电气安全 | 电气间隙 / 爬电距离 / 固体绝缘 / 电应力 / 过电压

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斐夷所非

2853人浏览 · 2024-08-16 00:39:54

斐夷所非 · 2024-08-16 00:39:54 发布

注：本文为 “电气特性” 相关文章合辑。

未整理去重。

电气概念

电气间隙（Clearance）

定义：两个导体部件之间的空间最短距离。即不考虑任何绝缘材料或其他物体，仅从一个导体部件到另一个导体部件在空气中的最短直线距离。
作用：主要用于防止两个导体之间在正常或异常情况下发生空气击穿而导致的电气短路或放电现象。足够的电气间隙能够保证在规定的电压和环境条件下，空气不会被击穿，从而确保电气设备的安全运行。
影响因素：电气间隙的大小通常取决于电气设备的工作电压、绝缘等级、使用环境等因素。工作电压越高，要求的电气间隙越大；在恶劣的环境条件下，如高湿度、高海拔等，也需要更大的电气间隙。

爬电距离（Creepage Distance）

定义：沿固体绝缘材料表面在两个导体部件之间的最短路径长度。
作用：用于防止在两个导体之间，由于绝缘表面存在污垢、潮湿等因素，导致表面电阻降低，从而使电流沿着绝缘表面爬行而引发的漏电或短路等故障。
影响因素：爬电距离主要与绝缘材料的性质、表面污染程度、工作电压以及环境湿度等因素有关。绝缘材料的表面电阻越低、污染越严重、工作电压越高或者环境湿度越大，所需的爬电距离就越大。

固体绝缘（Solid Insulation）

定义：用于插入两个导体部件间，起到电气隔离作用的固体绝缘材料。常见的固体绝缘材料有云母、陶瓷、塑料、橡胶等，这些材料被用于隔离两个导体部件，阻止电流在它们之间直接通过。
作用：固体绝缘的主要作用是在电气设备中提供电气隔离，承受电气设备运行过程中产生的电场应力，将不同电位的导体分隔开，防止电流泄漏和电气短路，同时还能起到机械支撑和保护作用。
影响因素：固体绝缘的性能受材料的种类、厚度、温度、湿度、电场强度以及机械应力等多种因素影响。不同的固体绝缘材料具有不同的绝缘性能和耐热、耐潮等特性；厚度越大，一般绝缘性能越好，但也会增加设备的体积和成本；温度过高、湿度太大或电场强度超过材料的耐受能力，都可能导致固体绝缘性能下降甚至失效。

电应力（Electrical Stress）

定义：在电气系统或电气设备中，由于电场的作用而在绝缘材料或导电体等部件上所产生的作用力或影响，通常用单位面积上的电场力或电压梯度来表示。
作用：电应力是评估电气设备绝缘性能和可靠性的重要指标。适当的电应力是电气设备正常运行所必需的，它能够使电能在设备中按照设计要求进行传输和转换。但如果电应力过大，就会对电气设备的绝缘和导电部件造成损害。
影响因素：电应力的大小主要取决于电气设备的工作电压、电场分布、绝缘材料的介电常数等因素。工作电压越高、电场分布越不均匀、绝缘材料的介电常数越大，所产生的电应力就越大。

绝缘要求范例

导体部件 A 和 B 安装在固体绝缘材料表面。

电气间隙（Clearance）：“直视”的距离，即两个导体部件在空气中的最短直线距离。
爬电距离（Creepage Distance）：沿固定表面的距离，即沿固体绝缘材料表面从一个导体到另一个导体的最短路径长度。

[注] 参考安规规范:

IEC/EN 60664-1 Insulation coordination for equipment within low-voltage systems – Part 1: Principles, requirements and tests

Electrical Overstress (EOS，过度电性应力)

