CCX工具在低壓電器產品安全設計中的應用

葛江波 胡良果

CCX工具在低壓電器產品安全設計中的應用

葛江波 胡良果

（施耐德電氣（中國）有限公司上海分公司，上海 201203）

電氣間隙和爬電距離是衡量電器產品電氣安全性的關鍵指標。本文從IEC 60664—1和IEC 60947—1出發分析影響兩者的主要因素，并闡述利用Creo CCX工具計算分析電氣間隙和爬電距離的基本原理和具體設置。在此基礎上，結合低壓電器限位開關產品設計，給出運用CCX工具分析電氣間隙和爬電距離的優化案例，為改善低壓電器產品的電氣安全性設計提供參考。

低壓電器；電氣安全；產品設計；電氣間隙；爬電距離；CCX

0 引言

隨著低壓電器產品向小型化、高集成度、高可靠性等方向發展，產品的功能越來越多，自身結構也日益復雜，產品的電氣安全問題越來越突出，這也是一直受消費者和產品開發者關注的焦點[1-3]。電氣安全性是衡量低壓電器產品質量的關鍵指標之一，電氣間隙和爬電距離與之息息相關，對產品的電氣安全起著至關重要的作用，是研發人員在開發產品時，需要重點保證的技術參數。

目前，針對產品電氣間隙和爬電距離的研究很多。文獻[4]研究和分析在產品安全檢驗中涉及電氣間隙和爬電距離的相關路徑的確定，以及測量方法的選擇。文獻[5]研究如何測量同一平面內和不同平面間的電氣間隙與爬電距離。文獻[6-7]以蹺板開關為例，結合X光片透視和產品模型，對不同條件下的電氣間隙和爬電距離的測量進行對比分析。文獻[8-11]研究關于測量電氣間隙和爬電距離的不確定度的評定，以及影響不確定度的因素。文獻[12]研究分析6種標準關于跨接尺寸的影響因素和等效性的規定。上述文獻主要涉及檢測機構如何測量產品的電氣間隙和爬電距離，而關于在研發設計中如何確保電氣間隙和爬電距離的研究甚少。

鑒于此，本文研究分析Creo CCX（clearance and creepage extension）工具計算電氣間隙和爬電距離的基本數學模型和相關設置。在此基礎上，結合低壓電器產品限位開關，給出運用CCX工具進行產品設計及優化的具體案例，以期為改善產品的電氣安全性設計提供參考，為新一代低壓電器產品的研發及優化提供思路。

1 相關標準概述

1.1 標準介紹

有關低壓電器產品的標準，主要來自IEC和UL兩大標準體系。

IEC 60947是關于低壓開關設備和控制設備的系列標準，共有22個標準，由IEC/SC 121A國際技術委員會負責制定。IEC 60947—1作為此系列標準的總則，其中的表13和表15分別規定了對電氣間隙和爬電距離的具體要求。而IEC 60947—1關于電氣間隙和爬電距離的規定是在參考IEC 60664—1（GB/T 16935.1）標準的基礎上加以制定的。

中國現頒布施行的關于低壓電器的GB 14048系列標準，是與IEC標準接軌的技術標準體系，大部分是等同采用了IEC 60947標準，少數如GB 14048.1/4/5/7/8/11是修改采用了IEC 60947相關標準。例如接觸器、過載繼電器、電動機起動器和限位開關等低壓控制產品涉及的標準有GB/T 14048—1、GB/T 14048—4、GB/T 14048—5，分別與IEC 60947—1，IEC 60947—4—1，IEC 60947—5—1相對應。該系列標準目前由中國電器工業協會負責修訂，歸口于全國低壓電器標準化技術委員會（SAC/TC 189）。截至2020年，該系列標準全部由強制性改為推薦性，標準代號亦由GB變為GB/T。

隨著低壓電器市場的全球化加劇和競爭的日益激烈，UL和IEC標準相互滲透。為了協調UL和IEC標準之間的差異，Underwriters Laboratories Inc.推出了一系列與IEC標準代號相同的標準，其中UL 60947系列標準應運而生。目前，這些UL標準中涉及低壓電器的標準有10種。

1.2 相關概念定義

表1列舉了與電氣間隙和爬電距離相關的基本概念的定義[13-14]。

表1 基本概念的定義

（續表1）

1.3 影響電氣間隙和爬電距離的因素

良好的電氣安全設計，應確保進入設備的瞬態過電壓和設備內部產生的峰值電壓不會擊穿產品此處的電氣間隙；爬電距離應確保在給定的工作電壓和污染等級下產品不會產生閃絡或擊穿。通常，標準要求的最短的爬電距離應大于或等于最短的電氣間隙，但是兩者間并無物理聯系。例如玻璃、陶瓷等材料不會發生漏電起痕，其爬電距離就不必大于相應的電氣間隙。

