用于冶金起重机的变频器电气安全间距设计

杜 晓，冀孟轩

(太原重型机械集团有限公司起重机研究所，太原 030024)

用于冶金起重机的变频器电气安全间距设计

杜 晓，冀孟轩

(太原重型机械集团有限公司起重机研究所，太原 030024)

为提高用于冶金起重机上的变频器的安全性及可靠性，合理设计变频器的安全间距，通过解读UL840中对于电气间隙及爬电距离的相关要求，分析并说明了其应用条件及注意事项，给出了设计时得到正确参数值的方法，最后通过实验验证了所设计的满足文中安全间距要求的变频器具有安全可靠的绝缘耐压特性，并结合实际中可能遇到的问题给出了相应的设计思路。

变频器;电气间隙;爬电距离;UL840;冶金起重机

随着我国能源问题的日益突出，节能减排及各类新能源设备的设计及使用已成为社会关注的一大焦点，变频器作为改善电机性能并在特定条件下将多余的能量回馈给电网的设备，在冶金起重机中得到越来越广泛的应用。由于冶金行业工况环境等因素，其工作电压及工作电流往往也较大，因此在设计变频器时，设备的可靠性及安全性就显得十分重要，这就要求变频器的电路及结构所设计的安全间距满足一定的标准要求[1]。UL作为从事安全试验和鉴定的较大的专业机构，其制定的标准在保障变频器产品安全性能外也是国内产品进入北美市场的一项必要的技术要求。UL840[2]作为该系列标准中的一项，规定了电气设备的电气间隙和爬电距离以及绝缘协调配合的要求。由于目前针对安全间距的研究多基于安全间距的理论分析及验证[3]，并无结合相关标准对具体行业的具体设备进行指导，本文依据UL840标准中的条款，分析与说明了其在变频器产品中关于电气间隙及爬电距离的具体条文，归纳总结了如何合理设计变频器安全间距，并结合实际设计中可能遇到的问题给出了相应的解决办法，在实际设计变频器电路及机械机构方面具有指导意义。

1 电气间隙的理论依据

其中ɑ与b为常数，在标准气压下ɑ=43.66，b= 12.8.从上述公式中可以看出在气压一定的情况下，击穿电压随着电极间距离d的增加而升高。因此UL840中为了保证变频器电路各电极间不会产生放电现象而对不同电极间的距离做出了相应的要求。

对于采用了过压控制设备的变频器，该要求还与设备所处环境的污染等级及具体的过压范围有关。其中污染等级可以根据是否有污染物的存在以及冷凝的可能性分为四个等级，分别为:

污染等级一:仅存在干燥的不导电的污染或无污染的环境。

污染等级二:正常情况下仅存在不导电的污染，但是可能会由冷凝引起暂时性的导电的污染。

污染等级三:可导电的污染或因冷凝造成干燥的非导电污染变为可导电的污染。

污染等级四:由于可导电粉尘、雨、雪等造成的可持续性导电的污染。

帕邢定律:击穿电压U是电极距离d和气体的压力p乘积的函数，公式表示为:

2 电气间隙的设计要求

电气间隙是指为避免不同电极间通过空气放电所要求的最小距离，该距离通常为两电极间通过空气的最短距离[4-5]。其数值应参考 UL840的表8.1中所列数值，具体内容见表1.

表1 设备应满足的最小电气间隙Tab.1 Mini clearance requirement in equipment(Tab.8.1 in UL840)

在使用该表时，若变频器未使用过压保护设备，则先确定变频器所处的过压范围，再确定变频器安装处的污染等级，然后得到对应该过压范围及污染等级下所要求的最小电气间隙。若变频器中有应用过压保护设备，则应根据所用过压保护设备可承受的脉冲电压的额定峰值和过压范围中较严苛的那个值及污染等级得到所应满足的最小电气间隙。当一个设备的过压范围或可耐受的脉冲电压额定峰值处于表中所列值的某一个区间中时，应参考该区间的上限对应的距离要求。不同类型电路间的安全间距需要按照条件严苛的电路的要求进行设计。需要特别注意的是这里所提到的过压保护设备并非我们日常提及的全部压敏电阻等设备，因为UL在其标准中将压敏电阻等又分成了几类，其中仅有部分满足这里的过压保护设备的要求，具体的说明请参考UL网站或UL1449中的相关规定。

对于冶金起重机来说常见的相对地电压有380 V，690 V等，对应的过压范围可选为600 V或1 000 V以下对应的安全间距要求。另外由于工作环境里粉尘较大，因此建议参考污染等级三条件下的相关距离，若起重设备上装有较好的通风除尘设备，则可参考污染等级二条件下的相关距离。如实际中位于通风良好的室内电气仓内，进线侧未装有过压保护设备，工作在380 V额定电压下的变频器主回路电路可导电部分间的电气间隙应大于5.5 mm.经隔离变压器隔离，工作在24 V额定电压下的变频器控制电路各部分间的电气间隙应大于0.2 mm.主回路及控制回路之间的电气间隙参照主回路部分的电气间隙要求应大于0.5 mm.

