低压成套开关设备的绝缘配合问题
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- 2022-03-25 15:01:20
摘要：1987年，电工委员会(IEC)第17D分技术委员会起草了名为《对IEC439的补充1关于绝缘配合的要求》的技术文件，正式将绝缘配合问题引入到了低压成套开关设备和控制设备中。就目前我国的实际情况而言，在高、低压电器产品中，设备的绝缘配合仍是一个较大的问题，又由于在低压成套开关设备和控制设备中正式引用绝缘配合这个概念，只是近两年的事情。所以，正确处理、解决好产品中绝缘配合问题，是一个比较重要的问题。
要害词：低压开关设备绝缘配合绝缘材料
绝缘配合问题是一个关系到电气设备产品安全性的重要问题，历来受到来自各方面的重视。绝缘配合早应用在高压电器产品中。1987年，电工委员会(IEC)第17D分技术委员会起草了名为《对IEC439的补充1关于绝缘配合的要求》的技术文件，正式将绝缘配合问题引入到了低压成套开关设备和控制设备中。就目前我国的实际情况而言，在高、低压电器产品中，设备的绝缘配合仍是一个较大的问题，有统计数字显示，我国的电器产品中，由于绝缘系统而引发的事故占50％－60％，又由于在低压成套开关设备和控制设备中正式引用绝缘配合这个概念，只是近两年的事情。所以，正确处理、解决好产品中绝缘配合问题，是一个比较重要的问题。
二.绝缘配合的基本原理
绝缘配合意指根据设备的使用条件及四周环境来选择设备的电气绝缘特性，只有在设备的设计基于其期望寿命中所承受的作用强度时，才能实现绝缘配合。绝缘配合的问题不仅来自设备外部而且还来自设备本身，是一个涉及各方面因素，须加以综合考虑的问题，其要点分为三部分：一是设备的使用条件；二是设备的使用环境，三是绝缘材料的选用。
(一)设备的使用条件
设备的使用条件主要指设备使用的电压、电场、频率。
1.绝缘配合与电压的关系。在考虑绝缘配合与电压的关系中，要考虑在系统中可能出现的电压、设备产生的电压，要求的持续电压运行等级，以及人身安全、事故的危险性。
1电压与过电压的分类，波形。
a)持续工频电压，有着恒定r、m、s的电压
b)暂时过电压，较长持续时间的工频过电压
c)瞬态过电压，几毫秒或更短的持续时间的过电压，通常是高阻尼的振荡或非振荡的。
——缓波前过电压：一种瞬态过电压，通常是单方向的，到达峰值的时间为20μs<Tp<5000μs之间，波尾持续时间T2≤20ms。
——快波前过电压：一种瞬态过电压，通常是单方向的，到达峰值时间为0.1μs<T1<20μs，波尾持续时间T2≤300μs。
——陡波前过电压：一种瞬态过电压，通常是单方向的，到达峰值的时间为Tf≤0.1μs，总持续时间<3ms，并带有叠加振荡，振荡频率地30kHz<f<100MHz之间。
d)联合(暂时、缓前波、快波前、陡波前)过电压。
根据上述的过电压类型，可描述出标准的电压波形。
2长期的交流或直流电压与绝缘配合的关系，要考虑额定电压、额定绝缘电压、实际工作电压。在系统正常、长期运行过程中，主要要考虑额定的绝缘电压和实际工作电压，而这一点除了要满足标准的要求外，更要注重考虑我国电网的实际情况。在目前我国电网质量尚不高的情况下，设计产品时，对绝缘配合而言，实际可能出现的工作电压更重要。
3瞬态过电压与绝缘配合的关系，这与电气系统内被控过电压的条件有关。在系统和设备中，存在多种形式的过电压，要考虑各种过电压的影响，在低压电力系统中，过电压可能会受到各种多变因素的影响，所以，系统中的过电压的是通过统计的方法来评定，反映了一种发生概率的概念，并可通过概率统计的方法来决定是否需要保护控制。
2.设备的过电压类别
