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| 标准编号 | GB/T 16935.4-2011 (GB/T16935.4-2011) | | 中文名称 | 低压系统内设备的绝缘配合 第4部分：高频电压应力考虑事项 | | 英文名称 | Insulation coordination for equipment within low-voltage systems. Part 4: Consideration of high-frequency voltage stress | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | K30 | | 国际标准分类 | 29.120 | | 字数估计 | 52,563 | | 发布日期 | 2011-12-30 | | 实施日期 | 2012-05-01 | | 引用标准 | IEC 60112-2003; IEC 60664-1-1992; IEC 60664-5-2003; IEC GUIDE 104-1997 | | 采用标准 | IEC 60664-4-2005, IDT | | 起草单位 | 上海电器科学研究院 | | 归口单位 | 全国低压设备绝缘配合标准化技术委员会(SAC/TC 417) | | 标准依据 | 国家标准批准发布公告2011年第22号 | | 提出机构 | 中国电器工业协会 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | GB/T 16935的本部分按电气设备的性能标准规定了电气设备的电气间隙、爬电距离及固体绝缘的要求。本部分包含了有关绝缘配合的电气试验方法。本部分规定的最小电气间隙的值不适用于存在离子化气体的情况, 针对该情况的特殊要求将由相关技术委员会规定。本部分适用于低压设备内耐受高频电压应力的基本绝缘、附加绝缘及加强绝缘。本部分中的绝缘尺寸数据直接适用于基本绝缘;对于加强绝缘, IEC 60664-1中给出的附加要求适用;本部分适用于基波频率在30kHz至10MHz范围之内的任意类型的周期电压作用条件下的电气间隙、爬电 | GB/T 16935.4-2011
Insulation coordination for equipment within low-voltage systems.Part 4: Consideration of high-frequency voltage stress
ICS 29.120
K30
中华人民共和国国家标准
低压系统内设备的绝缘配合
第4部分:高频电压应力考虑事项
(IEC 60664-4:2005,IDT)
2011-12-30发布
2012-05-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
目次
前言 Ⅰ
引言 Ⅱ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 2
4 电气间隙 2
5 爬电距离 5
6 固体绝缘 7
7 高频试验 9
8 非正弦电压 11
附录A(资料性附录) 高频电压下电气间隙的绝缘特性 13
附录B(资料性附录) 高频电压下爬电距离的绝缘特性 18
附录C(资料性附录) 高频电压下固体绝缘的绝缘特性 21
附录D(规范性附录) 高频电压下的绝缘试验 27
附录E(资料性附录) 非正弦高频电压作用下的绝缘特性 38
附录F(资料性附录) 绝缘尺寸确定程序框图 43
参考文献 45
前言
GB/T 16935《低压系统内设备的绝缘配合》分为以下4个部分:
---第1部分:原理、要求和试验;
---第3部分:利用涂层、罐封和模压进行防污保护;
---第4部分:高频电压应力考虑事项;
---第5部分:不超过2mm的电气间隙和爬电距离的确定方法。
本部分是GB/T 16935的第4部分。
