- 關(guān)于《電氣間隙與爬電距離的全面解析與設(shè)計指南》的解析

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-「SysPro| 電動汽車標準解讀」專欄內(nèi)容，全文13700字

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導(dǎo)語：在高壓設(shè)備的設(shè)計與制造過程中，確保電氣安全和系統(tǒng)可靠性是至關(guān)重要的。其中，爬電距離(Creepage, CPG）和電氣間隙（Clearance, CLR）是兩個核心參數(shù)，它們直接關(guān)系到設(shè)備的絕緣性能和安全性。今天將深入探討這兩個關(guān)鍵概念，為工程師提供實用的指南和標準，以幫助我們更好地理解和應(yīng)用這些參數(shù)。

圖片來源：SysPro

內(nèi)容比較多，涵蓋：CPG和CLR的定義、絕緣等級、高壓應(yīng)用場景、爬電距離與電氣間隙、材料組與比較追蹤指數(shù)（CTI）、污染程度與瞬態(tài)過電壓類別、絕緣參數(shù)與標準、絕緣等級指南與示例、確定爬電距離與電氣間隙的流程圖、高壓PCB間距標準與指南，我們會分為上、下部分展開。

目錄

上篇：基礎(chǔ)篇

01 基礎(chǔ)概念與絕緣等級

1.1 爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）定義

1.2 絕緣等級分類與特點

02 高壓應(yīng)用場景

2.1 電動汽車的應(yīng)用

2.2 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

2.3 為什么要考慮絕緣等級？

2.4 如何考慮設(shè)備的絕緣等級呢？

03 爬電距離與電氣間隙

3.1 爬電距離 · 影響因素、測量、計算

3.2 電氣間隙 · 影響因素、測量、計算

3.3 材料組定義與CTI關(guān)系(知識星球發(fā)布)

3.4 污染等級分類、描述與示例(知識星球發(fā)布)

3.5 瞬態(tài)過電壓類別定義、描述與示例(知識星球發(fā)布)

3.6 絕緣標準概述與應(yīng)用領(lǐng)域(知識星球發(fā)布)

3.6.1 特定絕緣系統(tǒng)中的安全標準

3.6.2 PCB高壓安全相關(guān)絕緣標準

下篇：實踐篇

04 絕緣等級的定義指南與示例(知識星球發(fā)布)

05 爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）的量化確認指南(知識星球發(fā)布)

5.1 定義爬電距離與電氣間隙的流程圖

5.2 電源瞬態(tài)電壓的確定

5.3 電氣間隙的確定

5.4 爬電距離的確定

06 案例說明：OBC絕緣設(shè)計(知識星球發(fā)布)

07 案例說明：通過PCB切口增加爬電的設(shè)計方法(知識星球發(fā)布)

08 高壓環(huán)境PCB設(shè)計的絕緣間距要求及相關(guān)標準說明(知識星球發(fā)布)

09 總結(jié)

注：以上內(nèi)容節(jié)選，完整版請在知識星球查閱（點擊文末閱讀原文）

上篇：基礎(chǔ)篇

01

基礎(chǔ)概念與絕緣等級

1.1爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）定義

爬電距離，指的是沿固體絕緣材料表面兩個導(dǎo)電部件之間的最短距離。這一距離受污染、濕度和冷凝等因素的影響較大。在實際應(yīng)用中，例如在潮濕或有導(dǎo)電性污染的環(huán)境下，爬電距離若不足，可能會導(dǎo)致絕緣表面形成導(dǎo)電通路，從而引發(fā)設(shè)備故障甚至安全事故。

因此，在高壓設(shè)備中，爬電距離的設(shè)計必須足夠長，以防止在工作電壓下發(fā)生絕緣擊穿或爬電現(xiàn)象。設(shè)計時需考慮工作電壓的均方根（RMS）值、污染程度和材料組等因素。| SysPro備注：后續(xù)會解釋這里面的概念和邏輯

圖片來源：TI

電氣間隙，則是空氣中兩個導(dǎo)電部件之間的最短距離。它主要受空氣壓力（海拔）和溫度的影響。在高海拔地區(qū)，空氣稀薄，空氣的絕緣性能下降，因此需要更大的電氣間隙來保證設(shè)備的安全。

因此，在設(shè)計電氣間隙時，需考慮瞬態(tài)過電壓、污染程度和海拔等因素，以確保在瞬態(tài)過電壓下不會發(fā)生空氣電離或電弧現(xiàn)象。。| SysPro備注：后續(xù)會解釋這里面的概念和邏輯