1）與電氣間隙相關的因素

影響電氣間隙的主要因素有電源系統標稱電壓、過電壓類別、額定沖擊耐受電壓imp、污染等級、電場條件、海拔高度（其修正系數見表2[13]）、絕緣類型（如功能絕緣、基本絕緣、附加絕緣、雙重或加強絕緣）等。由于低壓電器產品主要使用在低頻環境（如50Hz，60Hz，50/60Hz），故通常不需要考慮頻率的影響。確定電氣間隙的流程如圖1所示。

表2 海拔修正系數

2）與爬電距離相關的因素

影響爬電距離的主要因素有額定絕緣電壓i、材料組別（根據CTI值，絕緣材料可劃分為4大類，見表3）、污染等級、槽寬度值、絕緣類型（如功能絕緣、基本絕緣、附加絕緣、雙重或加強絕緣）等。關于頻率，通常亦不需考慮其對爬電距離的影響。確定爬電距離的流程如圖2所示。

圖1 確定電氣間隙的基本流程

表3 材料組別的分類

圖2 確定爬電距離的基本流程

3）實際測量路徑對兩者的影響

除了上述因素外，在實際確定測量路徑的選擇上，以下3個因素會對最終的結果產生影響。

（1）槽寬度原則

關于槽寬度對爬電距離的影響，標準規定了不同污染等級下的槽寬度的最小值min，見表4。當實際槽寬度小于min，其爬電距離應直接跨過槽寬度測量。當實際槽寬度等于或大于min，其爬電距離應沿槽的輪廓進行測量。另外，如果涉及的電氣間隙小于3mm，min可減少至該電氣間隙的1/3。

（2）V形槽80°角原則

根據IECEE發布的CTL DSH—590號決議單上的80°角規則（溝槽橋接規則）[15]：當V形槽底部角度＜80°，且開口寬度大于min時，爬電距離的路徑應沿著槽的輪廓進行繪制，但在槽底部應采用尺寸為min的連線跨接。不同情況下V形槽的爬電

表4 不同污染等級下的Xmin

距離應按圖3所示的路徑進行計算。

圖3 V形槽爬電距離路徑示意圖

（3）筋原則

在產品設計中，通常采用凸筋結構來增加其電氣間隙和爬電距離。IEC 60664—1和IEC 60947—1關于筋結構和爬電距離的規定不盡相同[13-14]。IEC 60947—1附錄G G.2規定：若筋的最小高度為2mm時，爬電距離可減少至規定值的0.8倍，對筋的最小寬度不做要求，滿足機械要求即可。IEC 60664—1對筋的規定更加嚴格，表F.5規定了使用筋時減小的爬電距離值，但只適于在污染等級3，爬電距離大于或等于8mm的情況下，且需滿足單個筋的最小寬度值和最小高度值的要求（即分別要達到所需爬電距離的20%和25%）。

2 CCX工具介紹

2.1 概述

CCX作為PTC Creo軟件下的一個擴展模塊，從最初Pro/E和Creo早期版本的SAX（spark analysis extension），發展到從Creo 4.0 M010開始推出全新的CCX，其功能變得越來越強大。表5匯總了CCX和SAX的主要區別。由于CCX新增擴展的眾多功能，目前在CCX中不能查看用SAX計算的分析結果。

隨著產品設計的復雜性不斷提高，以及集成的電子元器件越來越多，傳統方法（例如靠人為經驗測量3D模型或樣品等）在設計檢查產品的電氣安全性方面往往耗時且容易出錯，或無法提供精確的結果。而Creo CCX通過對相關參數設置，可自動進行相關的電氣間隙和爬電距離的計算分析，以及判斷其是否符合設計要求。CCX計算分析流程如圖4所示。

表5 CCX和SAX的區別

圖4 CCX計算分析流程

由于CCX在計算速度、分析精度，以及計算結果的可視化顯示等方面有著明顯的優勢，在協助研發人員產品設計、優化方案、降低成本等方面，可更快速地響應市場需求。CCX計算結果的可視化路徑分析如圖5所示，其分析結果會以高亮紅色線條的方式顯示在模型上。

圖5 CCX計算結果的可視化路徑分析

2.2 數學模型

圖6為CCX模塊計算分析電氣間隙和爬電距離的數學模型示意圖。通過設置CCX模塊的相關參數，可自動計算識別滿足條件的多條路徑，并能以可視化及矩陣形式顯示計算結果。

圖6 CCX數學模型示意圖

筋/槽對計算結果的影響如圖7所示。在小于或等于min的情況下，CCX計算時都會以尺寸為min的連線處理成橋接，這比目前V形槽80°角原則的規定更為嚴格，但其數學邏輯也更清晰嚴密。

