试述低压成套开关设备的绝缘配合原理与验证

    摘要：绝缘配合问题是一个关系到电气设备产品安全性的重要问题，历来受到来自各方面的重视。绝缘配合最早应用在高压电器产品中。我国的电器产品中，由于绝缘系统而引发的事故占50％－60％，又由于在低压成套开关设备和控制设备中正式引用绝缘配合这个概念，只是近两年的事情。所以，正确处理、解决好产品中绝缘配合问题，是一个比较重要的问题，应该给予足够的重视。

    关键词：低压开关设备  绝缘配合  绝缘材料

    0 引言

    低压成套开关设备在低压供电系统中负责电能的控制、保护、测量、转换和分配。由于低压成套开关设备深入到生产现场、公共场所、居民住宅等地点，可以说凡是使用电气设备的地方都应配备低压设备，我国电能的80%左右都是通过低压成套开关设备供出，低压成套开关设备的发展源于材料工业、低压电器、加工工艺和设备、基础设施建设和人民的生活水平，所以低压成套开关设备的水平从一个侧面反映了一个国家的经济实力与科学技术、生活水平。

    1 绝缘配合的基本原理
    绝缘配合意指根据设备的使用条件及周围环境来选择设备的电气绝缘特性，只有在设备的设计基于其期望寿命中所承受的作用强度时，才能实现绝缘配合。绝缘配合的问题不仅来自设备外部而且还来自设备本身，是一个涉及各方面因素，须加以综合考虑的问题，其要点分为三部分：一是设备的使用条件；二是设备的使用环境，三是绝缘材料的选用。

    1.1 设备的使用条件 设备的使用条件主要指设备使用的电压、电场、频率。

    1.1.1 绝缘配合与电压的关系。在考虑绝缘配合与电压的关系中，要考虑在系统中可能出现的电压、设备产生的电压，要求的持续电压运行等级，以及人身安全、事故的危险性。

    ①电压与过电压的分类，波形。
    a持续工频电压，有着恒定r、m、s的电压；
    b暂时过电压，较长持续时间的工频过电压；
    c瞬态过电压，几毫秒或更短的持续时间的过电压，通常是高阻尼的振荡或非振荡的。
    ——缓波前过电压：一种瞬态过电压，通常是单方向的，到达峰值的时间为20μsTp5000μs之间，波尾持续时间T2≤20ms。
    ——快波前过电压：一种瞬态过电压，通常是单方向的，到达峰值时间为0.1μsT120μs，波尾持续时间T2≤300μs。
    ——陡波前过电压：一种瞬态过电压，通常是单方向的，到达峰值的时间为Tf≤0.1μs，总持续时间3ms，并带有叠加振荡，振荡频率地30kHzf100MHz之间。
    d联合(暂时、缓前波、快波前、陡波前)过电压。
    根据上述的过电压类型，可描述出标准的电压波形。

    ②长期的交流或直流电压与绝缘配合的关系，要考虑额定电压、额定绝缘电压、实际工作电压。在系统正常、长期运行过程中，主要要考虑额定的绝缘电压和实际工作电压，而这一点除了要满足标准的要求外，更要注意考虑我国电网的实际情况。在目前我国电网质量尚不高的情况下，设计产品时，对绝缘配合而言，实际可能出现的工作电压更重要。

    ③瞬态过电压与绝缘配合的关系，这与电气系统内被控过电压的条件有关。在系统和设备中，存在多种形式的过电压，要全面考虑各种过电压的影响，在低压电力系统中，过电压可能会受到各种多变因素的影响，所以，系统中的过电压的是通过统计的方法来评定，反映了一种发生概率的概念，并可通过概率统计的方法来决定是否需要保护控制。

