高压连接器电气间隙和爬电距离设计

来源：线束世界•作者：•2024-05-16 11:20

图示：典型的汽车高压系统

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图示：电气间隙、爬电距离

1. 定义：

电气间隙(Electrical clearance)定义：

●电气间隙是指两个导电部件之间或导电部件与设备防护界面之间通过空气绝缘的最短距离。

●足够的电气间隙有助于防止由于空气电离而引起的介电击穿。

●电气间隙的大小受工作电压、过电压类别、污染等级和绝缘材料特性的影响。

爬电距离(Creepage Distance)定义：

●爬电距离是沿着绝缘表面测得的两个导电部件之间或导电部件与设备防护界面之间的最短路径。

●合理的爬电距离可以防止漏电起痕，即绝缘材料表面局部退化产生部分导电路径的过程。

●爬电距离通常大于或等于电气间隙，并且也受绝缘材料的CTI值影响。

通俗点讲，可以将电气间隙理解成是一个带翅膀的蚂蚁，飞的最短距离，而爬电距离则是一个蚂蚁爬的最短的距离。

2. 考虑因素：

在确定电气间隙和爬电距离时主要考虑的因素：

1.绝缘类型

2.过电压类型

3.污染等级

4.绝缘材料CTI等级

5.海拔高度

3. 设计流程：

电气间隙(Electrical clearance)的设计流程：

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爬电距离(Creepage distance) 的设计流程：

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4. 绝缘类型：

●功能绝缘（Functional Insulation）：

作用：功能绝缘主要用于保证设备的正常工作，比如在电路中隔离不同的电压或信号线。

特点：它不提供防电击保护，但有助于降低由于绝缘失效导致的引燃或着火风险。

●基本绝缘（Basic Insulation）：

作用：基本绝缘是防电击保护的第一道防线，它直接接触带电部件，提供必要的电击防护。

特点：如果基本绝缘失效，使用者将面临电击风险。

●附加绝缘（Supplementary Insulation）：

作用：附加绝缘作为另一层保护，独立于基本绝缘存在，用于减少基本绝缘失效时的电击风险。

特点：即使基本绝缘失效，附加绝缘也能提供一定程度的保护。

●双重绝缘（Double Insulation）：

作用：双重绝缘结合了基本绝缘和附加绝缘，提供更高级别的电击防护。

特点：双重绝缘的设计旨在即使基本绝缘失效，附加绝缘也能有效防止电击。

●加强绝缘（Reinforced Insulation）：

作用：加强绝缘是一种单一的绝缘系统，但其防电击效果等同于双重绝缘。

特点：加强绝缘通常用于那些不可能或不宜采用双重绝缘的场合。

在绝缘设计中，选择合适的绝缘类型需要考虑以下因素：

●安全标准和法规要求。

●设备的电压等级和预期工作环境。

●产品的机械强度和耐久性。

●成本效益分析。

*绝缘类型参考IEC 60950

5. 过电压类型：

5.1 直接由电网供电的设备：

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根据IEC 60664和GB/T 16935.1 直接由电网供电的系统和设备，过电压类型分为：

I类：连接至具有限制瞬时过电压至低水平措施的电路的设备（需要有过电压保护装置，如笔记本电脑。

II类：由固定式配电装置配电的耗能设备。如家用电器，稳压电源，移动式工具及其他家用和类似用途负载。如高压连接器。

III类：安装在固定式配电装置的设备。如固定安装开关，断路器，电缆，汇流条，插头插座，充电桩，工业用的永久性安装设备。

IV类：使用在配电装置电源端的设备。如测量仪，电表，变压器，变电站等前级过电流保护设备。

5.2 非电网供电的设备：

在IEC 60950 4.3.2.3规定，非直接由低压电网供电的系统和设备，可以参考4.2.3冲击电压的优选值330V,500V,800V,1500V,2500V,4000V,6000V,8000V,12000V。

6. 污染等级：

污染等级是描述环境中干燥污染和水汽凝结水平的指标，它影响所需的电气间隙和爬电距离。不同的污染等级要求不同的间隙和爬电距离，以确保在特定环境下的安全性。

根据IEC 60664 微观环境的污染等级有以下4级：

1. 污染等级1

--无污染或者仅有干燥的，非导电性的污染，该污染没有任何影响。

--一般如计算机机房，测量仪。

2. 污染等级2

--一般仅有非导电性污染，然而必须预期到凝露会偶然发生短暂的导电性污染。

--如家用电器，高压连接器，精密密闭车间。

3. 污染等级3

--有导电性污染或者由于预期的凝露使干燥的非导电性污染变为导电性污染。

--普通车间的电器设备或者机床。

4. 污染等级4

--造成持久的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨或其他潮湿条件所引起的污染。

--如电气机车和机动车车厢下的设备，机车内暴露在外的设备。

7. 海拔系数：

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在IEC 60664和GB/T 16935.1标准中规定，根据海拔的升高，需要考虑海拔系数。

