CCX工具在低压电器产品安全设计中的应用

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电气间隙和爬电距离是衡量电器产品电气安全性的关键指标。施耐德电气（中国）有限公司上海分公司的葛江波、胡良果，在2022年第9期《电气技术》上撰文，从IEC 60664—1和IEC 60947—1出发分析影响两者的主要因素，并阐述利用Creo CCX工具计算分析电气间隙和爬电距离的基本原理和具体设置。在此基础上，结合低压电器限位开关产品设计，给出运用CCX工具分析电气间隙和爬电距离的优化案例，为改善低压电器产品的电气安全性设计提供参考。

随着低压电器产品向小型化、高集成度、高可靠性等方向发展，产品的功能越来越多，自身结构也日益复杂，产品的电气安全问题越来越突出，这也是一直受消费者和产品开发者关注的焦点。电气安全性是衡量低压电器产品质量的关键指标之一，电气间隙和爬电距离与之息息相关，对产品的电气安全起着至关重要的作用，是研发人员在开发产品时，需要重点保证的技术参数。

目前，针对产品电气间隙和爬电距离的研究很多。有学者研究和分析在产品安全检验中涉及电气间隙和爬电距离的相关路径的确定，以及测量方法的选择。有学者研究如何测量同一平面内和不同平面间的电气间隙与爬电距离。有学者以跷板开关为例，结合X光片透视和产品模型，对不同条件下的电气间隙和爬电距离的测量进行对比分析。有学者研究关于测量电气间隙和爬电距离的不确定度的评定，以及影响不确定度的因素。有学者研究分析6种标准关于跨接尺寸的影响因素和等效性的规定。

上述文献主要涉及检测机构如何测量产品的电气间隙和爬电距离，而关于在研发设计中如何确保电气间隙和爬电距离的研究甚少。

鉴于此，本文研究分析Creo CCX（clearance and creepage extension）工具计算电气间隙和爬电距离的基本数学模型和相关设置。在此基础上，结合低压电器产品限位开关，给出运用CCX工具进行产品设计及优化的具体案例，以期为改善产品的电气安全性设计提供参考，为新一代低压电器产品的研发及优化提供思路。

1  相关标准概述

1.1  标准介绍

有关低压电器产品的标准，主要来自IEC和UL两大标准体系。

IEC 60947是关于低压开关设备和控制设备的系列标准，共有22个标准，由IEC/SC 121A国际技术委员会负责制定。IEC 60947—1作为此系列标准的总则，其中的表13和表15分别规定了对电气间隙和爬电距离的具体要求。而IEC 60947—1关于电气间隙和爬电距离的规定是在参考IEC 60664—1（GB/T 16935.1）标准的基础上加以制定的。

中国现颁布施行的关于低压电器的GB 14048系列标准，是与IEC标准接轨的技术标准体系，大部分是等同采用了IEC 60947标准，少数如GB 14048.1/4/5/7/8/11是修改采用了IEC 60947相关标准。例如接触器、过载继电器、电动机起动器和限位开关等低压控制产品涉及的标准有GB/T 14048—1、GB/T 14048—4、GB/T 14048—5，分别与IEC 60947—1，IEC 60947—4—1，IEC 60947—5—1相对应。

该系列标准目前由中国电器工业协会负责修订，归口于全国低压电器标准化技术委员会（SAC/TC 189）。截至2020年，该系列标准全部由强制性改为推荐性，标准代号亦由GB变为GB/T。

随着低压电器市场的全球化加剧和竞争的日益激烈，UL和IEC标准相互渗透。为了协调UL和IEC标准之间的差异，Underwriters Laboratories Inc.推出了一系列与IEC标准代号相同的标准，其中UL 60947系列标准应运而生。目前，这些UL标准中涉及低压电器的标准有10种。

1.2  相关概念定义

表1列举了与电气间隙和爬电距离相关的基本概念的定义。

表1  基本概念的定义

1.3  影响电气间隙和爬电距离的因素

良好的电气安全设计，应确保进入设备的瞬态过电压和设备内部产生的峰值电压不会击穿产品此处的电气间隙；爬电距离应确保在给定的工作电压和污染等级下产品不会产生闪络或击穿。通常，标准要求的最短的爬电距离应大于或等于最短的电气间隙，但是两者间并无物理联系。例如玻璃、陶瓷等材料不会发生漏电起痕，其爬电距离就不必大于相应的电气间隙。

