实战篇—确定电气间隙与爬电距离

背景

电气间隙和爬电距离是电池包设计时需要考虑的重要的安全相关项。电池包属于B级电压，目前商用电池包最高电压可达800V。在高压系统中，如果电气间隙和爬电距离过小，有漏电等潜在危害。

相关标准

以下标准都有涉及爬电距离和电气间隙，现整理如下：

• IEC 60664

• GB/T 16935.1-2008

• GB/T 18384.1-2015

相关名词的定义

在正式开始前，有必要了解以下相关名词：

• A 级电压电路：最大工作电压为Umax < 30V AC, 或60V DC的电路

• B级电压电路：最大工作电压为30V AC<Umax<=1000V AC, 或60V DC <Umax<=1500V DC 的电路

• 电位均衡：电气设备外露可导电部分之间的电位差最小化

• 高压系统：车辆带有B级电压电路的部分

• 带电部分：正常使用时被通电的导体或导电部分

• 可导电部分：能够使电流通过的部分。正常工作状态下不带电，在基本绝缘失效时有可能变成带电部分

• 外露可导电部分：可以IPXXB关节试指触及的可导电部分

• 电平台：一组电气连接的可导电部件，其电位作为基准电位

• 高压母线：与可充电储能系统（ Rechargeable energy storage system, REESS)相连的高压电路，包括REESS的对外输出部分和可充电部分

• 电气间隙 ：可导电部件之间最短的空间距离

• Clearance distance: the shortest distance in air between two conductive parts

• 爬电距离 ：可导电部件之间沿绝缘材料表面的最短距离

• Creepage distance: the shortest distance through the air along the surface of insulation material between two conductive parts

影响因子

在确定电气间隙和爬电距离时主要需考虑以下影响因素：

• 绝缘类型

• 海拔高度

• 污染等级

• 过压类型

• 绝缘材料

• 电场类型

依次对上述影响因子展开论述。

绝缘类型 Types of insulation

· 功能绝缘 Functional Insulation

Insulation that is necessary only for the functioning of the equipment

· 基本绝缘 Basic Insulation

施加于带电部件提供基本防护的绝缘。Insulation applies to hazardous live parts to provide basic protection against electric shock

· 附加绝缘 Supplementary Insulation

除基本绝缘意外施加的独立的绝缘，用以保证在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击。Additional protection from fault

· 双重绝缘 Double Insulation

由基本绝缘和附加绝缘构成的绝缘 Insulation comprising both basic insulation and supplementary insulation.

· 加强结缘 Reinforced Insulation

其提供的防电击能力不低于双重结缘的绝缘，它可以由几层不能像附加绝缘或者基本绝缘那样单独进行试验的绝缘构成。Single insulation system that provides a degree of protection against electric shock equivalent to double insulation

举例: 基本绝缘就是漆包线上的绝缘漆，附加绝缘就是在漆包线外加上绝缘套管，双重绝缘就是指绝缘漆和绝缘套管。

海拔高度 Operating Altitude

海拔主要对电气间隙有影响。高于海平面2000m的区域在确定电气间隙时应考虑海拔高度的影响。主要方法就是需要乘以一个海拔系数做降额，具体见下表。（GB/T 16935.1-2008）

污染等级 Pollution Degree

污染等级是指根据导电的或吸湿的尘埃、游离气体或盐类和相对湿度的大小以及由于吸湿或凝露导致表面介是强度和/或电阻率下降事件发生的频度，而对环境条件作出的分级。

用来确定电气间隙或爬电距离的微观环境污染等级可分为4级。

• 污染等级1：无污染或仅有干燥的非导电性的污染。No contamination or only dry, non-conductive contamination occurs

• 污染等级2：一般情况仅有非导电性污染，但必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性。Only dry, non-conductive contamination occurs. Occasional temporary conductivity may occur as a result of moisture condensation

• 污染等级3：有导电性污染，或由于预期的凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的。conductive contamination occurs

• 污染等级4：造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。Impurities in the form of conductive dust, rain or humidity result in permanent conductivity

过压类型 Over-voltage Category

过压等级是描述设备在配电网络中的位置，位置不同承受的过电压等级不同，共分为4个等级，也称为过电压类别。具体参考IEC 60664。GB/T 18481-2001《电能质量 暂时过电压和瞬态过电压》，第3.5条也有类似描述。

——过电压类别I：连接至具有限制瞬态过电压至相当低水平措施的电路的设备（例如：具有过电压保护的电子电路）上所承受的过电压。

——过电压类别II：由配电装置供电的耗能设备（此类设备包含如器具，可移动式工具及其他家用和类似用途负荷）上所承受的过电压。如果此类设备的安全（可靠）性和适用性具有特强要求时，则采用过电压类别III；