    1.1.2 设备的过电压类别 根据设备的使用条件，要求的长期持续电压运行等级，将直接由低压电网供电设备的过电压类别分为Ⅳ级。过电压类别Ⅳ级的设备是使用在配电装置电源端的设备，如电表和前级电流保护设备。过电压类别Ⅲ级的设备是安装在配电装置中的任务，以及设备的使用安全性和适用性必须符合特殊要求者，如配电装置中的开关电器。过电压类别Ⅱ级的设备是由配电装置供电的耗能设备，如家用和类似用途的负载。过电压类别Ⅰ级的设备是连接在将瞬态过电压限制在相当低水平的设备，如具有过压保护的电子电路上。对于不直接由低压电网供电的设备，必须考虑到系统设备可能出现的最高电压及各种情况的严重组合。

    电场情况分为均匀电场与非均匀电场，在低压成套开关设备中，一般认为是处在非均匀电场情况下，关于频率问题，目前尚在考虑中，一般认为低频对绝缘配合影响不大，但高频还是有影响的，尤其是对绝缘材料。

1.2 绝缘配合与环境条件的关系 设备所处的宏观环境影响着绝缘配合，从目前实际应用与标准的要求来看，气压的变化只考虑到海拔高度引起的气压的变化，日常的气压变化已经忽略，温度与湿度的因素也已忽略，但如果有更精确的要求时，这些因素也还是应予以考虑。从微观环境上讲，宏观环境决定了微观环境，但微观环境有可能会好于或坏于宏观环境设备，外壳不同的防护等级、加热、通风、灰尘都有可能影响微观环境，微观环境在相关标准有明确规定，这就为产品的设计提供了依据。

    1.3 绝缘配合与绝缘材料 绝缘材料的问题相当复杂，它不同于气体，是一种一旦遭到破坏便不可恢复的绝缘介质，即使偶然发生的过电压事件也有可能造成永久损坏，绝缘材料在长期的使用中，会遇到各种各样情况，如放电事故等，而绝缘材料本身由于长期积累的各种因素，如热应力、温度，机械冲击等应力，又会加速它的老化过程。对于绝缘材料来讲，由于品种的多样性，其衡量绝缘材料的特性指标虽多，但不统一。这就为绝缘材料的选择和使用带来一定难度，这也就是目前从国际上对绝缘材料的其它特性，如热应力、机械特性、局部放电等指标暂不予以考虑的原因。

    2 绝缘配合的验证
    目前验证绝缘配合的优选方法是使用冲击介电试验来进行，对于不同设备可选定不同额定冲击电压值。

    2.1 用额定冲击电压试验验证设备的绝缘配合 额定冲击电压的为1.2/50μs的波形。
    用此波形来模拟瞬态过电压、大气过电压，同时也包括低压设备的接通分断所产生的过电压，冲击试验电源脉冲波形发生器其输出阻抗一般应大于500Ω，额定冲击电压值的确定，应根据设备的使用场合，过电压类别和设备的长期使用电压来决定，并应根据相应的海拔高度进行修正。目前低压成套开关设备对某些试验条件。如湿度、温度没有作出明确的规定，但也应该在成套开关设备标准适用范围内，如设备的使用环境超出了成套开关设备的适用范围，则必须予以考虑修正。气压与温度的修正关系如下式：
    K=P/101.3×293(ΔT＋293)
    K——气压与温度的修正参数
    ΔT——实际(试验室)温度与T=20℃的温差K
    P——实际气压kPa

    2.2 替代冲击电压的介电试验 对于低压成套开关设备可以用交流或直流试验来替代冲击电压试验，但是这类试验方法比冲击电压试验要严酷，应征得制造厂的同意。

    交流试验，在交流情况下，持续时间为3个周波。
    直流试验，每相(正、负极)各施加电压三次，每次持续时间为10ms。
    就目前我国的实际情况而言，在高、低压电器产品中，设备的绝缘配合仍是一个较大的问题，又由于在低压成套开关设备和控制设备中正式引用绝缘配合这个概念，只是近两年的事情。所以，正确处理、解决好产品中绝缘配合问题，是一个比较重要的问题。

参考文献：

[1]IEC439-1低压成套开关设备和控制设备第一部分:型式试验和部分型式试验成套设备[S].
IEC890用外推法检查低压成套开关设备和控制设备通过部分型式试验成套设备的温升[S].