3 绝缘影响因素

本节基于 IEC 62477-1:2022 讨论绝缘的影响因素。

IEC 62477-1:2022 适用于电力电子转换器系统 (PECS)、任何规定的附件及其用于电力电子转换和电力电子开关的元件，包括其控制、保护、监测和测量方法，主要目的是转换电能，额定系统电压不超过额定系统电压不超过 1,000VAC 或 1,500VDC。

在新能源领域，IEC 62477 适用于电力电子转换器系统中的太阳能、风能、潮汐能等发电应用。光伏、储能系统和充电桩等产品的具体标准在很大程度上引用了这一标准。

请注意，2022 年发布了 IEC 62477-1:2022，以取代之前的版本 IEC 62477-1:2012（及其修订版 IEC 62477-1:2016）。与绝缘及我们的 ISO 产品相关的最重要更新是脉冲耐受电压和暂态过电压与系统电压间的关系。对于 1,500VDC 系统电压，IEC 62477-1:2022 中的脉冲耐受电压比 IEC 62477-1:2012 中的要求高一级。IEC 62477-1:2022 与 IEC 60664-1:2020 的脉冲耐受电压要求保持一致。

根据 IEC 62477-1:2022，存在许多影响因素，该标准针对电气间隙和爬电距离的确定提供了复杂的指南。我们不会讨论所有因素，只关注与常见高压应用最相关的那些因素，包括：

• 系统电压与工作电压
• 过电压类别 (OVC)
• 脉冲耐受电压与暂态过电压
• 绝缘材料组别
• 污染等级
• 高度

1. 系统电压与工作电压

   系统电压是整个系统的额定电压，用于确定绝缘水平和电气间隙。无论工作条件如何，该值均固定不变。例如，ESS 具有 690VAC 和 1,500VDC 系统电压。

   工作电压是在正常和最恶劣工作条件下，局部电路两点之间出现的最大实际电压（直流平均值、交流 RMS 和重复峰值电压），用于确定爬电距离，并会随工作状态而变化。例如，直流母线电容器两端的电压、IGBT 两端的电压。

   通常系统电压与工作电压相同，但也存在例外。例如，太阳能逆变器的系统电压为 1,500V（MPPT 最大输入电压），但工作电压可高达 1,600V（经过升压电路之后，直流母线电容器两端的电压），如图 3-1 所示。

   图 3-1 关于系统电压与工作电压的太阳能逆变器示例
2. 过电压类别 (OVC)

   根据浪涌保护水平，将市电供电电气设备的工作环境划分为四个过电压类别 (OVC) 区域。图 3-2 展示了 OVC IV 到 OVC I 环境的图解表示。

   图 3-2 OVC IV 到 OVC I 环境的图解表示

   在住宅、商业和工厂环境中，器件从墙上插座获取电力，市电电源通常相对稳定，没有会损坏终端设备的过高电压瞬变。然而，沿配电线路向上游配电盘和建筑主交流进线端移动时，过电压浪涌的风险显著增加。此类危害主要源于外部干扰，包括雷击和公共电网的突然甩负载。

   某些应用（如太阳能逆变器和 ESS）直接硬连接到中央配电盘。这些转换器暴露于更高幅值和更大能量的瞬变之中，相比常规插电式电源适配器，需要增强的过压保护。

   表 3-1 列出了符合 IEC 60664-1:2020 的 OVC。通常在大多数客户应用中，交流侧要求 OVC III，直流侧要求 OVC II。

   请注意，在某些情况下，隔离设计难以满足相应 OVC 等级下要求的脉冲耐受电压，客户会通过某些方法降低脉冲耐受电压，例如通过浪涌保护器件 (SPD) 降低 OVC（将在第 4.4 节讨论）。

   表 3-1 IEC 60664-1:2020 规定的 OVC

   过电压类别	相关设备
   OVC I	连接到已采取措施将瞬态过压限制到适当低水平的电路的设备。
   OVC II	由固定装置供电的耗能设备。此类设备的例子包括家电、便携式工具及其他类似家用负载。
   OVC III	固定装置中的设备，以及设备的可靠性和可用性须满足特殊要求的场合。此类设备的例子包括固定装置中的开关，以及永久连接至固定装置的工业用设备。
   OVC IV	连接到装置电源进线端的设备。此类设备的示例包括电表和初级过流保护设备。

