試述低壓成套開關(guān)設(shè)備的絕緣配合原理與驗證
來源:北陸電氣有限公司 發(fā)布時間:2021-01-26 17:01:28
摘要：絕緣配合問題是一個關(guān)系到電氣設(shè)備產(chǎn)品安全性的重要問題，歷來受到來自各方面的重視。絕緣配合早應(yīng)用在高壓電器產(chǎn)品中。我國的電器產(chǎn)品中，由于絕緣系統(tǒng)而引發(fā)的事故占50%-60%，又由于在低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中正式引用絕緣配合這個概念，只是近兩年的事情。所以，正確處理、解決好產(chǎn)品中絕緣配合問題，是一個比較重要的問題，應(yīng)該給予足夠的重視。
關(guān)鍵詞：低壓開關(guān)設(shè)備 絕緣配合 絕緣材料
0 引言
低壓成套開關(guān)設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)電能的控制、保護(hù)、測量、轉(zhuǎn)換和分配。由于低壓成套開關(guān)設(shè)備深入到生產(chǎn)現(xiàn)場、公共場所、居民住宅等地點(diǎn)，可以說凡是使用電氣設(shè)備的地方都應(yīng)配備低壓設(shè)備，我國電能的80%左右都是通過低壓成套開關(guān)設(shè)備供出，低壓成套開關(guān)設(shè)備的發(fā)展源于材料工業(yè)、低壓電器、加工工藝和設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和人民的生活水平，所以低壓成套開關(guān)設(shè)備的水平從一個側(cè)面反映了一個國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力與科學(xué)技術(shù)、生活水平。
1 絕緣配合的基本原理
絕緣配合意指根據(jù)設(shè)備的使用條件及周圍環(huán)境來選擇設(shè)備的電氣絕緣特性，只有在設(shè)備的設(shè)計基于其期望壽命中所承受的作用強(qiáng)度時，才能實(shí)現(xiàn)絕緣配合。絕緣配合的問題不僅來自設(shè)備外部而且還來自設(shè)備本身，是一個涉及各方面因素，須加以綜合考慮的問題，其要點(diǎn)分為三部分：一是設(shè)備的使用條件;二是設(shè)備的使用環(huán)境，三是絕緣材料的選用。
1.1 設(shè)備的使用條件 設(shè)備的使用條件主要指設(shè)備使用的電壓、電場、頻率。
1.1.1 絕緣配合與電壓的關(guān)系。在考慮絕緣配合與電壓的關(guān)系中，要考慮在系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的電壓、設(shè)備產(chǎn)生的電壓，要求的持續(xù)電壓運(yùn)行等級，以及人身安全、事故的危險性。
①電壓與過電壓的分類，波形。
a持續(xù)工頻電壓，有著恒定r、m、s的電壓;
b暫時過電壓，較長持續(xù)時間的工頻過電壓;
c瞬態(tài)過電壓，幾毫秒或更短的持續(xù)時間的過電壓，通常是高阻尼的振蕩或非振蕩的。
——緩波前過電壓：一種瞬態(tài)過電壓，通常是單方向的，到達(dá)峰值的時間為20μsTp5000μs之間，波尾持續(xù)時間T2≤20ms。
——快波前過電壓：一種瞬態(tài)過電壓，通常是單方向的，到達(dá)峰值時間為0.1μsT120μs，波尾持續(xù)時間T2≤300μs。
——陡波前過電壓：一種瞬態(tài)過電壓，通常是單方向的，到達(dá)峰值的時間為Tf≤0.1μs，總持續(xù)時間3ms，并帶有疊加振蕩，振蕩頻率地30kHzf100MHz之間。
d聯(lián)合(暫時、緩前波、快波前、陡波前)過電壓。
根據(jù)上述的過電壓類型，可描述出標(biāo)準(zhǔn)的電壓波形。
②長期的交流或直流電壓與絕緣配合的關(guān)系，要考慮額定電壓、額定絕緣電壓、實(shí)際工作電壓。在系統(tǒng)正常、長期運(yùn)行過程中，主要要考慮額定的絕緣電壓和實(shí)際工作電壓，而這一點(diǎn)除了要滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求外，更要注意考慮我國電網(wǎng)的實(shí)際情況。在目前我國電網(wǎng)質(zhì)量尚不高的情況下，設(shè)計產(chǎn)品時，對絕緣配合而言，實(shí)際可能出現(xiàn)的工作電壓更重要。
③瞬態(tài)過電壓與絕緣配合的關(guān)系，這與電氣系統(tǒng)內(nèi)被控過電壓的條件有關(guān)。在系統(tǒng)和設(shè)備中，存在多種形式的過電壓，要考慮各種過電壓的影響，在低壓電力系統(tǒng)中，過電壓可能會受到各種多變因素的影響，所以，系統(tǒng)中的過電壓的是通過統(tǒng)計的方法來評定，反映了一種發(fā)生概率的概念，并可通過概率統(tǒng)計的方法來決定是否需要保護(hù)控制。