1）与电气间隙相关的因素

影响电气间隙的主要因素有电源系统标称电压、过电压类别、额定冲击耐受电压Uimp、污染等级、电场条件、海拔高度（其修正系数见表2）、绝缘类型（如功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、双重或加强绝缘）等。由于低压电器产品主要使用在低频环境（如50Hz，60Hz，50/60Hz），故通常不需要考虑频率的影响。确定电气间隙的流程如图1所示。

图1  确定电气间隙的基本流程

表2  海拔修正系数

2）与爬电距离相关的因素

影响爬电距离的主要因素有额定绝缘电压Ui、材料组别（根据CTI值，绝缘材料可划分为4大类，见表3）、污染等级、槽宽度值、绝缘类型（如功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、双重或加强绝缘）等。关于频率，通常亦不需考虑其对爬电距离的影响。确定爬电距离的流程如图2所示。

表3  材料组别的分类

图2  确定爬电距离的基本流程

3）实际测量路径对两者的影响

除了上述因素外，在实际确定测量路径的选择上，以下3个因素会对最终的结果产生影响。

（1）槽宽度原则

关于槽宽度对爬电距离的影响，标准规定了不同污染等级下的槽宽度的最小值Xmin，见表4。当实际槽宽度小于Xmin，其爬电距离应直接跨过槽宽度测量。当实际槽宽度等于或大于Xmin，其爬电距离应沿槽的轮廓进行测量。另外，如果涉及的电气间隙小于3mm，Xmin可减少至该电气间隙的1/3。

表4  不同污染等级下的Xmin

（2）V形槽80°角原则

根据IECEE发布的CTL DSH—590号决议单上的80°角规则（沟槽桥接规则）：当V形槽底部角度＜80°，且开口宽度大于Xmin时，爬电距离的路径应沿着槽的轮廓进行绘制，但在槽底部应采用尺寸为Xmin的连线跨接。不同情况下V形槽的爬电距离应按图3所示的路径进行计算。

图3  V形槽爬电距离路径示意图

（3）筋原则

在产品设计中，通常采用凸筋结构来增加其电气间隙和爬电距离。IEC 60664—1和IEC 60947—1关于筋结构和爬电距离的规定不尽相同。IEC 60947—1附录G G.2规定：若筋的最小高度为2mm时，爬电距离可减少至规定值的0.8倍，对筋的最小宽度不做要求，满足机械要求即可。

IEC 60664—1对筋的规定更加严格，表F.5规定了使用筋时减小的爬电距离值，但只适于在污染等级3，爬电距离大于或等于8mm的情况下，且需满足单个筋的最小宽度值和最小高度值的要求（即分别要达到所需爬电距离的20%和25%）。

2  CCX工具介绍

2.1  概述

CCX作为PTC Creo软件下的一个扩展模块，从最初Pro/E和Creo早期版本的SAX（spark analysis extension），发展到从Creo 4.0 M010开始推出全新的CCX，其功能变得越来越强大。表5汇总了CCX和SAX的主要区别。由于CCX新增扩展的众多功能，目前在CCX中不能查看用SAX计算的分析结果。

随着产品设计的复杂性不断提高，以及集成的电子元器件越来越多，传统方法（例如靠人为经验测量3D模型或样品等）在设计检查产品的电气安全性方面往往耗时且容易出错，或无法提供精确的结果。而Creo CCX通过对相关参数设置，可自动进行相关的电气间隙和爬电距离的计算分析，以及判断其是否符合设计要求。CCX计算分析流程如图4所示。

表5  CCX和SAX的区别

图4  CCX计算分析流程

由于CCX在计算速度、分析精度，以及计算结果的可视化显示等方面有着明显的优势，在协助研发人员产品设计、优化方案、降低成本等方面，可更快速地响应市场需求。CCX计算结果的可视化路径分析如图5所示，其分析结果会以高亮红色线条的方式显示在模型上。