过度电性应力是 IC 组件损坏的第一大原因。当设备承受的电压或电流超过规格限制时，会导致局部高温，并对设备结构中使用的材料造成损伤。这种现象称为过度电性应力。

大多数人对于静电放电及其对电子设备及组件的负面影响皆非常了解。虽然在技术上过度电性应力涵盖了静电放电，但还是有许多地方有所不同。

静电放电：

由累积电荷的快速放电所产生。一旦累积的电荷被消耗殆尽，静电放电事件将不再产生。
特点是有特定的波形。尽管不同形式的静电放电事件（CDM、HBM、MM 等）的波形在外观上不尽相同，但包含快速上升缘（在几毫微秒内）及渐进后缘的持续时间通常都小于 100nS。
非定期、不可重复且无法保证电性的累积。

过度电性应力：

由设备操作或发电设备相关所造成的电压或电流。只要原始信号存在，过度电性应力现象就会持续，且并没有持续时间上的限制。
从技术上来说具有物理上任何可能的波形。它的来源具有一定的类别，但通常是无法预测的。
通常为定期且可重复。

过度电性应力现象所导致的基本类型故障

压力过大所产生的故障
异于正常数值的感应信号
闩锁效应
- 电源轨外部的感应电压
- 过热导致故障
- 重启后有时可以恢复

过度电性应力对零组件的影响

过度电性应力下损坏的 IC

过度电性应力下损坏的 IC（照片 1）

过度电性应力信号为设备提供大量的能量
IC 元件损坏经常呈现为大范围的熔解

过度电性应力及打线接合（照片 2）

过度电性应力所带来的巨大能量足以熔化已封装好的设备线路
最棘手的问题莫过于当电线弱化但 IC 元件测试时无法检测出任何损坏的潜在故障
弱化的 IC 元件会使产品无法使用

过度电性应力及潜在故障（照片 3）

过度电性应力比静电放电更容易造成潜在故障
过度电性应力带来的过大热能等能量削弱了其结构、特性及外观
弱化的 IC 元件在最终测试阶段仍有可能正常运作，但当应用一段时间，即便是在最小电压范围内，也会造成无法使用

因此，过度电性应力现象会缩短甚至损坏产品的生命周期。从工程开发、测试开发阶段到生产阶段，若能避免此现象的产生，绝对能提升产品品质并降低测试成本。

造成过度电性应力的可能原因

适用于高 $d l / d t$ 应用的不良电路板设计（例如： $D C / D C$ ）
选择不佳的偏置电平进行连续性测试（例如：毫安培秒的强致电流）
接地不良会导致接地平面上的噪音过大
电源上的电压突波不受控制
静电放电事件会触发较大的过度电性应力事件或造成损坏而削弱设备，使其更容易受到过度电性应力事件的影响
如果电流过高或持续较长的时间，闩锁事件可能会导致过度电性应力损坏

安规标准确定爬电距离和电气间隙

拨浪鼓_C 于 2018-07-17 16:38:41 发布

在布局 PCB 时遇到了强弱电的距离问题，搜索后简单总结下爬电距离和电气间隙的概念，梳理一下平时的项目中可能用得到的安规标准。

爬电距离：由于导体周围的绝缘材料被电极化，导致绝缘材料呈现带电的现象。此带电区的半径，即为爬电距离。

电气间隙：在两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离。即在保证电气性能稳定和安全的情况下，通过空气能实现绝缘的最短距离。

在布局大功率继电器 PCB 的时候，需要将强电 AC220V 和弱电 DC24V（及以下）保持在符合安全标准的距离范围内，才能保障用户安全和电气性能的稳定。

过电压 ：指工频下交流电压均方根值升高，超过额定值的 10%，并且持续时间大于 1 分钟的长时间电压变动现象；过电压的出现通常是负荷投切的瞬间的结果。正常使用时在感性或容性负载接通或断开情况下发生。通俗的说，是电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高。过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象。