3. 确定脉冲耐受电压和暂态过电压

   图 3-3 展示了使用所考虑电路的系统电压和过电压类别来确定脉冲耐受电压的步骤。系统电压还用于确定市电电源的暂态过电压。

   如红线标注所示，在确定市电电源的脉冲耐受电压时，不允许对系统电压进行插值计算。在确定市电电源的暂态过电压时，允许对系统电压进行插值计算。例如，住宅用逆变器的实际系统电压通常为 1,100VDC，必须参照表格中的 1,250VDC 系统电压来确定脉冲耐受电压。不允许在 900VDC 和 1,250VDC 之间插值来得到插值后的脉冲耐受电压。

   图 3-3 确定脉冲耐受电压和暂态过电压的步骤

   图 3-4 展示了 ISO64xx 过电压类别示例。请注意，并非所有测试条件都已在数据表中列出。设计人员只需关注最大值，例如，在额定市电电压 ≤ 600VRMS 和 ≤ 1,000VRMS 的测试条件下，脉冲耐受电压为 8,000V。尽管数据表未列出市电电压 ≤ 1,500VDC 的测试条件，但其最大隔离工作电压为 1,500VDC，可与 OVC II 下的 8,000V 脉冲耐受电压保持一致。最终，脉冲耐受电压决定了绝缘水平和电气间隙。

   图 3-4 ISO64xx 过电压类别示例
4. 绝缘材料组别

   根据 IEC 60112:2020 第 11 条进行测试时，绝缘材料按其相对漏电起痕指数 (CTI) 分为四个组别：

   • 绝缘材料组 I：CTI ≥ 600；
   • 绝缘材料组 II：600 > CTI ≥ 400；
   • 绝缘材料组 IIIa：400 > CTI ≥ 175；
   • 绝缘材料组 IIIb：175 > CTI ≥ 100。

   CTI 是用于衡量绝缘材料漏电起痕击穿性能的指标。漏电起痕发生在绝缘材料表面。由于电介质损耗，电介质会发热和升温，从而使电介质分解和碳化。最终，碳化痕迹延伸至电极并导致短路。

   材料的 CTI 值与其绝缘性能正相关。CTI 值越高，所需的爬电距离就越小，从而使两个导体的间距可以更短。

   通常在大多数 HV 应用中，要求隔离器件或元件达到 CTI-I。不过，FR4 PCB (CTI IIIa) 最为常用。因此，隔离器件和 PCB 的爬电距离要求可能不同。

5. 污染等级

   根据浪涌保护水平，将市电供电电气设备的工作环境划分为四个过电压类别 (OVC) 区域。图 3-2 展示了 OVC IV 到 OVC I 环境的图解表示。

   电力电子转换器系统预期生命周期内出现的污染会对绝缘产生影响。应根据图 3-5 针对绝缘施加微环境条件。

   污染等级应根据产品规定的环境条件来确定。

   通常在大多数客户应用中，要求污染等级达到 2 级。污染等级越低（例如，环境越清洁，可能降低绝缘性能的杂质越少），绝缘要求就越低。

   图 3-5 污染等级的定义
6. 高度

电气间隙与海拔相关。对于功能绝缘、基础绝缘或附加绝缘，以及增强绝缘，在海拔 2,000m 至 20,000m 之间使用时，应使用符合 IEC 60664-1:2020 的修正系数来计算电气间隙，如图 3-5 所示。

以往，太阳能逆变器和 ESS 电站通常最高支持 4,000m 海拔。然而，现在越来越多的太阳能逆变器和 ESS 电站将部署在 5,000m 海拔的高原地区。由于隔离设计限制，以前的产品无法支持在 5,000m 海拔全功率运行。如果希望支持在 5,000m 海拔全功率运行，电气间隙要求会更高（修正系数从 1.29 变为 1.48）。