本部分按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本部分使用翻译法等同采用IEC 60664-4:2005《低压系统内设备的绝缘配合 第4部分:高频电压
应力考虑事项》。
本部分应与GB/T 16935.1-2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验》
(IEC 60664-1:2007,IDT)及GB/T 16935.5-2008《低压系统内设备的绝缘配合 第5部分:不超过
2mm的电气间隙和爬电距离的确定方法》(IEC 60664-5:2007,IDT)配合使用。
本部分由中国电器工业协会提出。
本部分由全国低压设备绝缘配合标准化技术委员会(SAC/TC417)归口。
本部分起草单位:上海电器科学研究院。
本部分主要起草人:章建兵、包革、吴庆云。
引 言
低压设备内也可产生较高的电压应力。低压设备电压频率通常情况下为50/60Hz,但在某些情况
下,低压系统中可存在较高的电压频率(400Hz)或较低的频率(162/3Hz)及直流电压。一个更特殊的
情况是大功率射频发送器。这类设备的开发使得针对射频条件下设备的绝缘耐受能力的研究得以较早
地开展,然而伴之而来的高频电压应力问题则未得到足够重视。
当前,频率超过30kHz的高频工作电压越来越频繁地被应用到低压设备中,对于兆赫兹级别的高
频电压的应用也将逐步展开。这些高频电压常常不是正弦波形。为了微缩电气部件,并获得设计的高
效,需要将绝缘尺寸降至很小的范围,从而对固体绝缘造成很高的电压应力。
电压频率增高的同时,局部放电对绝缘材料性能造成的退化效应也愈明显,两者大致成正比关系。
从而,在高电压频率情况下局部放电对绝缘尺寸的影响远较工频情况下显著。
随着电压频率的越来越高及绝缘尺寸的越来越小,且未来这种情况会愈发加剧,为保证操作人员安
全及设备的可靠性,由频率高至100MHz的高频电压形成的电压应力应纳入低压设备绝缘配合的考虑
事项之中。
本部分概括总结了有关高频绝缘应力的一些最为重要的数据,并阐释高频绝缘应力对绝缘材料及
其尺寸的影响,规定了电气间隙、爬电距离及固体绝缘的数据。本部分亦给出了有关高频应力的试验
方法。
低压系统内设备的绝缘配合
第4部分:高频电压应力考虑事项
1 范围
GB/T 16935的本部分按电气设备的性能标准规定了电气设备的电气间隙、爬电距离及固体绝缘
的要求。本部分包含了有关绝缘配合的电气试验方法。
本部分规定的最小电气间隙的值不适用于存在离子化气体的情况,针对该情况的特殊要求将由相
关技术委员会规定。
本部分适用于低压设备内耐受高频电压应力的基本绝缘、附加绝缘及加强绝缘。本部分中的绝缘
尺寸数据直接适用于基本绝缘;对于加强绝缘,IEC 60664-1中给出的附加要求适用;本部分适用于基
波频率在30kHz至10MHz范围之内的任意类型的周期电压作用条件下的电气间隙、爬电距离及固体
绝缘尺寸的确定。
本部分应与IEC 60664-1或IEC 60664-5配合使用。通过上述三项标准的配合使用,可使得
IEC 60664-1及IEC 60664-5的电压频率限值提高至30kHz以上。
在电压频率超过30kHz时,本部分也适用于IEC 60664-3及对类型1的保护。对于类型2的保护
仍在考虑之中。
注1:频率范围超过10MHz的尺寸数据在考虑之中。
注2:本部分未考虑对主电路的高频放射。在设备的正常使用过程中,一般认为放射到主电路上的高频电压所形成
的干扰与绝缘应力相比可忽略,故可不予考虑。
本部分适用于应用在海拔不超过2000m环境中、额定电压不超过交流1000V的电器设备。
本部分不适用于以下场合:
---在液态环境中;
---除空气外的其余气体环境中;
---在压缩空气中。
注3:在电器设备的内部电路中可能会存在更高的电压。
注4:用于海拔超过2000m场合的要求可从IEC 60664-1附录A的表A.2中给出。
本部分旨在为负责各种不同电器设备标准的技术委员会提供指导,以协调各设备的相关要求,使得
在规定空气中的电气间隙、爬电距离及固体绝缘时可达到绝缘配合的目的。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
