安规设计：储能系统场景下的BMS安规距离计算

这周气温骤降，注意保暖；上周在上海举办的储能展会很是火爆，折射出储能这个行业内卷也很严重了，话说回来，现在新能源相关的工作加班都不少，我的发际线岌岌可危。

关于安规的这个话题，我两年前写过几篇文章，介绍车载BMS安规距离的计算，原文链接如下：

最近半年来有一半时间在做储能BMS的设计，对安规距离有了些新的认知，打算这里就再次总结与学习下。

在设计储能BMS时，一般参照标准《GB/T 34131-2023 电力储能用电池管理系统》来梳理需求，其中针对海拔高度参照标准GB/T 7251.1的规定来进行设计，这个就是安规设计的要求。

具体地，这个标准全称为《GB/T 7251.1-2023 低压成套开关设备和控制设备 第1部分：总则》，在其8.2章节介绍了电气间隙与爬电距离的计算方法。

进一步地，如下图，里面关于安规距离的要求还是要参考标准GB/T 16935.1-2008，此标准的母标准为IEC 60664-1，它在今年有新的版本发布，即《GB/T 16935.1-2023 低压供电系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验》。

针对这两种安规距离，电气间隙依据额定冲击耐受电压来定义，爬电距离依据额定绝缘电压来定义；这里面有一些术语定义比较拗口、容易混淆，有必要先梳理下概念。

先介绍下什么是过电压？如下图（来自于GB/T 7251.1-2023），暂时过电压时间大概为秒级，而瞬态过电压时间为毫秒级，其中暂时过电压定义为工频电压。

而在GB/T 16935.1-2008中同样定义了过电压的概念（如下图），逻辑与上面基本一致。

接着是耐受电压的定义，如下图（来自于GB/T 16935.1-2008），它是指在不引起击穿、闪络下的一种过电压；里面与我们相关的主要包括冲击耐受电压与暂时耐受过电压，其中暂时耐受过电压是指一种暂时过电压，那么也是工频电压，而冲击耐受电压我理解是一种瞬时过电压。

而在GB/T 7251.1-2023中只定义了两个耐受电压，从定义看这个工频耐受电压与上面的暂时耐受过电压应该是同一个概念。

最后再看下标准中额定电压的定义，如下图（来自于GB/T16935.1-2008），我理解“额定”两个字是用来指设备供应商可以承诺的一个能力，其中分为长期耐受能力（不同于瞬时、暂时）、短时耐受能力与瞬时耐受能力；额定绝缘电压用来表征其长期的耐受能力，而额定冲击电压表征其瞬时耐受能力，额定暂时过电压用来表征其短时耐受能力。

而在GB/T 7251.1-2023中的定义其逻辑与上面基本一致。

所以，再来看这句话“电气间隙依据额定冲击耐受电压来定义，爬电距离依据额定绝缘电压来定义” ，我们找到对应的这两个值就可以进行计算了。

先罗列下储能电池系统的一般工作条件：系统最高直流工作电压为1500V，海拔高度定为5000m，非均匀电场，单板污染等级为2，PCB的CTI待定。

电气间隙的计算

首先确定额定冲击耐受电压，这里参考IEC 60664-1 2020（因为最新版本的GB/T 16935.1找不到），这里有一个争议点，标准中详细定义了直接由电网供电的设备要求，但没有定义非直接由电网供电的设备该怎么制定，储能系统BMS按理讲应该为后者；本文当成前者去展开计算，一般选取过电压类别为Ⅱ（这个选择也有争议），对应1500V工作电压，那么得到额定冲击耐受电压为8000V，这个对应的是基本绝缘，如果是加强绝缘的话，需要比基本绝缘对应的额定冲击耐受电压高一个等级，即12000V；另外功能绝缘的冲击耐受电压按照1500V。

然后进行查表，如下图，可以得到海拔2000m处的电气间隙了；2000m以上要考虑乘以一个海拔修正系数。

最终得到如下一个汇总表：

爬电距离的计算

使用额定绝缘电压来制定爬电距离（因为瞬时过电压通常不会影响电痕化现象）；按照非直接由电网供电设备，额定绝缘电压选取设备可能出现的最高有效值电压，这里选取1500V，然后去查下表，采用插值法得到功能绝缘与基本绝缘对应的爬电距离，加强绝缘的爬电距离为基本绝缘的两倍。

具体查表时，你会发现PCB对应的电压只到1000V，1500V要按照其他材料去查表，所以这里对PCB的CTI就有要求了，计算得到爬电距离如下表：如果选取PCB的CTI大的话，可以减小爬电距离，对于器件选型是有好处的，但是PCB板材成本会上升。

因为要求爬电距离不能小于电气间隙，得到汇总的安规距离如下：

总结：

上面安规距离计算过程中某些值的制定需要大家自己去考量，我相信一定会有所不同，但是整个计算方法是可以拿去借鉴的；储能系统还有海外认证上面的安规要求，我现在了解的不太全面，等后面逐步了解后再总结；这两天出差，写得有点慢，酒店码字效率太低了；以上所有，真的仅供参考。