圖片來源：TI

1.2 絕緣等級分類與特點

絕緣等級包括：基本絕緣、補充絕緣、雙重絕緣和加強絕緣。每種等級提供不同級別的電擊防護：

基本絕緣：單層絕緣，用于在正常和異常工作條件下防止電擊，是大多數(shù)常規(guī)電氣設(shè)備的基礎(chǔ)防護措施

補充絕緣：在基本絕緣之外獨立應(yīng)用的絕緣，提供額外的保護，當(dāng)基本絕緣可能失效時，補充絕緣能提供額外的保護

雙重絕緣：包含基本絕緣和補充絕緣，適用于正常、異常和單故障條件下的保護，為設(shè)備提供了更高層次的安全保障

加強絕緣：單層絕緣系統(tǒng)，但提供與雙重絕緣相同的防護等級，適用于空間受限或需要簡化設(shè)計的應(yīng)用，在保證安全的前提下，優(yōu)化了設(shè)備的設(shè)計。

我們要根據(jù)場景，選擇合適的絕緣等級，這對于確保設(shè)備的安全性至關(guān)重要。那么，為什么要考慮絕緣等級？如何考慮設(shè)備的絕緣等級呢？這就要從應(yīng)用場景來說說。

圖片來源：SysPro

02

高壓應(yīng)用場景

2.1 電動汽車的應(yīng)用

在電動汽車領(lǐng)域，高壓應(yīng)用廣泛存在于電池管理系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)等關(guān)鍵部分。電池管理系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)控和管理電池的狀態(tài)，確保電池的安全和高效運行；電機驅(qū)動系統(tǒng)則控制電機的轉(zhuǎn)速和扭矩，為車輛提供動力。

這些高壓應(yīng)用場景對絕緣性能提出了極高的要求，因為任何絕緣故障都可能導(dǎo)致電池短路、電機失控等嚴重后果，威脅到車輛和人員的安全。

圖片來源：AUDI

2.2 其他領(lǐng)域的應(yīng)用（略）

圖片來源：SysPro

2.3 為什么要考慮絕緣等級？

在這些高壓應(yīng)用場景中，考慮絕緣等級至關(guān)重要，原因主要有以下幾點：

防止電擊：高壓意味著更高的電位差，如果絕緣等級不足，電流可能會通過絕緣材料泄漏，當(dāng)人體接觸到帶電部分時，就會發(fā)生電擊事故，對人員生命安全構(gòu)成嚴重威脅。

保障設(shè)備正常運行：良好的絕緣可以防止電流在不需要的路徑上流動，避免短路、漏電等故障。例如在服務(wù)器和電信設(shè)備中，絕緣失效可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)丟失，影響整個系統(tǒng)的正常運行。

延長設(shè)備壽命：合適的絕緣等級能夠減少電氣部件之間的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，降低部件的老化速度，從而延長設(shè)備的使用壽命。像在可再生能源系統(tǒng)中，長期穩(wěn)定運行需要可靠的絕緣保障。

符合安全標準：各個行業(yè)都有嚴格的安全標準和法規(guī)，對高壓設(shè)備的絕緣等級有明確要求。滿足這些標準是設(shè)備能夠合法上市和使用的前提條件。

那么，了解了高壓應(yīng)用場景和絕緣等級在其中的存在的意義之后，我們要如何據(jù)此定義設(shè)備的絕緣等級呢？

2.4 如何考慮設(shè)備的絕緣等級呢？

絕緣等級的定義，主要要考慮以下幾點因素（概述）：

|SysPro備注：這里僅做定性概述，從第3章節(jié)開始我會結(jié)合眾多標準，對其中的所涉及相關(guān)因素進行定量說明，目的是提供一套完整的絕緣等級定義指南。

根據(jù)應(yīng)用場景確定電壓等級：不同的高壓應(yīng)用場景，其工作電壓不同。例如電動汽車的驅(qū)動電機電壓可能與服務(wù)器電源的電壓不同，需要根據(jù)具體的電壓范圍來選擇合適的絕緣材料和設(shè)計絕緣結(jié)構(gòu)。

考慮環(huán)境因素：設(shè)備所處的環(huán)境對絕緣等級有很大影響。如果設(shè)備在高溫、高濕度、多塵或腐蝕性環(huán)境中工作，絕緣材料的性能可能會下降。比如在工業(yè)環(huán)境中的電機驅(qū)動設(shè)備，可能需要更高耐熱、耐濕和耐腐蝕的絕緣材料。

參考相關(guān)標準和規(guī)范：各行業(yè)都有針對高壓設(shè)備絕緣的標準和規(guī)范，如國際電工委員會（IEC）標準、美國國家標準協(xié)會（ANSI）標準等。這些標準詳細規(guī)定了不同應(yīng)用場景下設(shè)備的絕緣要求，包括絕緣材料的性能、絕緣距離、耐壓測試等方面。