——过电压类别III：安装在配电装置中的设备，以及设备的使用安全（工作可靠）性和适用性必需符合特殊要求者（此类设备包含如安装在配电装置中的开关电器和永久连续至配电装置的工业用设备）上所承受的过电压；

——过电压类别IV：使用在配电装置电源端的设备（此类设备包含如电表和前级过电流保护设备）上所承受的过电压；

上述摘抄自标准的原话比较难以理解，换成更接地气的说法：

万用表插孔处的CAT是过压等级，CAT是前缀。参照IEC（国际电工委员会）的标准 : I级别是低压低能量级别，并带保护装置，一般指电子设备的内部电压；II级是低压高能量级别，从主供电电路分支出来的，家里照明电路220V电压属于此类；III级是指高压高能量级别，指固定安装的主供电电路，一般指380V三相电压

绝缘材料 Insulant

绝缘材料按其CTI值划分为四组。CTI(comparative tracking index)，中文翻译为相比电痕化指数——材料表面经受住50滴电解液而没有形成漏电痕迹的最高电压值，单位为V。具体分组如下

Group I : 600 ≤ CTI ,

Group II : 400 ≤ CTI ≤ 600

Group IIIa: 175 ≤ CTI ≤ 400

Group IIIb: 100 ≤ CTI ≤ 175

电场类型 Type of the electric field

一般来说，非均匀电场的所要求的电气间隙要比均匀电场的电气间隙大

确定电气间隙

1. 选择绝缘类型

2. 根据绝缘类型确定冲击耐受电压要求：

对于功能绝缘的电气间隙，要求的耐受电压应是设备在额定条件下（特别是额定电压和额定冲击电压，参见表 F.2）跨电气间隙两端预期发生的最大冲击电压或稳态电压（参见表 F.7） 或再现峰值电压（参见表 F.7）；
对于冲击电压，加强绝缘的电气间隙应按表 Ｆ.２对应于比基本绝缘确定的额定冲击耐压高一级之值来确定，加强绝缘应按能承受基本绝缘要求的冲击耐受电压的160％来确定。
对于稳态电压、再现峰值电压和暂时过电压，加强绝缘的电气间隙按表 F.7ａ规定的值确定，以承受160％基本绝缘要求的耐受电压。

3. 应在综合考虑冲击耐受电压、稳态有效值电压、暂时过电压和再现峰值电压之后，选择最大的电气间隙

4. 考虑海拔、环境条件（即确定污染等级）的影响

5. 查表确定电气间隙

下图给出的表F.2只是一系列表中的其中一张表，

确定爬电距离

1. 确定有效电压值

2. 确定绝缘材料CTI

3. 确定污染等级

4. 主要查表F.4来确定爬电距离

当用实际工作电压来确定爬电距离时，允许用插入值确定中间电压的爬电距离。应使用线性插入法求插入值，并将所得值的位数圆整到表中之值的相同位数

情景设定

可以将电池包划分为module和service box两个部分，我们以module为例。module一般是封闭在电池包内，IP等级高，可把污染等级定为2级。假设电池包最高电压为720V<800V，电源系统额定电压为230VAC/400VAC（基于230VAC/400VAC的充电技术），所处位置为高于海拔面3000m, 过压等级为2级。处于非均匀电场中

【电气间隙】

需要的参数：绝缘类型；电源系统额定电压；过压等级；海拔；污染等级

核心思想：电气间隙应以承受所要求的冲击耐受电压来确定。

关键表格：F.1和F.2

倒推步骤：

1. 电气间隙要查F.2来确定，表中有几个关键参数：耐受电压，污染等级；海拔

污染等级。除耐受电压外，其余参数均已知。那么应先确定耐受电压。

2. 确定耐受电压—参考标准GB/T 16935 -1“４．３．３　额定冲击电压的确定”

· 对于基本绝缘，耐受电压查表F.1

查表F.1可知，电源系统额定电压为230VAC/400VAC，过压等级为2级时，耐受电压为2500V

再查表F.2，耐受电压为2500V，非均匀电场，污染等级为2，电气间隙至少应为1.5mm.

又因为高于海拔面3000m,还应考虑海拔修正系数，查表A.2，海拔修正系数为1.14，所以理论上的电气间隙为：1.5*1.14=1.71mm。在实际的项目中，电气间隙会大于该理论值。

【实战】 爬电距离

需要的参数：工作电压有效值；CTI；污染等级

核心思想：根据污染等级和CTI来确定爬电距离

关键表格：F.4

1. 确定工作电压有效值：不高于800V

2. 查表F.4，对于污染等级为2，CTI I的爬电距离为4mm, CTI II的爬电距离为5.6mm，CTI III的爬电距离为8mm

【补充】如果有发生电解液泄露的可能，爬电距离应满足以下要求

Refer to GB/T 18384.1-2015

作者：一枚汽车工程师
链接：https://www.zhihu.com/question/48707068/answer/183668225
来源：知乎
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