隨著低壓電器產(chǎn)品向小型化、高集成度、高可靠性等方向發(fā)展，產(chǎn)品的功能越來越多，自身結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜，產(chǎn)品的電氣安全問題越來越突出，這也是一直受消費者和產(chǎn)品開發(fā)者關(guān)注的焦點。電氣安全性是衡量低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，電氣間隙和爬電距離與之息息相關(guān)，對產(chǎn)品的電氣安全起著至關(guān)重要的作用，是研發(fā)人員在開發(fā)產(chǎn)品時，需要重點保證的技術(shù)參數(shù)。

目前，針對產(chǎn)品電氣間隙和爬電距離的研究很多。有學(xué)者研究和分析在產(chǎn)品安全檢驗中涉及電氣間隙和爬電距離的相關(guān)路徑的確定，以及測量方法的選擇。有學(xué)者研究如何測量同一平面內(nèi)和不同平面間的電氣間隙與爬電距離。有學(xué)者以蹺板開關(guān)為例，結(jié)合X光片透視和產(chǎn)品模型，對不同條件下的電氣間隙和爬電距離的測量進(jìn)行對比分析。有學(xué)者研究關(guān)于測量電氣間隙和爬電距離的不確定度的評定，以及影響不確定度的因素。有學(xué)者研究分析6種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于跨接尺寸的影響因素和等效性的規(guī)定。

上述文獻(xiàn)主要涉及檢測機構(gòu)如何測量產(chǎn)品的電氣間隙和爬電距離，而關(guān)于在研發(fā)設(shè)計中如何確保電氣間隙和爬電距離的研究甚少。

鑒于此，本文研究分析Creo CCX（clearance and creepage extension）工具計算電氣間隙和爬電距離的基本數(shù)學(xué)模型和相關(guān)設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合低壓電器產(chǎn)品限位開關(guān)，給出運用CCX工具進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計及優(yōu)化的具體案例，以期為改善產(chǎn)品的電氣安全性設(shè)計提供參考，為新一代低壓電器產(chǎn)品的研發(fā)及優(yōu)化提供思路。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)概述

1.1 標(biāo)準(zhǔn)介紹

有關(guān)低壓電器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，主要來自IEC和UL兩大標(biāo)準(zhǔn)體系。

IEC 60947是關(guān)于低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的系列標(biāo)準(zhǔn)，共有22個標(biāo)準(zhǔn)，由IEC/SC 121A國際技術(shù)委員會負(fù)責(zé)制定。IEC 60947—1作為此系列標(biāo)準(zhǔn)的總則，其中的表13和表15分別規(guī)定了對電氣間隙和爬電距離的具體要求。而IEC 60947—1關(guān)于電氣間隙和爬電距離的規(guī)定是在參考IEC 60664—1（GB/T 16935.1）標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加以制定的。

中國現(xiàn)頒布施行的關(guān)于低壓電器的GB 14048系列標(biāo)準(zhǔn)，是與IEC標(biāo)準(zhǔn)接軌的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，大部分是等同采用了IEC 60947標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)如GB 14048.1/4/5/7/8/11是修改采用了IEC 60947相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如接觸器、過載繼電器、電動機起動器和限位開關(guān)等低壓控制產(chǎn)品涉及的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 14048—1、GB/T 14048—4、GB/T 14048—5，分別與IEC 60947—1，IEC 60947—4—1，IEC 60947—5—1相對應(yīng)。

該系列標(biāo)準(zhǔn)目前由中國電器工業(yè)協(xié)會負(fù)責(zé)修訂，歸口于全國低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 189）。截至2020年，該系列標(biāo)準(zhǔn)全部由強制性改為推薦性，標(biāo)準(zhǔn)代號亦由GB變?yōu)镚B/T。

隨著低壓電器市場的全球化加劇和競爭的日益激烈，UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)相互滲透。為了協(xié)調(diào)UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，Underwriters Laboratories Inc.推出了一系列與IEC標(biāo)準(zhǔn)代號相同的標(biāo)準(zhǔn)，其中UL 60947系列標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。目前，這些UL標(biāo)準(zhǔn)中涉及低壓電器的標(biāo)準(zhǔn)有10種。

1.2 相關(guān)概念定義

表1列舉了與電氣間隙和爬電距離相關(guān)的基本概念的定義。

表1 基本概念的定義

1.3 影響電氣間隙和爬電距離的因素

良好的電氣安全設(shè)計，應(yīng)確保進(jìn)入設(shè)備的瞬態(tài)過電壓和設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的峰值電壓不會擊穿產(chǎn)品此處的電氣間隙；爬電距離應(yīng)確保在給定的工作電壓和污染等級下產(chǎn)品不會產(chǎn)生閃絡(luò)或擊穿。通常，標(biāo)準(zhǔn)要求的最短的爬電距離應(yīng)大于或等于最短的電氣間隙，但是兩者間并無物理聯(lián)系。例如玻璃、陶瓷等材料不會發(fā)生漏電起痕，其爬電距離就不必大于相應(yīng)的電氣間隙。