随着海拔的升高，空气变的稀薄，气压变小，击穿电压能力降低，所以需要增大电气间隙。高压连接器设计一般考虑海拔4000m内。

8. 电气间隙设计-查表确认：

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9.绝缘材料CTI等级：

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CTI（Comparative Tracking Index，相比耐漏电起痕常数）是衡量绝缘材料在电场作用下抵抗电化学侵蚀（漏电起痕）能力的指标。这个常数对于确定电气设备中电气间隙和爬电距离至关重要，尤其是在设计高压连接器和涉及绝缘材料的电子设备时。

以下是CTI的分级及其含义的简要概述：

MG I (CTI≥600)：这个等级的材料具有最高的耐漏电起痕性能，适合在高污染和潮湿环境中使用。
MG II (400≤CTI＜600)：这个等级的材料具有较高的耐漏电起痕性能，适用于中等污染的环境。
MG IIIa (250≤CTI＜400)：这个等级的材料适用于一般的污染环境，是许多商业和工业应用中的常见选择。
MG IIIb (175≤CTI＜250)：这个等级的材料适用于较低污染的环境，可能用于一些特定的应用场景。
MG IIIb (100≤CTI＜175)：这个等级的材料适用于干燥且污染程度很低的环境。
CTI＜100：这个等级的材料具有相对较低的耐漏电起痕性能，通常用于对污染和湿度要求非常低的应用。

10.爬电距离设计-查表确定：

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11.高压连接器爬电距离设计演示：

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1. 确定有效电压值

工作有效电压值目前部分为700V，并且在往1000V升级，可以选择高一等级电压1000V。

2. 根据选定塑胶材料确定CTI等级

根据绝缘体塑胶材料的UL-CARD确定CTI等级。

3. 确定污染等级

因连接器大部分都要满足IP67等级，可以设定污染等级为2级。

4. 确定爬电距离

查表得出：

CTI等级为I级时，爬电距离要求5.0mm，

CTI等级为II级时，爬电距离要求7.1mm，

CTI等级为III级时，爬电距离要求10.0mm。

注意：

1.根据IEC 60664和GB/T 16935.1，加强绝缘的爬电距离需要满足基本绝缘确定值的二倍。

2. 针对不同的污染等级，计算V型槽爬电距离时需要短接，短接距离如下表。

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11.高压连接器电气间隙设计演示

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1. 确定绝缘类型

连接器的塑胶绝缘部分提供端子绝缘的作用，因此可视为基本绝缘。

2. 确定冲击耐受电压

2.1 高压连接器分为电池充电端和电池供电端类型

2.2 电池充电端是由充电桩转为直流充电，因此冲击耐受电压选择II类。

2.3 目前电动车平台大部分为700V,未来趋势往1000V靠近。因此选择高一等级电压1000V。

2.4 依照表F.1选择额定冲击电压为6000V。

2.5 电池供电端是由电池供电，是非低压电网系统，可以选择冲击电压优选值6000V。

3. 确定污染等级

因连接器大部分都要满足IP67等级，可以设定污染等级为2级。

4. 确定电气间隙

查表得出电气间隙要求值为5.5mm。

5. 海拔系数

因4000m海拔，海拔系数为1.29，所以电气间隙为7.095mm。

12. 演示结论：

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13. 电气间隙和爬电距离验证：

产品实物可以采取耐压测试，以便确认是否满足要求，参照GBT 18384.3：

1.施加以下频率为50 Hz~60 Hz的交流电压1分钟。

---如果采取基本绝缘和功能绝缘，施加（2U+1000）V rms的交流电压。

---如果采取双重绝缘和加强绝缘，施加（2U+3250）V rms的交流电压。

2.改为等效直流试验电压，电压参数为交流电压的1.41倍。

测试部位如下：

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14. 结论：

高压连接器除了电气间隙和爬电距离，还应考虑整体的系统级安全性，如使用二次解锁和机械互锁功能来增加安全性。还应经过严格的测试，包括电气性能测试、环境适应性测试、机械冲击和振动测试，以验证其在实际使用条件下的性能和可靠性。

工程师们设计时综合考虑电气、机械、环境和安全等多方面因素。最后使用合适的设计工具和仿真软件来优化设计。

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