3 爬电距离的设计要求

爬电距离是指由于导体周围的绝缘材料被电极化而呈现出带电现象，该区域的半径即为爬电距离[4-5]。爬电距离通常跟相关电路的操作电压，所用绝缘材料的漏电起痕指数以及污染等级有关。设计时应参考UL840的表9.1及表9.2中的数值进行设计。

因表2及表3中数据较多，本文中只列出了较为常用的几组数据。

在使用UL840中表9.1及表9.2时同样应当先根据操作电压的范围，确定被关注电路所处的污染等级，再根据所用绝缘材料的漏电起痕指数来确定应满足的最小爬电距离。当操作电压处于表中所列某一电压区间中时，处理方法同处理电气间隙时的一样。通常绝缘材料的漏电起痕指数在所选材料的厂家的技术手册中都有注明。对于PCBA所处污染等级为3或4时，需要根据UL840中表9.1所列的参考值进行设计。

表2 设备所应满足的最小爬电距离(表9.1)Tab.2 Mini creepage requirement in equipment(Tab.9.1 in UL840)

表3 PCBA应满足的最小爬电距离(表9.2)Tab.3 Mini creepage requirement in PCBA(Tab.9.1 in UL840)

4 实际中可能遇到的问题及解决方法

在实际设计时，会出现下列几种情况:

(1)电气间隙与爬电距离所通过的空间距离为同一条路径但两者给出的最小距离参考值不同。

(2)由于产品结构的限制，某一空间狭小使得电气间隙不满足要求。

(3)在产品进行安规宣称时发现PCBA上某两条线路间的爬电距离不满足要求。

对于上述几种情况，这里给出一些解决办法以供参考:第一种情况应当满足电气间隙与爬电距离两者中要求距离较大的数值，即应满足条件更为严苛的要求。对第二种情况可选用满足UL508c要求的绝缘材料制成的绝缘片将不满足电气间隙的两个电路从空间上隔开。对第三种情况通常可根据实际情况在两条线路中开挖一道凹槽以增加爬电距离。

对于按照上述条件设计的变频器的绝缘耐压性能进行验证，实验器材为AN9635H型交直流绝缘耐压测试仪，实验时设置实验电压为直流2 800 V，持续时间60 s，电压由零位到设定值的缓冲时间为10 s，当漏电流达到3 000 μA时设备将报警。实验结果表明试验期间各电路元件及机械结构间的漏电流最大为1 656 μA，实验通过。因此按照文中指出的安全间距设计可以保证相关电路及设备在2 800 V直流电压下不会对人及周围器件产生危害，同时也表明设备在极端条件下的安全性及可靠性是符合相关标准要求的。

5 结论

安全间距的设计是变频器电气设计中的重要环节，直接影响到所设计产品的可靠性与安全性。电气间隙与爬电距离应当在分别考虑了系统电压，污染等级，过压范围，过压保护设备及绝缘材料漏电起痕指数等因素的条件下进行选取。最后对于产品设计中可能会出现的问题，结合实际工况在安规标准所规定的范围内寻求解决方法。

参考文献:

[1]UL 508C-2002，Power Conversion Equipment[S].

[2]UL 840-2005，Insulation Coordination Including Clearances and Creepage Distances for Electrical Equipment[S].

[3]郑虹，张健.电子产品检测中电气间隙和爬电距离的确定[J].中国计量学院学报，2007(03):83-86.

[4]杜鹃.电气间隙和爬电距离的简析(一)[J].日用电器，2010(11):32-36.

[5]杜鹃.电气间隙和爬电距离的简析(二)[J].日用电器，2010(12):46-48.

Clearance and Creepage Design on Converter Electric Safety of Metallurgy Crane

DU Xiao，JI Meng-xuan
(Crane Institute of Taiyuan Heavy Machinery Group Co.，LTD，Taiyuan 030024，China)

To improve the safety and reliability of converter in metallurgy crane，this article introduces the requirements of clearance and creepage according to UL840，analyzes the application conditions and attention options，shows the way of getting accurate parameters，finally verifies the high-voltage withstand ability and gives out the method about how to solve actual problems in design.

converter，clearance，creepage，UL840，metallurgy crane

TP23

B

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.014

1673-2057(2015)04-0309-04

2015-05-04

杜晓(1986-)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为起重机配电及控制。