試述低壓成套開關設備的絕緣配合原理與驗證
發布時間：2022-06-03 17:04:07 來源：浙江星河自動化設備有限公司
摘要：絕緣配合問題是一個關系到電氣設備產品安全性的重要問題，歷來受到來自各方面的重視。絕緣配合最早應用在高壓電器產品中。我國的電器產品中，由于絕緣系統而引發的事故占50%-60%，又由于在低壓成套開關設備和控制設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、解決好產品中絕緣配合問題，是一個比較重要的問題，應該給予足夠的重視。
關鍵詞：低壓開關設備 絕緣配合 絕緣材料
0 引言
低壓成套開關設備在低壓供電系統中負責電能的控制、保護、測量、轉換和分配。由于低壓成套開關設備深入到生產現場、公共場所、居民住宅等地點，可以說凡是使用電氣設備的地方都應配備低壓設備，我國電能的80%左右都是通過低壓成套開關設備供出，低壓成套開關設備的發展源于材料工業、低壓電器、加工工藝和設備、基礎設施建設和人民的生活水平，所以低壓成套開關設備的水平從一個側面反映了一個國家的經濟實力與科學技術、生活水平。
1 絕緣配合的基本原理
絕緣配合意指根據設備的使用條件及周圍環境來選擇設備的電氣絕緣特性，只有在設備的設計基于其期望壽命中所承受的作用強度時，才能實現絕緣配合。絕緣配合的問題不僅來自設備外部而且還來自設備本身，是一個涉及各方面因素，須加以綜合考慮的問題，其要點分為三部分：一是設備的使用條件;二是設備的使用環境，三是絕緣材料的選用。
1.1 設備的使用條件 設備的使用條件主要指設備使用的電壓、電場、頻率。
1.1.1 絕緣配合與電壓的關系。在考慮絕緣配合與電壓的關系中，要考慮在系統中可能出現的電壓、設備產生的電壓，要求的持續電壓運行等級，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持續工頻電壓，有著恒定r、m、s的電壓;
b暫時過電壓，較長持續時間的工頻過電壓;
c瞬態過電壓，幾毫秒或更短的持續時間的過電壓，通常是高阻尼的振蕩或非振蕩的。
——緩波前過電壓：一種瞬態過電壓，通常是單方向的，到達峰值的時間為20μsTp5000μs之間，波尾持續時間T2≤20ms。
——快波前過電壓：一種瞬態過電壓，通常是單方向的，到達峰值時間為0.1μsT120μs，波尾持續時間T2≤300μs。
——陡波前過電壓：一種瞬態過電壓，通常是單方向的，到達峰值的時間為Tf≤0.1μs，總持續時間3ms，并帶有疊加振蕩，振蕩頻率地30kHzf100MHz之間。
d聯合(暫時、緩前波、快波前、陡波前)過電壓。
根據上述的過電壓類型，可描述出標準的電壓波形。
②長期的交流或直流電壓與絕緣配合的關系，要考慮額定電壓、額定絕緣電壓、實際工作電壓。在系統正常、長期運行過程中，主要要考慮額定的絕緣電壓和實際工作電壓，而這一點除了要滿足標準的要求外，更要注意考慮我國電網的實際情況。在目前我國電網質量尚不高的情況下，設計產品時，對絕緣配合而言，實際可能出現的工作電壓更重要。
③瞬態過電壓與絕緣配合的關系，這與電氣系統內被控過電壓的條件有關。在系統和設備中，存在多種形式的過電壓，要全面考慮各種過電壓的影響，在低壓電力系統中，過電壓可能會受到各種多變因素的影響，所以，系統中的過電壓的是通過統計的方法來評定，反映了一種發生概率的概念，并可通過概率統計的方法來決定是否需要保護控制。
1.1.2 設備的過電壓類別 根據設備的使用條件，要求的長期持續電壓運行等級，將直接由低壓電網供電設備的過電壓類別分為Ⅳ級。過電壓類別Ⅳ級的設備是使用在配電裝置電源端的設備，如電表和前級電流保護設備。過電壓類別Ⅲ級的設備是安裝在配電裝置中的任務，以及設備的使用安全性和適用性必須符合特殊要求者，如配電裝置中的開關電器。過電壓類別Ⅱ級的設備是由配電裝置供電的耗能設備，如家用和類似用途的負載。過電壓類別Ⅰ級的設備是連接在將瞬態過電壓限制在相當低水平的設備，如具有過壓保護的電子電路上。對于不直接由低壓電網供電的設備，必須考慮到系統設備可能出現的最高電壓及各種情況的嚴重組合。
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電場情況分為均勻電場與非均勻電場，在低壓成套開關設備中，一般認為是處在非均勻電場情況下，關于頻率問題，目前尚在考慮中，一般認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 絕緣配合與環境條件的關系 設備所處的宏觀環境影響著絕緣配合，從目前實際應用與標準的要求來看，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，這些因素也還是應予以考慮。從微觀環境上講，宏觀環境決定了微觀環境，但微觀環境有可能會好于或壞于宏觀環境設備，外殼不同的防護等級、加熱、通風、灰塵都有可能影響微觀環境，微觀環境在相關標準有明確規定，這就為產品的設計提供了依據。
1.3 絕緣配合與絕緣材料 絕緣材料的問題相當復雜，它不同于氣體，是一種一旦遭到破壞便不可恢復的絕緣介質，即使偶然發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，如熱應力、溫度，機械沖擊等應力，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雖多，但不統一。這就為絕緣材料的選擇和使用帶來一定難度，這也就是目前從國際上對絕緣材料的其它特性，如熱應力、機械特性、局部放電等指標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選方法是使用沖擊介電試驗來進行，對于不同設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過電壓、大氣過電壓，同時也包括低壓設備的接通分斷所產生的過電壓，沖擊試驗電源脈沖波形發生器其輸出阻抗一般應大于500Ω，額定沖擊電壓值的確定，應根據設備的使用場合，過電壓類別和設備的長期使用電壓來決定，并應根據相應的海拔高度進行修正。目前低壓成套開關設備對某些試驗條件。如濕度、溫度沒有作出明確的規定，但也應該在成套開關設備標準適用范圍內，如設備的使用環境超出了成套開關設備的適用范圍，則必須予以考慮修正。氣壓與溫度的修正關系如下式：
K=P/101.3×293(ΔT+293)
K——氣壓與溫度的修正參數
ΔT——實際(試驗室)溫度與T=20℃的溫差K
P——實際氣壓kPa
2.2 替代沖擊電壓的介電試驗 對于低壓成套開關設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酷，應征得制造廠的同意。
交流試驗，在交流情況下，持續時間為3個周波。
直流試驗，每相(正、負極)各施加電壓三次，每次持續時間為10ms。
就目前我國的實際情況而言，在高、低壓電器產品中，設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設備和控制設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、解決好產品中絕緣配合問題，是一個比較重要的問題。
參考文獻：
[1]IEC439-1低壓成套開關設備和控制設備第一部分:型式試驗和部分型式試驗成套設備[S].
IEC890用外推法檢查低壓成套開關設備和控制設備通過部分型式試驗成套設備的溫升[S].