- 關于《電氣間隙與爬電距離的全面解析與設計指南》的解析

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-「SysPro| 電動汽車標準解讀」專欄內容，全文13700字

- 本篇為節選，完整內容會在知識星球發布，詳細分布見目錄頁

導語：在高壓設備的設計與制造過程中，確保電氣安全和系統可靠性是至關重要的。其中，爬電距離(Creepage, CPG）和電氣間隙（Clearance, CLR）是兩個核心參數，它們直接關系到設備的絕緣性能和安全性。今天將深入探討這兩個關鍵概念，為工程師提供實用的指南和標準，以幫助我們更好地理解和應用這些參數。

圖片來源：SysPro

內容比較多，涵蓋：CPG和CLR的定義、絕緣等級、高壓應用場景、爬電距離與電氣間隙、材料組與比較追蹤指數（CTI）、污染程度與瞬態過電壓類別、絕緣參數與標準、絕緣等級指南與示例、確定爬電距離與電氣間隙的流程圖、高壓PCB間距標準與指南，我們會分為上、下部分展開。

目錄

上篇：基礎篇

01 基礎概念與絕緣等級

1.1 爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）定義

1.2 絕緣等級分類與特點

02 高壓應用場景

2.1 電動汽車的應用

2.2 其他領域的應用

2.3 為什么要考慮絕緣等級？

2.4 如何考慮設備的絕緣等級呢？

03 爬電距離與電氣間隙

3.1 爬電距離 · 影響因素、測量、計算

3.2 電氣間隙 · 影響因素、測量、計算

3.3 材料組定義與CTI關系(知識星球發布)

3.4 污染等級分類、描述與示例(知識星球發布)

3.5 瞬態過電壓類別定義、描述與示例(知識星球發布)

3.6 絕緣標準概述與應用領域(知識星球發布)

3.6.1 特定絕緣系統中的安全標準

3.6.2 PCB高壓安全相關絕緣標準

下篇：實踐篇

04 絕緣等級的定義指南與示例(知識星球發布)

05 爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）的量化確認指南(知識星球發布)

5.1 定義爬電距離與電氣間隙的流程圖

5.2 電源瞬態電壓的確定

5.3 電氣間隙的確定

5.4 爬電距離的確定

06 案例說明：OBC絕緣設計(知識星球發布)

07 案例說明：通過PCB切口增加爬電的設計方法(知識星球發布)

08 高壓環境PCB設計的絕緣間距要求及相關標準說明(知識星球發布)

09 總結

注：以上內容節選，完整版請在知識星球查閱（點擊文末閱讀原文）

上篇：基礎篇

01

基礎概念與絕緣等級

1.1爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）定義

爬電距離，指的是沿固體絕緣材料表面兩個導電部件之間的最短距離。這一距離受污染、濕度和冷凝等因素的影響較大。在實際應用中，例如在潮濕或有導電性污染的環境下，爬電距離若不足，可能會導致絕緣表面形成導電通路，從而引發設備故障甚至安全事故。

因此，在高壓設備中，爬電距離的設計必須足夠長，以防止在工作電壓下發生絕緣擊穿或爬電現象。設計時需考慮工作電壓的均方根（RMS）值、污染程度和材料組等因素。| SysPro備注：后續會解釋這里面的概念和邏輯

圖片來源：TI

電氣間隙，則是空氣中兩個導電部件之間的最短距離。它主要受空氣壓力（海拔）和溫度的影響。在高海拔地區，空氣稀薄，空氣的絕緣性能下降，因此需要更大的電氣間隙來保證設備的安全。

因此，在設計電氣間隙時，需考慮瞬態過電壓、污染程度和海拔等因素，以確保在瞬態過電壓下不會發生空氣電離或電弧現象。。| SysPro備注：后續會解釋這里面的概念和邏輯