1）與電氣間隙相關(guān)的因素

影響電氣間隙的主要因素有電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓、過電壓類別、額定沖擊耐受電壓Uimp、污染等級、電場條件、海拔高度（其修正系數(shù)見表2）、絕緣類型（如功能絕緣、基本絕緣、附加絕緣、雙重或加強絕緣）等。由于低壓電器產(chǎn)品主要使用在低頻環(huán)境（如50Hz，60Hz，50/60Hz），故通常不需要考慮頻率的影響。確定電氣間隙的流程如圖1所示。

圖1 確定電氣間隙的基本流程

表2 海拔修正系數(shù)

2）與爬電距離相關(guān)的因素

影響爬電距離的主要因素有額定絕緣電壓Ui、材料組別（根據(jù)CTI值，絕緣材料可劃分為4大類，見表3）、污染等級、槽寬度值、絕緣類型（如功能絕緣、基本絕緣、附加絕緣、雙重或加強絕緣）等。關(guān)于頻率，通常亦不需考慮其對爬電距離的影響。確定爬電距離的流程如圖2所示。

圖2 確定爬電距離的基本流程

3）實際測量路徑對兩者的影響

除了上述因素外，在實際確定測量路徑的選擇上，以下3個因素會對最終的結(jié)果產(chǎn)生影響。

（1）槽寬度原則

關(guān)于槽寬度對爬電距離的影響，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同污染等級下的槽寬度的最小值Xmin，見表4。當(dāng)實際槽寬度小于Xmin，其爬電距離應(yīng)直接跨過槽寬度測量。當(dāng)實際槽寬度等于或大于Xmin，其爬電距離應(yīng)沿槽的輪廓進(jìn)行測量。另外，如果涉及的電氣間隙小于3mm，Xmin可減少至該電氣間隙的1/3。

表4 不同污染等級下的Xmin

（2）V形槽80°角原則

根據(jù)IECEE發(fā)布的CTL DSH—590號決議單上的80°角規(guī)則（溝槽橋接規(guī)則）：當(dāng)V形槽底部角度＜80°，且開口寬度大于Xmin時，爬電距離的路徑應(yīng)沿著槽的輪廓進(jìn)行繪制，但在槽底部應(yīng)采用尺寸為Xmin的連線跨接。不同情況下V形槽的爬電距離應(yīng)按圖3所示的路徑進(jìn)行計算。

圖3 V形槽爬電距離路徑示意圖

（3）筋原則

在產(chǎn)品設(shè)計中，通常采用凸筋結(jié)構(gòu)來增加其電氣間隙和爬電距離。IEC 60664—1和IEC 60947—1關(guān)于筋結(jié)構(gòu)和爬電距離的規(guī)定不盡相同。IEC 60947—1附錄G G.2規(guī)定：若筋的最小高度為2mm時，爬電距離可減少至規(guī)定值的0.8倍，對筋的最小寬度不做要求，滿足機械要求即可。

IEC 60664—1對筋的規(guī)定更加嚴(yán)格，表F.5規(guī)定了使用筋時減小的爬電距離值，但只適于在污染等級3，爬電距離大于或等于8mm的情況下，且需滿足單個筋的最小寬度值和最小高度值的要求（即分別要達(dá)到所需爬電距離的20%和25%）。

2 CCX工具介紹

2.1 概述

CCX作為PTC Creo軟件下的一個擴(kuò)展模塊，從最初Pro/E和Creo早期版本的SAX（spark analysis extension），發(fā)展到從Creo 4.0 M010開始推出全新的CCX，其功能變得越來越強大。表5匯總了CCX和SAX的主要區(qū)別。由于CCX新增擴(kuò)展的眾多功能，目前在CCX中不能查看用SAX計算的分析結(jié)果。

隨著產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性不斷提高，以及集成的電子元器件越來越多，傳統(tǒng)方法（例如靠人為經(jīng)驗測量3D模型或樣品等）在設(shè)計檢查產(chǎn)品的電氣安全性方面往往耗時且容易出錯，或無法提供精確的結(jié)果。而Creo CCX通過對相關(guān)參數(shù)設(shè)置，可自動進(jìn)行相關(guān)的電氣間隙和爬電距離的計算分析，以及判斷其是否符合設(shè)計要求。CCX計算分析流程如圖4所示。

表5 CCX和SAX的區(qū)別

圖4 CCX計算分析流程

由于CCX在計算速度、分析精度，以及計算結(jié)果的可視化顯示等方面有著明顯的優(yōu)勢，在協(xié)助研發(fā)人員產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化方案、降低成本等方面，可更快速地響應(yīng)市場需求。CCX計算結(jié)果的可視化路徑分析如圖5所示，其分析結(jié)果會以高亮紅色線條的方式顯示在模型上。

圖5 CCX計算結(jié)果的可視化路徑分析

2.2 數(shù)學(xué)模型

圖6為CCX模塊計算分析電氣間隙和爬電距離的數(shù)學(xué)模型示意圖。通過設(shè)置CCX模塊的相關(guān)參數(shù)，可自動計算識別滿足條件的多條路徑，并能以可視化及矩陣形式顯示計算結(jié)果。

