低压电气系统绝缘配合优化方案

4.14.4.1 低压电气（也称低压系统）绝缘基本特性

1.气体放电

（1）气体间隙击穿机理 气体中如果分子保持中性、不电离，则不会导电，更不会击穿。当气隙上施加足够高的电压，气体中电场强度相当高，而且由于宇宙射线等作用产生很少量的带电粒子时，带电粒子在电场中运动、积累能量，去冲撞分子，发生碰撞游离，形成自由离子和电子。新生的电子又在电场中运动、积累能量、冲撞分子、发生更多的碰撞游离。这样的过程不断发生，碰撞游离在高场强下会急剧累积而形成电子雪崩式的增长，如图4-203所示。在大气压和足够高的电场中，会产生多个电子崩，各电子崩会汇合、跳跃式前进而形成游离程度更大的流注，如图4-204所示。流注的汇合形成可以自动向前发展的高游离区，最后游离区贯通整个气隙时就是击穿。击穿时气体完全丧失绝缘性能，不能承受所作用的电压，对电路形成短路。当电源有一定的容量时，游离通道中通过大电流，发生热游离，形成电弧。气隙击穿前的最高电压称为击穿电压。

图4-203 电子崩形成过程示意图

图4-204 流注形成过程示意图

气隙击穿电压与气体种类，气体的气压、温度，电极的形状及随之而来的电场分布有关。低压电器中通常都是空气，低海拔的标准气压，常规温度。在较小的电极间距离（数毫米，数厘米）的均匀电场的击穿电场强度为30kV/cm（DC或AC峰值）。电极曲率半径较间隙距离小得多的不均匀电场中的击穿电压可以典型电极布置代表，如图4-205所示。负尖对板电极的击穿电压高于正尖对板电极的击穿电压，尖对尖电极的击穿电压居中。多数低压电器处于低海拔的标准气压，常规温度之下。海拔高时气压降低，击穿电压随之降低。工程上常用海拔修正系数修正。

均匀电场气隙击穿前无局部放电或电晕；稍不均匀电场间隙击穿电压较低；极不均匀电场间隙击穿电压低，击穿前有局部放电或电晕。还有作用电压类型的影响：均匀电场中冲击电压和长时电压（工频、直流）下击穿电压是一样的，不均匀电场中冲击击穿电压较长时电压下击穿电压为高，提高的程度与冲击电压波形的波前时间或上升陡度有关。工程中常用伏秒特性（击穿电压与冲击电压波形的波前或上升陡度的关系曲线）或冲击系数（冲击击穿电压与长时电压下击穿电压之比）表达冲击电压气隙的击穿特性。

图4-205 小距离典型电极布置气隙的击穿电压

（2）气体间隙中局部放电和电晕机理 如果气隙中的电场很不均匀，在某个较尖锐的电极旁的电场较其他部分高的很多时，则可能在该电极旁形成能自持的局部气体放电或电晕，还不会击穿整个气隙。这时气隙虽未失去绝缘性能，但局部放电或电晕的长期存在对附近的绝缘和金属材料是不利的，还可能产生电磁干扰。

2.沿面闪络

（1）气体中沿固体介质表面放电（闪络）机理 当电极放置在固体绝缘材料表面时，在电极间形成了在空气中的击穿和沿固体表面放电的两个并行通道。沿面放电的通道易于受到各种外部因素的影响对绝缘更为不利。一般情况下，沿面放电电压都比同样距离的纯气隙的击穿电压低。此外沿面放电还易于对固体表面材料造成损害。之所以如此，一是表面容易受到污染，积污，沉降/凝结水、汽露，产生了显著的沿面漏电电流，这些污层又是不均匀的，改变了表面的电位分布，降低了绝缘强度。还有在泄漏电流的发热效应作用下，局部烘干，干处绝缘电阻大，电场强，首先发生局部沿面放电，在局部沿面放电的两端进一步干燥，使局部放电区域不断延伸，直至连接两电极的沿面闪络。更甚之，放电区的温度极高，可能形成腐蚀（电腐蚀），或形成电痕。这些进一步恶化了表面材料的性状，加快了其绝缘性能的丧失。污秽表面沿面放电发展过程示意如图4-206所示。

（2）影响因素 除极间沿面距离外还有，电极和极间材料决定的静电场的分布，污秽和沉降、凝露，材料的表面耐电性状。

这涉及固体绝缘材料表面耐受污秽和泄漏电流的性状。电气工程中常以比较性电痕化指数CTI来分类。CTI按GB/T 4207—2003使用溶液A来测得。材料表面性状好坏大体与CTI排列一致，特别是耐电痕性能。当然也有一些材料是无电痕的，如陶瓷、玻璃、云母等。绝缘材料组别Ⅰ600≤CTI；绝缘材料组别Ⅱ400≤CTI＜600；绝缘材料组别Ⅲa175≤CTI＜400；绝缘材料别组Ⅲb100≤CTI＜175。