進行耐壓測試：在設(shè)備設(shè)計和生產(chǎn)過程中，需要進行耐壓測試來驗證絕緣等級是否符合要求。通過施加高于正常工作電壓的測試電壓，觀察設(shè)備是否出現(xiàn)擊穿、漏電等現(xiàn)象，以確保設(shè)備在實際使用中的安全性。

圖片來源：Littelfuse

03

爬電距離與電氣間隙

3.1 爬電距離 · 影響因素、測量、計算

在01中我們介紹了爬電距離，指的是沿固體絕緣材料表面兩個導(dǎo)電部件之間的最短距離。

爬電距離的特性在于，它受污染、濕度和冷凝影響最大。在實際應(yīng)用中，例如在工業(yè)環(huán)境或戶外環(huán)境下，設(shè)備表面可能會積累灰塵、濕氣等污染物，這些污染物會降低絕緣材料的表面電阻，增加爬電的風(fēng)險。

因此，在定義爬電距離時，需要考慮工作電壓的均方根（RMS）值、污染程度和材料組因素：

工作電壓的RMS值：決定了絕緣材料所承受的電場強度

污染程度：反映了設(shè)備所處環(huán)境的惡劣程度

材料組：則根據(jù)絕緣材料的比較追蹤指數(shù)（CTI）分類，不同材料組的絕緣性能有所差異

在設(shè)計開發(fā)中，需要我們結(jié)合上述因素，從相關(guān)標準表格中查出對應(yīng)的爬電距離。需確保爬電距離滿足或超過標準要求，以防止漏電或閃絡(luò)現(xiàn)象。

|SysPro備注：關(guān)于爬電距離計算的三個因素的參考標準、定義方式、應(yīng)用場景及其分類指南，這一系列問題我會在06中解釋。

圖片來源：TI

3.2 電氣間隙 · 影響因素、測量、計算

在01中我們介紹了電氣間隙，指的是空氣中兩個導(dǎo)電部件之間的最短距離。電氣間隙的特性主要體現(xiàn)在無空氣電離或電弧現(xiàn)象，以承受所需的瞬態(tài)過電壓（短期）。

因此，在定義電氣間隙時，需要根據(jù)工作電壓、瞬態(tài)過電壓、污染等級和海拔，從相關(guān)標準表格中查出對應(yīng)的電氣間隙：

空氣壓力（海拔）和問題：如前文所述，高海拔地區(qū)空氣稀薄，空氣的絕緣性能下降，需要更大的電氣間隙來保證設(shè)備的安全。溫度的變化也會影響空氣的絕緣性能，進而影響電氣間隙的要求

瞬態(tài)過電壓：需考慮設(shè)備可能承受的瞬態(tài)過電壓，可能是由于雷電、開關(guān)操作等原因引起的短暫高電壓脈沖

污染程度：與爬電距離一樣，不同污染等級對電氣間隙的要求不同，需要根據(jù)具體情況進行合理設(shè)計

下面我們針對與爬電距離和電氣間隙相關(guān)的絕緣參數(shù)做進一步地說明。

圖片來源：TI

以下內(nèi)容知識星球中發(fā)布

3.2 電氣間隙 · 影響因素、測量、計算

在01中我們介紹了電氣間隙，指的是空氣中兩個導(dǎo)電部件之間的最短距離。電氣間隙的特性主要體現(xiàn)在無空氣電離或電弧現(xiàn)象，以承受所需的瞬態(tài)過電壓（短期）。

因此，在定義電氣間隙時，需要根據(jù)工作電壓、瞬態(tài)過電壓、污染等級和海拔，從相關(guān)標準表格中查出對應(yīng)的電氣間隙。

下面我們針對與爬電距離和電氣間隙相關(guān)的絕緣參數(shù)做進一步地說明。

圖片來源：SysPro

3.3 材料組定義與CTI關(guān)系

(知識星球發(fā)布)

材料組別是通過依據(jù)國際電工委員會IEC 60112 標準對測試數(shù)據(jù)進行評估來加以驗證，強依賴于比較追蹤指數(shù)（Comparative tracking index - CTI）...

3.4 污染等級分類、描述與示例

(知識星球發(fā)布)

污染等級用于評估電氣設(shè)備所處環(huán)境的污染程度，對設(shè)備的絕緣設(shè)計有重要影響。一般有4級污染等級，數(shù)字越大、對爬電距離/電氣間隙越高，具體如下圖：...