1.1.2 設(shè)備的過電壓類別 根據(jù)設(shè)備的使用條件，要求的長期持續(xù)電壓運(yùn)行等級，將直接由低壓電網(wǎng)供電設(shè)備的過電壓類別分為Ⅳ級。過電壓類別Ⅳ級的設(shè)備是使用在配電裝置電源端的設(shè)備，如電表和前級電流保護(hù)設(shè)備。過電壓類別Ⅲ級的設(shè)備是安裝在配電裝置中的任務(wù)，以及設(shè)備的使用安全性和適用性必須符合要求者，如配電裝置中的開關(guān)電器。過電壓類別Ⅱ級的設(shè)備是由配電裝置供電的耗能設(shè)備，如家用和類似用途的負(fù)載。過電壓類別Ⅰ級的設(shè)備是連接在將瞬態(tài)過電壓限制在相當(dāng)?shù)退降脑O(shè)備，如具有過壓保護(hù)的電子電路上。對于不直接由低壓電網(wǎng)供電的設(shè)備，必須考慮到系統(tǒng)設(shè)備可能出現(xiàn)的電壓及各種情況的嚴(yán)重組合。
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電場情況分為均勻電場與非均勻電場，在低壓成套開關(guān)設(shè)備中，一般認(rèn)為是處在非均勻電場情況下，關(guān)于頻率問題，目前尚在考慮中，一般認(rèn)為低頻對絕緣配合影響不大，但高頻還是有影響的，尤其是對絕緣材料。
1.2 絕緣配合與環(huán)境條件的關(guān)系 設(shè)備所處的宏觀環(huán)境影響著絕緣配合，從目前實(shí)際應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)的要求來看，氣壓的變化只考慮到海拔高度引起的氣壓的變化，日常的氣壓變化已經(jīng)忽略，溫度與濕度的因素也已忽略，但如果有更精確的要求時，這些因素也還是應(yīng)予以考慮。從微觀環(huán)境上講，宏觀環(huán)境決定了微觀環(huán)境，但微觀環(huán)境有可能會好于或壞于宏觀環(huán)境設(shè)備，外殼不同的防護(hù)等級、加熱、通風(fēng)、灰塵都有可能影響微觀環(huán)境，微觀環(huán)境在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定，這就為產(chǎn)品的設(shè)計提供了依據(jù)。
1.3 絕緣配合與絕緣材料 絕緣材料的問題相當(dāng)復(fù)雜，它不同于氣體，是一種一旦遭到破壞便不可恢復(fù)的絕緣介質(zhì)，即使偶然發(fā)生的過電壓事件也有可能造成永久損壞，絕緣材料在長期的使用中，會遇到各種各樣情況，如放電事故等，而絕緣材料本身由于長期積累的各種因素，如熱應(yīng)力、溫度，機(jī)械沖擊等應(yīng)力，又會加速它的老化過程。對于絕緣材料來講，由于品種的多樣性，其衡量絕緣材料的特性指標(biāo)雖多，但不統(tǒng)一。這就為絕緣材料的選擇和使用帶來一定難度，這也就是目前從上對絕緣材料的其它特性，如熱應(yīng)力、機(jī)械特性、局部放電等指標(biāo)暫不予以考慮的原因。
2 絕緣配合的驗證
目前驗證絕緣配合的優(yōu)選方法是使用沖擊介電試驗來進(jìn)行，對于不同設(shè)備可選定不同額定沖擊電壓值。
2.1 用額定沖擊電壓試驗驗證設(shè)備的絕緣配合 額定沖擊電壓的為1.2/50μs的波形。
用此波形來模擬瞬態(tài)過電壓、大氣過電壓，同時也包括低壓設(shè)備的接通分?jǐn)嗨a(chǎn)生的過電壓，沖擊試驗電源脈沖波形發(fā)生器其輸出阻抗一般應(yīng)大于500Ω，額定沖擊電壓值的確定，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用場合，過電壓類別和設(shè)備的長期使用電壓來決定，并應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的海拔高度進(jìn)行修正。目前低壓成套開關(guān)設(shè)備對某些試驗條件。如濕度、溫度沒有作出明確的規(guī)定，但也應(yīng)該在成套開關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)適用范圍內(nèi)，如設(shè)備的使用環(huán)境超出了成套開關(guān)設(shè)備的適用范圍，則必須予以考慮修正。氣壓與溫度的修正關(guān)系如下式：
K=P/101.3×293(ΔT+293)
K——?dú)鈮号c溫度的修正參數(shù)
ΔT——實(shí)際(試驗室)溫度與T=20℃的溫差K
P——實(shí)際氣壓kPa
2.2 替代沖擊電壓的介電試驗 對于低壓成套開關(guān)設(shè)備可以用交流或直流試驗來替代沖擊電壓試驗，但是這類試驗方法比沖擊電壓試驗要嚴(yán)酷，應(yīng)征得制造廠的同意。
交流試驗，在交流情況下，持續(xù)時間為3個周波。
直流試驗，每相(正、負(fù))各施加電壓三次，每次持續(xù)時間為10ms。
就目前我國的實(shí)際情況而言，在高、低壓電器產(chǎn)品中，設(shè)備的絕緣配合仍是一個較大的問題，又由于在低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中正式引用絕緣配合這個概念，只是近兩年的事情。所以，正確處理、解決好產(chǎn)品中絕緣配合問題，是一個比較重要的問題。
參考文獻(xiàn)：
[1]IEC439-1低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備部分:型式試驗和部分型式試驗成套設(shè)備[S].
IEC890用外推法檢查低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備通過部分型式試驗成套設(shè)備的溫升[S].