圖片來源：TI

1.2 絕緣等級分類與特點

絕緣等級包括：基本絕緣、補充絕緣、雙重絕緣和加強絕緣。每種等級提供不同級別的電擊防護：

基本絕緣：單層絕緣，用于在正常和異常工作條件下防止電擊，是大多數常規電氣設備的基礎防護措施

補充絕緣：在基本絕緣之外獨立應用的絕緣，提供額外的保護，當基本絕緣可能失效時，補充絕緣能提供額外的保護

雙重絕緣：包含基本絕緣和補充絕緣，適用于正常、異常和單故障條件下的保護，為設備提供了更高層次的安全保障

加強絕緣：單層絕緣系統，但提供與雙重絕緣相同的防護等級，適用于空間受限或需要簡化設計的應用，在保證安全的前提下，優化了設備的設計。

我們要根據場景，選擇合適的絕緣等級，這對于確保設備的安全性至關重要。那么，為什么要考慮絕緣等級？如何考慮設備的絕緣等級呢？這就要從應用場景來說說。

圖片來源：SysPro

02

高壓應用場景

2.1 電動汽車的應用

在電動汽車領域，高壓應用廣泛存在于電池管理系統、電機驅動系統等關鍵部分。電池管理系統負責監控和管理電池的狀態，確保電池的安全和高效運行；電機驅動系統則控制電機的轉速和扭矩，為車輛提供動力。

這些高壓應用場景對絕緣性能提出了極高的要求，因為任何絕緣故障都可能導致電池短路、電機失控等嚴重后果，威脅到車輛和人員的安全。

圖片來源：AUDI

2.2 其他領域的應用（略）

圖片來源：SysPro

2.3 為什么要考慮絕緣等級？

在這些高壓應用場景中，考慮絕緣等級至關重要，原因主要有以下幾點：

防止電擊：高壓意味著更高的電位差，如果絕緣等級不足，電流可能會通過絕緣材料泄漏，當人體接觸到帶電部分時，就會發生電擊事故，對人員生命安全構成嚴重威脅。

保障設備正常運行：良好的絕緣可以防止電流在不需要的路徑上流動，避免短路、漏電等故障。例如在服務器和電信設備中，絕緣失效可能導致設備損壞、數據丟失，影響整個系統的正常運行。

延長設備壽命：合適的絕緣等級能夠減少電氣部件之間的電應力和熱應力，降低部件的老化速度，從而延長設備的使用壽命。像在可再生能源系統中，長期穩定運行需要可靠的絕緣保障。

符合安全標準：各個行業都有嚴格的安全標準和法規，對高壓設備的絕緣等級有明確要求。滿足這些標準是設備能夠合法上市和使用的前提條件。

那么，了解了高壓應用場景和絕緣等級在其中的存在的意義之后，我們要如何據此定義設備的絕緣等級呢？

2.4 如何考慮設備的絕緣等級呢？

絕緣等級的定義，主要要考慮以下幾點因素（概述）：

|SysPro備注：這里僅做定性概述，從第3章節開始我會結合眾多標準，對其中的所涉及相關因素進行定量說明，目的是提供一套完整的絕緣等級定義指南。

根據應用場景確定電壓等級：不同的高壓應用場景，其工作電壓不同。例如電動汽車的驅動電機電壓可能與服務器電源的電壓不同，需要根據具體的電壓范圍來選擇合適的絕緣材料和設計絕緣結構。

考慮環境因素：設備所處的環境對絕緣等級有很大影響。如果設備在高溫、高濕度、多塵或腐蝕性環境中工作，絕緣材料的性能可能會下降。比如在工業環境中的電機驅動設備，可能需要更高耐熱、耐濕和耐腐蝕的絕緣材料。

參考相關標準和規范：各行業都有針對高壓設備絕緣的標準和規范，如國際電工委員會（IEC）標準、美國國家標準協會（ANSI）標準等。這些標準詳細規定了不同應用場景下設備的絕緣要求，包括絕緣材料的性能、絕緣距離、耐壓測試等方面。

