出電氣間隙與爬電距離的路徑見圖10(b)、圖10(c)、圖10(d)。

(a)樣品拆解圖

(1)首先利用顯微鏡找Bb水平，把B點作為坐標原點，并測量Ba距離。

(2)沿Bb水平向金屬件延伸得出A(左右圖形對稱方法相同)。

(3)找到金屬件點F，連接AF。將B點做垂直于Bb的直線BH，連接FH(與AB平行)。

(4)以B為原點做BC垂直于AF，則可計算出電氣間隙的距離即L極-N極的電氣間隙(見圖10(e))。

(5)做輔助線FF′=1(污染等級為2查表3可得)，輔助線A′F′平行于AF與BH相交于D點，DE等于1并垂直于AF。

(6)需要注意的是，見圖10(e)點F與點F1在圖10(f)中所示方向上可能一高一低，需要測量出來其中差值，然后根據勾股定理計算出電氣間隙的距離即L極-N極的爬電距離。

7 測量過程的注意事項

對于電氣間隙和爬電距離的測量，首先需要全面的考慮其可能的最短路徑，同時注意凹槽寬度X最小值的選取問題，再通過分析計算，最終得出正確結論。對于不在同一平面上測量，可通過繪制1∶1的各個平面圖來選取正確的路徑，以確保檢測結果的準確性。實際的測試過程中，還應該注意選擇適合的測量儀器設備，從而減少過多的人為誤差，針對具體產品選用相關的標準，此外，還應考慮額定電壓等級、樣品表面污染狀況、絕緣材料特性、測量環境等多種因素，以保證檢測結果的準確性。

8 結語

電氣間隙和爬電距離的測量作為電氣類產品中一項重要的安全檢測項目，其準確性不僅在一定程度上反映了試驗室在電氣安全檢測方面的水平，而且對電氣類產品的生產企業在產品的設計上具有一定的指導意義。