IEC60335-1:2001 表 16 - 最小电气间隙

确定安全电气间隙的基本步骤

根据实际的额定电压查表 15，比如 220V，过电压类别 II 的情况下额定冲击电压 2500V，这个过电压的等级划分有标准的，Ⅱ 类指的是：如家用电器、手提工具和类似负荷；
查表 16 得出基本绝缘在额定冲击电压 2500V 情况下最小电气间隙为 2.0mm；

所以在平时接触到的 220V 家用电器的范畴里，电气间隙至少应保持在 2mm 以上，注意：电气间隙指的是空气距离。

爬电距离的确定步骤

确定被考核部位的工作电压；
确定被考核部位的材料组别（CTI 指数）；
确定被考核部位的污染等级；
按不同的绝缘，在相应的表中查在该工作电压、材料组别和污染等级下的爬电距离要求。

在基本绝缘的条件下：我们使用的 FR4 的 CTI 值一般低于 250V。也就是属于材料组别中的 IIIa 和 IIIb。对应的是表格中 3 级污染情况下的 4.0mm，即：我们平时接触到的 220V 家用电，即强电，应该与 PCB 板子上的弱电保持 4mm 以上的安全距离。

另外，强弱电之间的开槽是可以增加爬电距离的。比如，如果强弱电之间的板上间距只能保持在 3mm，那在其中间开个槽就能够符合安全标准了，注意：捷配 PCB 开槽的线宽应在 0.8mm 及以上。至于开槽与爬电距离的详细对应关系，暂不赘述。

确定电气间隙和爬电距离

一枚汽车工程师

背景

电气间隙和爬电距离是电池包设计时需要考虑的重要的安全相关项。电池包属于 B 级电压，目前商用电池包最高电压可达 800V。在高压系统中，如果电气间隙和爬电距离过小，有漏电等潜在危害。

影响因子

在确定电气间隙和爬电距离时主要需考虑以下影响因素：

绝缘类型
海拔高度
污染等级
过压类型
绝缘材料
电场类型

依次对上述影响因子展开论述。

绝缘类型 Types of insulation

・功能绝缘 Functional Insulation

Insulation that is necessary only for the functioning of the equipment

・基本绝缘 Basic Insulation

施加于带电部件提供基本防护的绝缘。Insulation applies to hazardous live parts to provide basic protection against electric shock

・附加绝缘 Supplementary Insulation

除基本绝缘意外施加的独立的绝缘，用以保证在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击。Additional protection from fault

・双重绝缘 Double Insulation

由基本绝缘和附加绝缘构成的绝缘 Insulation comprising both basic insulation and supplementary insulation.

・加强结缘 Reinforced Insulation

其提供的防电击能力不低于双重结缘的绝缘，它可以由几层不能像附加绝缘或者基本绝缘那样单独进行试验的绝缘构成。
Single insulation system that provides a degree of protection against electric shock equivalent to double insulation.

举例：基本绝缘就是漆包线上的绝缘漆，附加绝缘就是在漆包线外加上绝缘套管，双重绝缘就是指绝缘漆和绝缘套管。

海拔高度 Operating Altitude

海拔主要对电气间隙有影响。高于海平面 2000m 的区域在确定电气间隙时应考虑海拔高度的影响。主要方法就是需要乘以一个海拔系数做降额，具体见下表。（GB/T 16935.1-2008）

表 A.2 海拔修正系数 img

海拔/m	正常气压/kPa	电气间隙的倍增系数
2000	80.0	1.00
3000	70.0	1.14
4000	62.0	1.29
5000	54.0	1.48
6000	47.0	1.70
7000	41.0	1.95
8000	35.5	2.25
9000	30.5	2.62
10000	26.5	3.02
15000	12.0	6.67
20000	5.5	14.5