IEC 60112:2003 固体绝缘材料在潮湿条件下相比电痕化指数和耐电痕化指数的测定方法
IEC 60664-1:1992 低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验(Insulationcoordi-
IEC 60664-5:2003 低压系统内设备的绝缘配合 第5部分:不超过2mm的电气间隙和爬电距
IEC 指南104:1997 安全性出版物的起草方法及基础或族安全性出版物的使用方法(Theprepa-
3 术语和定义
IEC 60664-1中给出的术语和定义以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
当某一电场的频率超过30kHz,且其导电部分的弯曲半径大于等于电气间隙的20%,则该电场被
视为近似均匀电场。
3.2
非均匀电场 inhomogeneousfield
当某一电场的频率超过30kHz,且其导电部分的弯曲半径小于电气间隙的20%,则该电场被视为
非均匀电场。
3.3
Upeak
跨接在绝缘层两端的任一类型的周期性峰值电压的峰值。
3.4
fcrit
电气间隙的击穿电压开始下降时的临界电压频率。
3.5
fmin
电气间隙的击穿电压的下降幅度达到最大时的电压频率。
3.6
局部放电电压 PD-voltage
局部放电起始电压Ui及局部放电熄灭电压Ue的统称。
3.7
单位长度上的电压梯度,通常表示为kV/mm,记为E。
4 电气间隙
4.1 一般条件
本条适用于暴露于空气中的电气间隙。用以确定尺寸的数据仅在海拔2000m及以下适用。若海
拔超过2000m,则IEC 60664-1中表A.2的海拔修正系数适用。
4.2 基本信息
按照附录A.1给出的基本信息,如果周期性电压相关,则电气间隙的耐受能力仅受电压频率影响
(见IEC 60664-1或IEC 60664-5中3.1.1.2)。可按IEC 60664-1或IEC 60664-5中3.1.1.1确定瞬时
过电压下的尺寸。
4.3 均匀及近似均匀电场
4.3.1 近似均匀电场的条件
当一个电场的频率超过30kHz,且其传导部分的弯曲半径大于或等于电气间隙的20%,则视该电
场为近似均匀电场。
4.3.2 击穿特性的试验数据
附录A.2.1给出以下结论,击穿电压出现下降的临界频率fcrit取决于电气间隙的值,它们之间具有
如下关系:
fcrit≈0.2d MHz
(1)
式中:
d---电气间隙单位为毫米(mm)。
附录A2.1给出的在均匀电场条件下的试验数据显示:对比于50/60Hz时的值击穿电压的最大下
降幅度可达20%。击穿电压下降幅度最大时的频率记作fmin。
注:为适应本部分,图A.1描述的fmin设为3MHz。
4.3.3 确定均匀电场及近似均匀电场条件下电气间隙尺寸
暴露于空气中的大气压下均匀电场电气间隙的绝缘特性与频率之间的关系可概括如下:
---当电场频率大于fcrit时,击穿电压随频率增大而下降,击穿电压的最大下降幅度为20%;
---击穿电压在频率为fmin时达到最小。若频率超过fmin后继续增大,则击穿电压会随之上升,并
可超过工频击穿电压。
上述特征也适用于近似均匀电场。
确定均匀电场电气间隙尺寸可依据IEC 60664-1表F.7中的情况B的数值或IEC 60664-5中的
表3的数值;若采用上述数值需按IEC 60664-1或IEC 60664-5中4.1.1的要求进行耐受试验。
确定近似均匀电场电气间隙尺寸的依据为IEC 60664-1表F.7中的情况A的数值或IEC 60664-5
中的表3中的数值;采用上述数值不需进行耐受试验。但其导电部分的弯曲半径需大于或等于电气间
隙的20%。
以下为两种确定电气间隙尺寸的方法:
1.若无需进行精确判定,则可按照IEC 60664-1中表F.7及IEC 60664-3中表5要求,保证电气间
隙在本部分频率范围内具备耐受规定电压125%的能力。
2.若需精确判定,则:
a) 若电压频率低于fcrit(见公式(1)),则应按IEC 60664-1表F.7及IEC 60664-5中表3要求,使
得电气间隙具备耐受规定电压100%的能力。
b) 若电压频率高于fmin,则应按IEC 60664-1表F.7及IEC 60664-5中表3要求,使得电气间隙
具备耐受规定电压125%的能力。
c) 若电压频率f介于fcrit及fmin之间,则应按IEC 60664-1表F.7及IEC 60664-5中表3要求使
得电气间隙在
(100%+ f-fcritfmin-fcrit×
25%)×f (2)
下具备耐受规定电压的能力。
为获取临界频率fcrit的值,首先将电气间隙按IEC 60664-1表F.7及IEC 60664-5中表3设为规定
耐受电压100% 下的值。然后再比较电压频率与fcrit之间的大小关系,确定上述a)、b)、c)三种情况哪
种适用。由于fcrit的估算值受所获电气间隙值大小的影响,从而可能需要进行二次重复估算。
注:有关尺寸确定的进一步信息见附录F。
4.4 非均匀电场
4.4.1 非均匀电场的条件
电场频率超过30kHz,且其传导部分的弯曲半径小于电气间隙的20%,则视该电场为非均匀电场。
4.4.2 局部放电和击穿特性的试验数据
对于非均匀电场,fcrit可由公式(1)近似获取。在电场频率大于fcrit情况下,非均匀电场频率对击穿
电压的影响远较均匀电场显著。相比于工频情况,击穿电压值的下降幅度可达50%。
在非均匀电场条件下,局部放电现象必然要在电压尚未达到击穿电压之前出现。频繁重复的放电
现象会造成绝缘性能的迅速下降,从而应当保证电气间隙的尺寸足够大以防止局部放电现象的发生。
试验数据在附录A.2.2中给出。
4.4.3 确定非均匀电场条件下电气间隙尺寸
当电压频率值低于fcrit时(见式(1)),电气间隙的大小应按IEC 60664-1表F.7及IEC 60664-5中
表3耐受规定电压的100%确定。
当电压频率大于或等于fcrit时,确定尺寸应考虑电压频率的影响。由于瞬时过电压可触发局部放
电,不应由任何稳态电压使得局部放电持续进行(见IEC 60664-1中4.1.2.4),在尺寸的确定过程中应
使用局部放电熄灭电压。图1给出相关的数据及限值曲线(见注)。
注1:在定尺寸时,附录A.2.2中的数据适用。
注:d为电气间隙。
图1 确定非均匀电场条件下空气中大气压下的电气间隙(点面电极,5μm半径)以避免局部放电
(电气间隙≥1mm)或击穿(电气间隙< 1mm)
表1给出了非均匀电场条件下确定绝缘尺寸的概要数据,这些数据只有在电场导电部分的弯曲半
径较小的时候适用。在实际应用中,电场导电部分的弯曲半径应小于电气间隙的20%。
注2:更详尽的信息见附录F。
表1 非均匀电场条件下空气中大气压下电气间隙的最小值
a 对于电压值介于本表之间的数值,可进行插值。
b 尚无法获取Upeak小于0.6kV时的数据。
5 爬电距离
5.1 试验数据
附录B给出的数据考虑了电压频率对爬电距离击穿电压的影响。
B.2描述了所要求进行的试验的试验条件及试验中用到的材料。
B.3列出了试验数据。可以看出局部放电电压和击穿电压均显著受电压频率影响。
5.2 确定爬电距离
图2给出了针对三种不同频率范围(100kHz及以下、1MHz及以下、3MHz及以下)的测量数据及
限值曲线。表2概括了爬电距离的确定数据。其余频率范围的数据可通过线性插值获取。这些数据适
用于污染等级1。
注1:由于高频电压下所形成的局部放电现象持续时间过长会对基础材料造成极大损坏,在确定爬电距离时,B.3
中的局部放电熄灭电压数据适用。
参考文献[5]中的试验结果表明:污染等级2和3时,爬电距离可通过污染等级1时的爬电距离乘
上一个系数而得出。污染等级2的乘数系数为1.2,污染等级3的乘数系数为1.4。
表2中的数据未考虑漏电起痕现象的影响。若需考虑该影响,则应参照IEC 60664-1或
IEC 60664-5,若本部分表2的数值小于IEC 60664-1或IEC 60664-5表4中的相关数值,则应以后者
为准。
这些数据对所有可能受热效应破坏的材料适用。对于一些不受热效应破坏的材料(如陶瓷),可按