图4-206 污秽表面沿面放电发展过程示意图

3.介质内部局部放电

（1）机理 由于固体绝缘材料的工艺原因或绝缘的结构原因，会造成内部微小空洞或分层间的间隙，这些洞、隙充满了空气。空气的介电系数低于固体材料，串联的固体和气隙布置中气隙的电场强度数倍于固体材料中的电场强度，于是在升压过程中固体材料远未击穿之前，这些气隙中就开始放电。这是一种固体内部的局部放电（简称局放），同时在外电路中产生脉冲电流和脉冲式的电荷流动。这个放电发生在密闭微小气隙中的局部放电与前述开放空气间隙的尖锐电极边缘的局部放电和电晕不同。在直流电压/电场作用下，介质内部局部放电产生的离子电荷在电场作用下被阻挡并聚积于空隙的两端，如图4-207所示。电荷的电场与外施电场方向相反，局放爆发以后以其自身产生的电荷抵消了外施电场，使局放停止。之后，如外施电压不上升，这些电荷会经由空隙侧壁中和，电场恢复，局放重新开始。或者，外施电压上升（如在交流电压），外施电场克服局放电荷电场，局放再次发生。故直流电压下的局放呈现间息性，间息时间与材料的性质有关。在交流电压下，当外施电压/电场相对于局放起始时提高电压，外施电场克服局放电荷电场；或外施电压改变极性，而空隙内部的局放电荷未及中和时（一般很慢），外施电场与局放电荷电场一致时，重又开始爆发局放，如图4-208所示。所以交变电压下，至少每改变一次极性就爆发一次局放；电压较高时，在一个半波中交变电压逐步升高，外施电场也是逐步加强，可以克服初始局放电荷电场而爆发下一次局放，甚至在一个半波中爆发多次局放。所以交流电压下的局放频发率较直流大的多，也严重得多。另一个现象是局放的滞迟效应：电压升高开始发生局放的电压——局放起始电压较电压降低过程中的局放熄灭电压显著地低。这也是由于空隙中局放电荷积累的原因，使局放的危害性加大。短时的局放没有严重的危害，但是长时间的局放将逐步侵蚀固体绝缘材料，使某些材料裂解，增大其介质损耗，久而久之，使其丧失绝缘功能。

图4-207 固体介质内部气隙局部放电产生的电荷与反电场

图4-208 交流电压下的局部放电过程

（2）影响因素 包括固体绝缘材料的致密性、化学稳定性、绝缘结构的工艺性、电压类型、频率等。

4.固体绝缘击穿

（1）固体绝缘击穿机理 固体介质的内部分子结构细密，介质特性（电导、介质损耗、介电系数等）和击穿机理复杂，尚难用简单的模型说明。从定性上讲，可以分为电击穿、热击穿、化学击穿等几种，如图4-209所示。电击穿是高强电场作用到材料晶格上，直接将束缚的离子扯裂下来，并产生急剧的电荷积聚，形成跨接电极的导电通道。电击穿多在冲击电压下发生，与电压高低、电场分布有很大关系。热击穿是由于电场下的介质损耗发热，介质发热随电场的提高而增大。当电压高到一定程度，介质发热与散热失去平衡，某个通道内的温度急剧升高而破坏绝缘。热击穿多发生在长期作用的交变电压下，与电压频率、介质损耗、散热条件有关，击穿时间较长。

图4-209 固体介质击穿与时间关系(www.xing528.com)

（2）化学击穿 起源于介质内因局放和其他不利因素使材料发生劣化，进而介质损耗增大、材料受到侵蚀，长时间后导致完全破坏。某些固体绝缘在冲击电压作用下破坏过程中呈现累积效应，即在较低冲击电压一次作用只有局部损坏，产生局部树枝状放电，如图4-210所示，却未完全破坏，需施加多次才会完全破坏，电压越低导致完全破坏的冲击次数越多。与气体绝缘和液体绝缘相比，固体绝缘材料是不可恢复的绝缘，其老化和破坏的过程不可逆，因此其绝缘的破坏后果严重。

图4-210 固体介质中树枝化放电

5.绝缘基本数据

IEC60664-1中有工频和非高频电压、常规绝缘介质材料、典型电场布置下的气隙击穿电压和沿面放电电压数据表和曲线，可作为工程应用。

4.14.4.2 低压系统绝缘配合

1.低压系统绝缘配合的原则

低压系统的绝缘配合内容包括低压电器内部的绝缘选择尺寸，电器作为整体与所在点的过电压（有或无限压措施）的配合，系统中各处电器的绝缘配合。本小节主要是前者，也涉及后者。至于中间部分则在过电压保护小节中说明。