圖片來源：TI

3.5 瞬態(tài)過電壓類別定義、描述與示例

(知識星球發(fā)布)

瞬態(tài)過電壓類別也稱為所需的沖擊耐受電壓，用于直接從低壓電源供電的設(shè)備的概率性含義。具體分類如下：...

圖片來源：SysPro

3.6 絕緣標準概述與應(yīng)用領(lǐng)域

(知識星球發(fā)布)

下面我們看看絕緣標準與相關(guān)定義，包括IEC 60664-1、IEC 62368-1、IEC 61800-5、IEC 62109-1、IPC 2221、IPC 9592等。|SysPro備注：需要說明的是，目前沒有一個標準是覆蓋所有電壓等級的，所以這里面需要對標準有個系統(tǒng)性的梳理和認知

3.6.1 特定絕緣系統(tǒng)中的安全標準

-> IEC 60664-1...

->IEC 62368-1...

->IEC 61800-5...

->IEC 62109-1...

3.6.2 PCB高壓安全相關(guān)絕緣標準

-> IPC 2221和IPC 9592...-> IEC 60664-1...-> IEC 62368...

下面，我們基于上述這些內(nèi)容，來探討下：如何正確地定義系統(tǒng)絕緣等級？如何量化爬電距離與電氣間隙？方法和流程是怎樣的？

圖片來源：skywork

下篇：實踐篇（已發(fā)布）

04

絕緣等級的定義指南與示例

(知識星球發(fā)布)

在電氣工程領(lǐng)域，確保電子元件和系統(tǒng)的安全性與可靠性至關(guān)重要。CPG（爬電距離）和CLR（電氣間隙）是在這方面發(fā)揮關(guān)鍵作用的兩個重要參數(shù)。理解絕緣等級以及它們與這些參數(shù)的關(guān)系，對于設(shè)計安全且符合標準的電氣產(chǎn)品至關(guān)重要，這也是我們下面講的核心內(nèi)容：

...

05

爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）的量化確認指南

(知識星球發(fā)布)

08中我們提到，與絕緣等級相關(guān)的兩個關(guān)鍵參數(shù)是：爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）。那么，如何計算、定義CPG和CLR，以確保設(shè)計出的絕緣系統(tǒng)能夠有效防止觸電，并滿足安全和性能要求呢？

5.1定義爬電距離與電氣間隙的流程圖

(知識星球發(fā)布)

下圖展示了一個用于防止觸電的絕緣系統(tǒng)的設(shè)計流程圖，具體指爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）的定義流程和方法...

1. 絕緣系統(tǒng)防觸電的設(shè)計路徑...

2. PCB高壓間距的設(shè)計路徑...

在了解了上述的流程方法后，我們需要進一步查閱標準，以幫助我們準確地得到想要的設(shè)計要求，主要包括：瞬態(tài)電壓的定義、電氣間隙的確認、爬電距離的確認。我會在下面幾個章節(jié)中陸續(xù)說明。

圖片來源：SysPro

5.2 電源瞬態(tài)電壓的確定

(知識星球發(fā)布)

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5.3 電氣間隙的確定

(知識星球發(fā)布)

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5.4 爬電距離的確定

(知識星球發(fā)布)

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06

案例說明：OBC絕緣設(shè)計

(知識星球發(fā)布)

下圖是車載電池充電系統(tǒng)（Onboard battery charger-obc）的案例，包含電路圖、一些絕緣要求。根據(jù)上述的指南，我們可以通過以下步驟獲取絕緣設(shè)計要求：...

Step1~Step4...

07

案例說明：通過PCB切口增加爬電的設(shè)計方法

(知識星球發(fā)布)

下面這張圖展示了如何借助PCB切口增加爬電距離，以提升電氣安全性...

圖片來源：TI

08

高壓環(huán)境PCB設(shè)計的絕緣間距要求及相關(guān)標準說明

(知識星球發(fā)布)

...

為了確保PCB在高壓環(huán)境下的安全性和可靠性，需要引用多個國際標準（如IEC 60664-1、IPC-2221、IPC-9592和UL 796）來指導(dǎo)設(shè)計。這些標準涵蓋了爬電距離、電氣間隙、環(huán)境條件、保形涂層以及垂直層間距等方面的要求。具體來講講：...

圖片來源：TI

09 總結(jié)

(知識星球發(fā)布)

...

希望上述這些內(nèi)容，可以為大家在電氣系統(tǒng)設(shè)計中涉及絕緣和高壓間距的關(guān)鍵問題提供了全面的理論支持和實踐指導(dǎo)，有助于我們更加科學(xué)、合理地進行系統(tǒng)設(shè)計，確保產(chǎn)品在安全性和性能上達到要求。

感謝你耐心閱讀，希望有所幫助！