图5  CCX计算结果的可视化路径分析

2.2  数学模型

图6为CCX模块计算分析电气间隙和爬电距离的数学模型示意图。通过设置CCX模块的相关参数，可自动计算识别满足条件的多条路径，并能以可视化及矩阵形式显示计算结果。

图6  CCX数学模型示意图

筋/槽对计算结果的影响如图7所示。在小于或等于Xmin的情况下，CCX计算时都会以尺寸为Xmin的连线处理成桥接，这比目前V形槽80°角原则的规定更为严格，但其数学逻辑也更清晰严密。

图7  筋/槽对计算结果的影响

另外，标准中对筋原则的规定对CCX的计算结果无影响（目前CCX没有考虑该方面的设定）。

3  研究案例分析

本文以低压电器产品限位开关为例，研究运用CCX工具对产品设计中的电气间隙和爬电距离进行计算分析，并在此基础上进行优化设计。限位开关主要由触头模块、塑料外盖/外壳/底座、橡胶件、金属板、滚轮及接线端子等组成，其3D设计模型如图8所示。表6列举了此产品需要满足的主要电气参数指标。

图8  限位开关的3D设计模型

表6  限位开关电气安全参数与指标

3.1  电气间隙和爬电距离的最小值

由表6查询相关标准IEC 60664—1—2020、IEC 60947—1—2020和IEC 60947—5—1—2016，得到需满足的电气间隙和爬电距离最小值见表7。

表7  标准规定的电气间隙和爬电距离最小值

3.2  CCX计算分析

首先，启动带有CCX模块的Creo软件，打开经简化处理的3D设计模型。在“分析（Analysis）”选项卡下启动Clearance and Creepage Analysis（即CCX模块）。

1）设置零件属性（Meta Data）

CCX中主要通过设置CTI值来定义零件属性，共有3种类型：CTI=0（导电件）、CTI=1（非导电件）、CTI=1（CTI值尚未被定义的零件）。虽然实际绝缘材料的CTI值越大，绝缘性能越高，但CCX分析结果仅取决于电气间隙和爬电距离，而不是CTI值。设置CTI为1或绝缘材料的实际CTI值对于CCX计算结果没有影响，只是区别导体与否。本次计算分析涉及的绝缘件，其CTI均设置为1，便于参数检查。另外，还需将模型中人手能触及的塑料件外表面定义为导电。

此外，CCX中对零件类型的定义有5种：默认（Default）、铆钉（Rivet）、螺钉（Screw）、弹簧（Spring）和凸包（Convex Hull）。其中CCX在设置螺钉和弹簧类型后自动对几何模型简化处理，如图9所示。模型中涉及的铆钉、螺钉和弹簧除了设置CTI值为0外，还需定义其类型分别为Rivet、Screw和Spring，如图10所示。

图9  CCX对设置螺钉和弹簧类型的简化处理

2）定义电子网络（Electric Nets）

CCX将具有相同电势的导电零件的集合称为电子网络，可设定为3种类型，见表8。根据分析需要，将CCX自动识别的电子网络（Nets）进行手动合并，并将其设置为电势（Potential），电压设置为250V，如图11所示。

图10  零件的CTI值和类型设置

表8  电子网络分类

图11  电子网络的定义

3）设置分析参数（Analysis）

在此选项卡中，按表7要求手动设定源（Source- Contact_block）和目标网络（Target net-Class2 surfaces）间的电气间隙、爬电距离和槽宽度，违规公差（Violation Tolerance）设置为3mm，如图12所示。

4）结果分析

图12  电气间隙、爬电距离和槽宽度设置

图13  分析结果

图14  爬电距离的失效路径

3.3  优化设计

图15  优化方案的计算结果

4  结论

爬电距离和电气间隙的设计直接关系到产品的电气安全可靠性，如何在这方面提高设计质量是设计人员面临的一项巨大挑战。本文以低压电器产品限位开关为例，研究了如何运用Creo CCX工具开展电气间隙和爬电距离的计算分析，并以此为基础，优化了设计方案。该方法可为改善低压电器的电气安全性设计提供参考。

本文编自2022年第9期《电气技术》，论文标题为“CCX工具在低压电器产品安全设计中的应用”，作者为葛江波、胡良果。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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