低压电器的绝缘配合原则和目标是：在电器的整个预期寿命期间，在所连接的电气系统中和所处环境条件下，能够承受当地的各种电压/过电压（有或无限压措施）作用，而达到预期的安全性、连续性、适用性，综合考虑包括绝缘结构的设备制造费用、过电压保护投入和故障风险等方面合理兼顾的技术经济性。

2.低压系统绝缘水平

电气工程中的绝缘水平要求，是指在规定的电压类型和试验条件下，某绝缘部位或电器整体能承受的电压。该电压也称为额定绝缘耐受电压。电器的整体绝缘或某部位的绝缘，按此电压和相关要求，针对绝缘的类型（气隙，爬电距离，固体绝缘厚度或绝缘结构）和绝缘等级（基本绝缘、附加绝缘、功能绝缘等）进行绝缘选择。

（1）工频耐受电压 这种类型的电压反映了长期工频正弦交流工作电压和暂时过电压的作用。对于工频工作电压，对于在不同的额定电压系统中工作的电器，为了标准化和合理化，按相应的合理化电压选择（按IEC 60664-1标准）。此电压可以作为选定爬电距离的电压最小值，也可用来选定设备的额定绝缘电压。对于暂时过电压：短时暂态过电压为U_n+1200V，≤5s；长时暂态过电压为U_n+250V，＞5s。

（2）冲击耐受电压 这种类型的电压反映了大气（雷电）过电压和操作过电压的作用。对于连接到公共电网的低压电气设备，可按不同的系统标称电压从表4-38选择额定冲击绝缘耐受电压。冲击耐受电压的决定与过电压控制的方式有关：一是内在控制模式，即过电压数值由系统本身的特性决定，在系统和设备设计制造时达成；一是保护控制模式，这是需要外加一定的过电压限制措施以控制过电压数值。在表中的Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ类过电压类别属于内在控制，Ⅰ类属于保护控制。按IEC60664的说明：

1）过电压类别Ⅳ的设备是使用在配电装置电源端的设备。此类设备包含如测量仪和前级过电流保护设备。

2）过电压类别Ⅲ的设备是固定式配电装置中的设备，以及设备的可靠性和适用性必须符合特殊要求者。此类设备包含如安装在固定式配电装置中的开关电器和永久连接至固定式配电装置的工业用设备。

3）过电压类别Ⅱ的设备是由固定式配电装置供电的耗能设备。此类设备包含如器具、可移动式工具及其他家用和类似用途负载。如果此类设备的可靠性和适用性具有特殊要求时，则采用过电压类别Ⅲ。

4）过电压类别Ⅰ的设备是连接至具有限制瞬时过电压至相当低水平措施的设备。这些措施应确保能够充分限制所产生的暂时过电压，其峰值不能超过表4-38中的相关额定冲击绝缘耐受电压。此类设备包含能保护电子线路达到此水平的设备。除非电路设计时考虑了暂时过电压，否则过电压类别为I的设备不能直接连接于电网中。

表4-38 直接由低压电网供电的设备的额定冲击电压

①现有不同低压电网及其标称电压见IEC 60664-12007附录B。

②有这类额定冲击电压的设备可用于IEC 60364-4-44规定的装置中。

③三相四线配电系统用符号“/”表示，较低值为线对中性点电压，较高值为线对线电压，仅有一个值的表示三相三线系统，并规定为线对线值。

④过电压类别的解释见IEC 60664-120074.3.3.2.2。

⑤在日本，单相系统的标称电压是100V或100～200V。然而，相对于该电压的额定冲击电压由线对中性点电压150V的那一栏确定（见IEC 60664-12007附录B）。

这些过电压类别的划分看似与其安装位置有关，但是并不是认为各类设备位置上过电压之不同是由于入侵过电压的物理衰减，而主要是考虑各位置上过电压超过规定值之故障概率和适用性应该不同，而要求故障概率之不同是因为各处设备的重要性不同。所以Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ类的位置上的设备重要性依次递减，而I类设备的耐受电压较小是考虑其本身特性的脆弱，例如敏感电子设备。由于瞬态过电压、特别是大气（雷电）过电压发生的概率性，确定额定冲击耐受电压数值最好采用概率方法，但是概率法很复杂，又缺乏充分的数据，工程上往往采用半概率方法处理，最后给出合理的数值。

对于不连接到公共电网的电器，IEC标准建议由有关技术委员会在产品的技术要求中规定。规定时考虑电源与公共电网的隔离方式（变压器等），引线的类别、布置和屏蔽、各种线路间的隔开，接地的布置。数值可按下列优选值系列选取。

绝缘配合采用的额定冲击电压优选值如下：330V、500V、800V、1500V、2500V、4000V、6000V、8000V、12000V。

（3）再现尖峰电压耐受电压 这种类型的电压反映了长期的再现尖峰电压的作用。绝缘要求能耐受其实际的最大尖峰峰值电压。尤其是考虑可能产生局放的场合，不仅要求局放起始电压高于该尖峰值，而且局放熄灭电压也高于该尖峰值。