圖6 CCX數(shù)學(xué)模型示意圖

筋/槽對計算結(jié)果的影響如圖7所示。在小于或等于Xmin的情況下，CCX計算時都會以尺寸為Xmin的連線處理成橋接，這比目前V形槽80°角原則的規(guī)定更為嚴(yán)格，但其數(shù)學(xué)邏輯也更清晰嚴(yán)密。

圖7 筋/槽對計算結(jié)果的影響

另外，標(biāo)準(zhǔn)中對筋原則的規(guī)定對CCX的計算結(jié)果無影響（目前CCX沒有考慮該方面的設(shè)定）。

3 研究案例分析

本文以低壓電器產(chǎn)品限位開關(guān)為例，研究運用CCX工具對產(chǎn)品設(shè)計中的電氣間隙和爬電距離進(jìn)行計算分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。限位開關(guān)主要由觸頭模塊、塑料外蓋/外殼/底座、橡膠件、金屬板、滾輪及接線端子等組成，其3D設(shè)計模型如圖8所示。表6列舉了此產(chǎn)品需要滿足的主要電氣參數(shù)指標(biāo)。

圖8 限位開關(guān)的3D設(shè)計模型

表6 限位開關(guān)電氣安全參數(shù)與指標(biāo)

3.1 電氣間隙和爬電距離的最小值

由表6查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60664—1—2020、IEC 60947—1—2020和IEC 60947—5—1—2016，得到需滿足的電氣間隙和爬電距離最小值見表7。

表7 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣間隙和爬電距離最

3.2 CCX計算分析

首先，啟動帶有CCX模塊的Creo軟件，打開經(jīng)簡化處理的3D設(shè)計模型。在“分析（Analysis）”選項卡下啟動Clearance and Creepage Analysis（即CCX模塊）。

1）設(shè)置零件屬性（Meta Data）

CCX中主要通過設(shè)置CTI值來定義零件屬性，共有3種類型：CTI=0（導(dǎo)電件）、CTI=1（非導(dǎo)電件）、CTI=◆1（CTI值尚未被定義的零件）。雖然實際絕緣材料的CTI值越大，絕緣性能越高，但CCX分析結(jié)果僅取決于電氣間隙和爬電距離，而不是CTI值。設(shè)置CTI為1或絕緣材料的實際CTI值對于CCX計算結(jié)果沒有影響，只是區(qū)別導(dǎo)體與否。本次計算分析涉及的絕緣件，其CTI均設(shè)置為1，便于參數(shù)檢查。另外，還需將模型中人手能觸及的塑料件外表面定義為導(dǎo)電。

此外，CCX中對零件類型的定義有5種：默認(rèn)（Default）、鉚釘（Rivet）、螺釘（Screw）、彈簧（Spring）和凸包（Convex Hull）。其中CCX在設(shè)置螺釘和彈簧類型后自動對幾何模型簡化處理，如圖9所示。模型中涉及的鉚釘、螺釘和彈簧除了設(shè)置CTI值為0外，還需定義其類型分別為Rivet、Screw和Spring，如圖10所示。

圖9CCX對設(shè)置螺釘和彈簧類型的簡化處理

2）定義電子網(wǎng)絡(luò)（Electric Nets）

CCX將具有相同電勢的導(dǎo)電零件的集合稱為電子網(wǎng)絡(luò)，可設(shè)定為3種類型，見表8。根據(jù)分析需要，將CCX自動識別的電子網(wǎng)絡(luò)（Nets）進(jìn)行手動合并，并將其設(shè)置為電勢（Potential），電壓設(shè)置為250V，如圖11所示。

圖10 零件的CTI值和類型設(shè)置

表8 電子網(wǎng)絡(luò)分類

圖11 電子網(wǎng)絡(luò)的定義

3）設(shè)置分析參數(shù)（Analysis）

在此選項卡中，按表7要求手動設(shè)定源（Source- Contact_block）和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)（Target net-Class2 surfaces）間的電氣間隙、爬電距離和槽寬度，違規(guī)公差（Violation Tolerance）設(shè)置為3mm，如圖12所示。

4）結(jié)果分析

圖12 電氣間隙、爬電距離和槽寬度設(shè)置

圖13 分析結(jié)果

圖14 爬電距離的失效路徑

3.3 優(yōu)化設(shè)計

圖15 優(yōu)化方案的計算結(jié)果

4 結(jié)論

爬電距離和電氣間隙的設(shè)計直接關(guān)系到產(chǎn)品的電氣安全可靠性，如何在這方面提高設(shè)計質(zhì)量是設(shè)計人員面臨的一項巨大挑戰(zhàn)。本文以低壓電器產(chǎn)品限位開關(guān)為例，研究了如何運用Creo CCX工具開展電氣間隙和爬電距離的計算分析，并以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化了設(shè)計方案。該方法可為改善低壓電器的電氣安全性設(shè)計提供參考。

本文編自2022年第9期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“CCX工具在低壓電器產(chǎn)品安全設(shè)計中的應(yīng)用”，作者為葛江波、胡良果。