本部分第4章确定其电气间隙。
注2:更详尽的确定尺寸信息见附录F。
注:d为爬电距离。
图2 确定爬电距离以避免局部放电(爬电距离≥1mm)或击穿(爬电距离< 1mm)
表2 不同频率范围内的爬电距离的最小值
a 表中给出的有关爬电距离的数据对污染等级1适用。对于污染等级2和污染等级3可分别使用乘数因子1.2
及1.4。
b 各个纵栏之间的数值可进行线性插值操作。
6 固体绝缘
6.1 一般考虑
与暴露在空气中的电气间隙相比较,固体绝缘能保证其击穿场强至少比前者高一个数量级。然而
在实际应用中固体绝缘的高击穿场强并无大用。
注:附录C.1详细介绍了在低场强条件下导致绝缘性能下降乃至击穿的机理。
6.2 影响因素
在电场频率为1MHz时,短时击穿场强可降至工频条件下的击穿场强值的10%。即便电场频率
高至100MHz,击穿场强也不致更低。
注:附录C.2给出了有关高频击穿特性的描述。
一般来说,固体绝缘的介电强度还会受湿度及温度的影响而愈加降低,尤其是在高频电压情况下;
7.3中的试验前预处理考虑了这种影响。
基于上述特性,应用于高频场合的固体绝缘材料不应长时间暴露在相对湿度大于92%的环境中。
某些材料(如玻璃、陶瓷)不受湿度影响,故其不受上述限制。
固体绝缘的击穿场强是一个关于材料厚度的函数。一个极薄的薄膜的击穿场强可比厚度为
0.7mm的试样的击穿场强值高一个数量级,因此根据固体绝缘厚度确定任何尺寸时应考虑到绝缘层
厚度对击穿场强的影响。
附录C.2描述了温度对击穿电压的影响,温度是一个重要的影响因素,在确定尺寸及试验时应给
予充分考虑。
高频电压下的局部放电现象会呈现出高重复频率的局部放电脉冲,故一旦发生局部放电现象,则将
无法预计固体绝缘的使用寿命。
6.3 确定固体绝缘尺寸
下述方法可替代第7章所述高频试验来确定固体绝缘尺寸。若电场强度近似均匀,相关数值不超
过公式3和图3给出的规定值,且固体绝缘之间不存在空洞或气隙,则该方法可在电压频率不超过
10MHz的场合适用。若以上条件不满足,则应按第7章要求进行高频电压试验。
若电场近似均匀(见下注),则下述确定固体绝缘尺寸的方法适用。对于厚度d1≥0.75mm的固体
绝缘,电场强度的峰值E应不大于2kV/mm。对于厚度d2≤30μm的固体绝缘,电场强度的峰值不
应超过10kV/mm。对于d1 >d >d2,应通过式(3)插值来求得某一特定厚度d所对应的电场强度
(见图3)。
注1:若电场强度偏移量不超过电场强度平均值的20%则认为该电场为近似均匀。
注:E为场强。
图3 按式(3)确定固体绝缘尺寸所允许的电场强度
在确定固体绝缘尺寸时,若使用到电场强度的数值,则电场必须为近似均匀分布,且不存在空洞或
气隙。如果场强无法用上述公式计算(电场分布不均匀)或峰值大于式(3)或图(3)中的数值,或电场中
的空洞或气隙无法消除,或电压频率大于10MHz,则应进行高频电压局部放电试验或耐受试验。如考
虑短时应力则进行耐受试验,若需考虑长期应力则进行局部放电试验,试验按IEC 60664-1中3.3.3.2.2进行。
7 高频试验
7.1 基本要求
下列试验在所施加的电压频率下进行:
---通过高频交流电压试验验证电气间隙和固体绝缘的短时介电强度;
---验证高频电压达到稳态时有无局部放电现象发生。
由于高频情况下存在较大的电容性负载,高频试验主要是针对元器件及设备模块进行。若需对成
套设备进行附加高频试验,则可按IEC 60664-1中的4.1.2的要求在工频电压下进行。
7.2 试验电压源
附录D.1给出了有关了试验电压源的要求。
7.3 预处理
除非技术委员会有其他规定,该试验应在一个新的试品上进行。对该试品进行温度和湿度方面的
处理的目的在于:
---模拟设备正常工作时的最严酷条件;
---暴露设备在正常条件下没有出现的缺陷。
IEC 60664-1中4.1.2.1所描述的预处理方法也适用于高频试验。
7.4 高频击穿试验......
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