圖7 筋/槽對計算結果的影響

另外，標準中對筋原則的規定對CCX的計算結果無影響（目前CCX沒有考慮該方面的設定）。

3 研究案例分析

本文以低壓電器產品限位開關為例，研究運用CCX工具對產品設計中的電氣間隙和爬電距離進行計算分析，并在此基礎上進行優化設計。限位開關主要由觸頭模塊、塑料外蓋/外殼/底座、橡膠件、金屬板、滾輪及接線端子等組成，其3D設計模型如圖8所示。表6列舉了此產品需要滿足的主要電氣參數指標。

圖8 限位開關的3D設計模型

表6 限位開關電氣安全參數與指標

3.1 電氣間隙和爬電距離的最小值

由表6查詢相關標準IEC 60664—1—2020、IEC 60947—1—2020和IEC 60947—5—1—2016[13-14, 16]，得到需滿足的電氣間隙和爬電距離最小值見表7。

3.2 CCX計算分析

首先，啟動帶有CCX模塊的Creo軟件，打開經簡化處理的3D設計模型。在“分析（Analysis）”選項卡下啟動Clearance and Creepage Analysis（即CCX模塊）。

1）設置零件屬性（Meta Data）

CCX中主要通過設置CTI值來定義零件屬性，共有3種類型：CTI=0（導電件）、CTI=1（非導電件）、CTI=-1（CTI值尚未被定義的零件）。雖然實際絕緣材料的CTI值越大，絕緣性能越高，但CCX分析結果僅取決于電氣間隙和爬電距離，而不是CTI值。設置CTI為1或絕緣材料的實際CTI值對于CCX計算結果沒有影響，只是區別導體與否。本次計算分析涉及的絕緣件，其CTI均設置為1，便于參數檢查。另外，還需將模型中人手能觸及的塑料件外表面定義為導電。

表7 標準規定的電氣間隙和爬電距離最小值

此外，CCX中對零件類型的定義有5種：默認（Default）、鉚釘（Rivet）、螺釘（Screw）、彈簧（Spring）和凸包（Convex Hull）。其中CCX在設置螺釘和彈簧類型后自動對幾何模型簡化處理，如圖9所示。模型中涉及的鉚釘、螺釘和彈簧除了設置CTI值為0外，還需定義其類型分別為Rivet、Screw和Spring，如圖10所示。

圖9 CCX對設置螺釘和彈簧類型的簡化處理

2）定義電子網絡（Electric Nets）

CCX將具有相同電勢的導電零件的集合稱為電子網絡，可設定為3種類型，見表8。根據分析需要，將CCX自動識別的電子網絡（Nets）進行手動合并，并將其設置為電勢（Potential），電壓設置為250V，如圖11所示。

圖10 零件的CTI值和類型設置

表8 電子網絡分類

圖11 電子網絡的定義

3）設置分析參數（Analysis）

在此選項卡中，按表7要求手動設定源（Source- Contact_block）和目標網絡（Target net-Class2 surfaces）間的電氣間隙、爬電距離和槽寬度，違規公差（Violation Tolerance）設置為3mm，如圖12所示。

4）結果分析

圖12 電氣間隙、爬電距離和槽寬度設置

圖13 分析結果

圖14 爬電距離的失效路徑

3.3 優化設計

圖15 優化方案的計算結果

4 結論

爬電距離和電氣間隙的設計直接關系到產品的電氣安全可靠性，如何在這方面提高設計質量是設計人員面臨的一項巨大挑戰。本文以低壓電器產品限位開關為例，研究了如何運用Creo CCX工具開展電氣間隙和爬電距離的計算分析，并以此為基礎，優化了設計方案。該方法可為改善低壓電器的電氣安全性設計提供參考。

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Application of CCX tool in safety design of low voltage apparatus products

GE Jiangbo HU Liangguo

(Shanghai Branch of Schneider Electric (China) Co., Ltd, Shanghai 201203)

Clearances and creepage distances are the key indicators to measure the electrical safety of products. This paper analyzes the main factors determining them from IEC 60664—1 and IEC 60947—1. It discusses the mathematic principle and setup of Creo CCX tool. Based on this, design optimization of low-voltage product-limit switch using CCX is carried out, which provides important guidance on robustness design of electrical safety in low-voltage apparatus.

low-voltage apparatus; electrical safety; product design; clearance; creepage distance; CCX

2022-06-08

2022-06-20

葛江波（1986—），男，陜西咸陽人，碩士，高級工程師，主要從事低壓電器的產品開發與技術研究工作。