污染等级 Pollution Degree

污染等级是指根据导电的或吸湿的尘埃、游离气体或盐类和相对湿度的大小以及由于吸湿或凝露导致表面介是强度和 / 或电阻率下降事件发生的频度，而对环境条件作出的分级。

用来确定电气间隙或爬电距离的微观环境污染等级可分为 4 级。

微观环境污染等级	描述	英文描述
污染等级 1	无污染或仅有干燥的非导电性的污染	No contamination or only dry, non-conductive contamination occurs
污染等级 2	一般情况仅有非导电性污染，但必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性	Only dry, non-conductive contamination occurs. Occasional temporary conductivity may occur as a result of moisture condensation
污染等级 3	有导电性污染，或由于预期的凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的	conductive contamination occurs
污染等级 4	造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染	Impurities in the form of conductive dust, rain or humidity result in permanent conductivity

过压类型 Over-voltage Category

过压等级是描述设备在配电网络中的位置，位置不同承受的过电压等级不同，共分为 4 个等级，也称为过电压类别。具体参考 IEC 60664。GB/T 18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》，第 3.5 条也有类似描述。

—— 过电压类别 I：连接至具有限制瞬态过电压至相当低水平措施的电路的设备（例如：具有过电压保护的电子电路）上所承受的过电压。

—— 过电压类别 II：由配电装置供电的耗能设备（此类设备包含如器具，可移动式工具及其他家用和类似用途负荷）上所承受的过电压。如果此类设备的安全（可靠）性和适用性具有特强要求时，则采用过电压类别 III；

—— 过电压类别 III：安装在配电装置中的设备，以及设备的使用安全（工作可靠）性和适用性必需符合特殊要求者（此类设备包含如安装在配电装置中的开关电器和永久连续至配电装置的工业用设备）上所承受的过电压；

—— 过电压类别 IV：使用在配电装置电源端的设备（此类设备包含如电表和前级过电流保护设备）上所承受的过电压；

上述摘自标准的原话比较难以理解，换成更接地气的说法：

万用表插孔处的 CAT 是过压等级，CAT 是前缀。参照 IEC（国际电工委员会）的标准:

I 级别是低压低能量级别，并带保护装置，一般指电子设备的内部电压；

II 级是低压高能量级别，从主供电电路分支出来的，家里照明电路 220V 电压属于此类；

III 级是指高压高能量级别，指固定安装的主供电电路，一般指 380V 三相电压

绝缘材料 Insulant

绝缘材料按其 CTI 值划分为四组。CTI (comparative tracking index)，中文翻译为相比电痕化指数 —— 材料表面经受住 50 滴电解液而没有形成漏电痕迹的最高电压值，单位为 V。具体分组如下

Group I : 600 ≤ CTI ,

Group II : 400 ≤ CTI ≤ 600

Group IIIa: 175 ≤ CTI ≤ 400

Group IIIb: 100 ≤ CTI ≤ 175

电场类型 Type of the electric field

一般来说，非均匀电场的所要求的电气间隙要比均匀电场的电气间隙大

确定电气间隙

选择绝缘类型
根据绝缘类型确定冲击耐受电压要求：

对于功能绝缘的电气间隙，要求的耐受电压应是设备在额定条件下（特别是额定电压和额定冲击电压，参见表 F.2）跨电气间隙两端预期发生的最大冲击电压或稳态电压（参见表 F.7）或再现峰值电压（参见表 F.7）；

对于冲击电压，加强绝缘的电气间隙应按表Ｆ.２对应于比基本绝缘确定的额定冲击耐压高一级之值来确定，加强绝缘应按能承受基本绝缘要求的冲击耐受电压的 160％来确定。

对于稳态电压、再现峰值电压和暂时过电压，加强绝缘的电气间隙按表 F.7ａ规定的值确定，以承受 160％基本绝缘要求的耐受电压。
应在综合考虑冲击耐受电压、稳态有效值电压、暂时过电压和再现峰值电压之后，选择最大的电气间隙
考虑海拔、环境条件（即确定污染等级）的影响
查表确定电气间隙