進行耐壓測試：在設備設計和生產過程中，需要進行耐壓測試來驗證絕緣等級是否符合要求。通過施加高于正常工作電壓的測試電壓，觀察設備是否出現擊穿、漏電等現象，以確保設備在實際使用中的安全性。

圖片來源：Littelfuse

03

爬電距離與電氣間隙

3.1 爬電距離 · 影響因素、測量、計算

在01中我們介紹了爬電距離，指的是沿固體絕緣材料表面兩個導電部件之間的最短距離。

爬電距離的特性在于，它受污染、濕度和冷凝影響最大。在實際應用中，例如在工業環境或戶外環境下，設備表面可能會積累灰塵、濕氣等污染物，這些污染物會降低絕緣材料的表面電阻，增加爬電的風險。

因此，在定義爬電距離時，需要考慮工作電壓的均方根（RMS）值、污染程度和材料組因素：

工作電壓的RMS值：決定了絕緣材料所承受的電場強度

污染程度：反映了設備所處環境的惡劣程度

材料組：則根據絕緣材料的比較追蹤指數（CTI）分類，不同材料組的絕緣性能有所差異

在設計開發中，需要我們結合上述因素，從相關標準表格中查出對應的爬電距離。需確保爬電距離滿足或超過標準要求，以防止漏電或閃絡現象。

|SysPro備注：關于爬電距離計算的三個因素的參考標準、定義方式、應用場景及其分類指南，這一系列問題我會在06中解釋。

圖片來源：TI

3.2 電氣間隙 · 影響因素、測量、計算

在01中我們介紹了電氣間隙，指的是空氣中兩個導電部件之間的最短距離。電氣間隙的特性主要體現在無空氣電離或電弧現象，以承受所需的瞬態過電壓（短期）。

因此，在定義電氣間隙時，需要根據工作電壓、瞬態過電壓、污染等級和海拔，從相關標準表格中查出對應的電氣間隙：

空氣壓力（海拔）和問題：如前文所述，高海拔地區空氣稀薄，空氣的絕緣性能下降，需要更大的電氣間隙來保證設備的安全。溫度的變化也會影響空氣的絕緣性能，進而影響電氣間隙的要求

瞬態過電壓：需考慮設備可能承受的瞬態過電壓，可能是由于雷電、開關操作等原因引起的短暫高電壓脈沖

污染程度：與爬電距離一樣，不同污染等級對電氣間隙的要求不同，需要根據具體情況進行合理設計

下面我們針對與爬電距離和電氣間隙相關的絕緣參數做進一步地說明。

圖片來源：TI

以下內容知識星球中發布

3.2 電氣間隙 · 影響因素、測量、計算

在01中我們介紹了電氣間隙，指的是空氣中兩個導電部件之間的最短距離。電氣間隙的特性主要體現在無空氣電離或電弧現象，以承受所需的瞬態過電壓（短期）。

因此，在定義電氣間隙時，需要根據工作電壓、瞬態過電壓、污染等級和海拔，從相關標準表格中查出對應的電氣間隙。

下面我們針對與爬電距離和電氣間隙相關的絕緣參數做進一步地說明。

圖片來源：SysPro

3.3 材料組定義與CTI關系

(知識星球發布)

材料組別是通過依據國際電工委員會IEC 60112 標準對測試數據進行評估來加以驗證，強依賴于比較追蹤指數（Comparative tracking index - CTI）...

3.4 污染等級分類、描述與示例

(知識星球發布)

污染等級用于評估電氣設備所處環境的污染程度，對設備的絕緣設計有重要影響。一般有4級污染等級，數字越大、對爬電距離/電氣間隙越高，具體如下圖：...