根据设备的使用条件，要求的长期持续电压运行等级，将直接由低压电网供电设备的过电压类别分为Ⅳ级。过电压类别Ⅳ级的设备是使用在配电装置电源端的设备，如电表和前级电流保护设备。过电压类别Ⅲ级的设备是安装在配电装置中的任务，以及设备的使用安全性和适用性必须符合非凡要求者，如配电装置中的开关电器。过电压类别Ⅱ级的设备是由配电装置供电的耗能设备，如家用和类似用途的负载。过电压类别Ⅰ级的设备是连接在将瞬态过电压限制在相当低水平的设备，如具有过压保护的电子电路上。对于不直接由低压电网供电的设备，必须考虑到系统设备可能出现的电压及各种情况的严重组合。
当设备要工作在较高一级别过电压类别的场合，而设备本身的答应过电压类别不够时，就需要采取措施，降低该处的过电压，可采用以下方法。
a)过电压保护器件
b)具有隔离绕组的变压器
c)具有分散转移浪通过电压能量的多分支电路配电系统
d)能吸收浪涌过电压能量的电容
e)能吸收浪涌过电压能量的阻尼器件
3.电场与频率
电场情况分为均匀电场与非均匀电场，在低压成套开关设备中，一般认为是处在非均匀电场情况下，关于频率问题，目前尚在考虑中，一般认为低频对绝缘配合影响不大，但高频还是有影响的，尤其是对绝缘材料。
(二)绝缘配合与环境条件的关系
设备所处的宏观环境影响着绝缘配合，从目前实际应用与标准的要求来看，气压的变化只考虑到海拔高度引起的气压的变化，日常的气压变化已经忽略，温度与湿度的因素也已忽略，但假如有更精确的要求时，这些因素也还是应予以考虑。从微观环境上讲，宏观环境决定了微观环境，但微观环境有可能会好于或坏于宏观环境设备，外壳不同的防护等级、加热、通风、灰尘都有可能影响微观环境，微观环境在相关标准有明确规定，见表1，这就为产品的设计提供了依据。
(三)绝缘配合与绝缘材料
绝缘材料的问题相当复杂，它不同于气体，是一种一旦遭到破坏便不可恢复的绝缘介质，即使偶然发生的过电压事件也有可能造成永久损坏，绝缘材料在长期的使用中，会碰到各种各样情况，如放电事故等，而绝缘材料本身由于长期积累的各种因素，如热应力、温度，机械冲击等应力，又会加速它的老化过程。对于绝缘材料来讲，由于品种的多样性，其衡量绝缘材料的特性指标虽多，但不统一。这就为绝缘材料的选择和使用带来一定难度，这也就是目前从上对绝缘材料的其它特性，如热应力、机械特性、局部放电等指标暂不予以考虑的原因。上述应力对绝缘材料的影响在IEC的出版物中已开始有了一些论述，对实际应用能起一些定性的指导作用，但就定量的指导，目前还做不到。目前，低压电器产品中作为定量指导绝缘材料的指标用的较多的有相比漏电起痕指数CTI值，分为三组四类，耐漏电起痕指数PTI值。漏电起痕指数以通过含水污染的液滴落至绝缘材料表面而形成漏电痕迹，给出定量的比较。
这一定量指标已实际应用到产品的设计中。
三.绝缘配合的验证
目前验证绝缘配合的优选方法是使用冲击介电试验来进行，对于不同设备可选定不同额定冲击电压值。
1.用额定冲击电压试验验证设备的绝缘配合
额定冲击电压的为1.2/50μs的波形。
用此波形来模拟瞬态过电压、大气过电压，同时也包括低压设备的接通分断所产生的过电压，冲击试验电源脉冲波形发生器其输出阻抗一般应大于500Ω，额定冲击电压值的确定，应根据设备的使用场合，过电压类别和设备的长期使用电压来决定，并应根据相应的海拔高度进行修正。目前低压成套开关设备对某些试验条件。如湿度、温度没有作出明确的规定，但也应该在成套开关设备标准适用范围内，如设备的使用环境超出了成套开关设备的适用范围，则必须予以考虑修正。气压与温度的修正关系如下式：
K=P/101.3×293(ΔT＋293)
K—气压与温度的修正参数
ΔT—实际(试验室)温度与T=20℃的温差K
P—实际气压kPa
2.替代冲击电压的介电试验
对于低压成套开关设备可以用交流或直流试验来替代冲击电压试验，但是这类试验方法比冲击电压试验要严酷，应征得制造厂的同意。
交流试验，在交流情况下，持续时间为3个周波。
直流试验，每相(正、负)各施加电压三次，每次持续时间为10ms。
四.绝缘配合的一般程序。
1.典型过电压的确定。
2.配合耐受电压的确定。
3.额定绝缘水平的确定。