圖片來源：TI

3.5 瞬態過電壓類別定義、描述與示例

(知識星球發布)

瞬態過電壓類別也稱為所需的沖擊耐受電壓，用于直接從低壓電源供電的設備的概率性含義。具體分類如下：...

圖片來源：SysPro

3.6 絕緣標準概述與應用領域

(知識星球發布)

下面我們看看絕緣標準與相關定義，包括IEC 60664-1、IEC 62368-1、IEC 61800-5、IEC 62109-1、IPC 2221、IPC 9592等。|SysPro備注：需要說明的是，目前沒有一個標準是覆蓋所有電壓等級的，所以這里面需要對標準有個系統性的梳理和認知

3.6.1 特定絕緣系統中的安全標準

-> IEC 60664-1...

->IEC 62368-1...

->IEC 61800-5...

->IEC 62109-1...

3.6.2 PCB高壓安全相關絕緣標準

-> IPC 2221和IPC 9592...-> IEC 60664-1...-> IEC 62368...

下面，我們基于上述這些內容，來探討下：如何正確地定義系統絕緣等級？如何量化爬電距離與電氣間隙？方法和流程是怎樣的？

圖片來源：skywork

下篇：實踐篇（已發布）

04

絕緣等級的定義指南與示例

(知識星球發布)

在電氣工程領域，確保電子元件和系統的安全性與可靠性至關重要。CPG（爬電距離）和CLR（電氣間隙）是在這方面發揮關鍵作用的兩個重要參數。理解絕緣等級以及它們與這些參數的關系，對于設計安全且符合標準的電氣產品至關重要，這也是我們下面講的核心內容：

...

05

爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）的量化確認指南

(知識星球發布)

08中我們提到，與絕緣等級相關的兩個關鍵參數是：爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）。那么，如何計算、定義CPG和CLR，以確保設計出的絕緣系統能夠有效防止觸電，并滿足安全和性能要求呢？

5.1定義爬電距離與電氣間隙的流程圖

(知識星球發布)

下圖展示了一個用于防止觸電的絕緣系統的設計流程圖，具體指爬電距離（CPG）與電氣間隙（CLR）的定義流程和方法...

1. 絕緣系統防觸電的設計路徑...

2. PCB高壓間距的設計路徑...

在了解了上述的流程方法后，我們需要進一步查閱標準，以幫助我們準確地得到想要的設計要求，主要包括：瞬態電壓的定義、電氣間隙的確認、爬電距離的確認。我會在下面幾個章節中陸續說明。

圖片來源：SysPro

5.2 電源瞬態電壓的確定

(知識星球發布)

...

5.3 電氣間隙的確定

(知識星球發布)

...

5.4 爬電距離的確定

(知識星球發布)

...

06

案例說明：OBC絕緣設計

(知識星球發布)

下圖是車載電池充電系統（Onboard battery charger-obc）的案例，包含電路圖、一些絕緣要求。根據上述的指南，我們可以通過以下步驟獲取絕緣設計要求：...

Step1~Step4...

07

案例說明：通過PCB切口增加爬電的設計方法

(知識星球發布)

下面這張圖展示了如何借助PCB切口增加爬電距離，以提升電氣安全性...

圖片來源：TI

08

高壓環境PCB設計的絕緣間距要求及相關標準說明

(知識星球發布)

...

為了確保PCB在高壓環境下的安全性和可靠性，需要引用多個國際標準（如IEC 60664-1、IPC-2221、IPC-9592和UL 796）來指導設計。這些標準涵蓋了爬電距離、電氣間隙、環境條件、保形涂層以及垂直層間距等方面的要求。具體來講講：...

圖片來源：TI

09 總結

(知識星球發布)

...

希望上述這些內容，可以為大家在電氣系統設計中涉及絕緣和高壓間距的關鍵問題提供了全面的理論支持和實踐指導，有助于我們更加科學、合理地進行系統設計，確保產品在安全性和性能上達到要求。

感謝你耐心閱讀，希望有所幫助！