高频照明产品电气间隙限值的确定原则

1高频照明产品电气间隙限值的确定原则上海时代之光照明电器检测有限公司杨樾摘要：本文主要介绍了考虑电压频率变化后，主要是高于30kHz以上的频率变化对电气间隙限值的影响变化，并从试验数据以及相关的电子运动原理出发，给出了频率高于30kHz的产品电气间隙限值的确定原则。补充了目前照明产品标准中仅仅规定了频率低于30kHz的产品电气间隙限值的局限性，为业内的企业和检测单位提供一个更合理的检测依据和判定方法，为各位进行标准研究提供些参考。关键词：电气间隙限值频率照明电器近年来，随着科学技术的不断发展，超过30kHz的高频触发器和灯的控制装置和灯具开始广泛使用，比如无极荧光灯工作频率大部分在100kHz~200kHz，使用电子镇流器的荧光灯大概工作在20kHz～40kHz，使用电子镇流器的气体放电灯大概工作在100kHz左右。但是目前的照明产品标准中的电气间隙确定方法是基于IEC60664-1标准中的规定，而IEC60664-1标准的最高频率为30kHz，因此目前照明产品，包括灯具和镇流器产品的标准中，都没有明确的高于30kHz的照明产品的电气间隙的确定方法。在目前的照明产品检测领域中，高频照明产品的电气间隙确定方法是技术上的空白。随着标准IEC60664-4:2005《低压系统内设备的绝缘配合－第4部分：高频电压应力的考虑事项》的发布，高频产品的电气间隙要求有了考核的依据。为了更加深刻的理解高频下电气间隙的限值的选择，本文并从电子运动原理及试验数据以出发，给出了在均匀电场、近似均匀电场和非均匀电场下频率高于30kHz的产品电气间隙限值的确定原则。为什么频率变高电气间隙的要求也会变化呢？这要从电气间隙的定义和电子的运动特性说起。电气间隙是指两导电部件之间在空气中的最短距离。电气间隙的击穿经常在少于1ms的时间内出现。相对于时间范围，电源的交流频率具有一个比较稳定的振幅。对于50Hz的频率，振幅保持在99％峰值的时间为1ms。因此在击穿开始形成的过程中，是电压峰值引起了击穿。因此根据上述介绍，本文的电气间隙具有相同的交流（峰值）和直流击穿电压。在更高频率下，击穿过程中应考虑从峰值和极性翻转时的电压下降，这将导致击穿电压的增加。2但是到目前为止，在击穿开始时产生的电子的影响（通常为阳性）没有考虑进去。这些电子产生在正弦波的顶峰时刻，并且经常有足够的时间让他们在剩余的半波时间内穿越到电极。但是在大距离的电气间隙或高频时，电气间隙产生出电子前极性可能改变。这将导致静电场的失真并将降低击穿电压。在1个大气压下空气中电子的平均速度大约为：smv/1062在正弦波下一个周期的时间，电子的运动距离为：fvs2/对于50Hz的频率，大约是1.91m。在正常的工频电源下，这个电气间隙非常大，基本不用考虑。但是随着频率增加到kHz时，电气间隙就明显的缩短了。也就是说，频率对电气间隙是有和大的影响作用的，在产品在高频下工作时，一定要考虑频率变化对电气间隙的影响。这些事实可以推出，在已知电气间隙的情况下，在1个大气压下击穿电压降低处的频率critf][/2.0MHzmmdfdvfcritcrit（1）那么，如何确定高频时的电气间隙的限值呢？IEC60664-4标准的附录给出了在均匀电场中的电器间隙击穿电压试验数据。为了测量在均匀电场中的电气间隙，图1中给出了频率在50Hz~25MHz之间均匀电场下的击穿电压Ub示意图。横坐标为频率，纵坐标为在一个大气压下的空气中的击穿电压，图中的几个数据线为在不同电气间隙下的不同频率对应的击穿电压试验数据线。3注：Ub击穿电压d电气间隙图1一个大气压下均匀电场中50~25MHz高频率范围内的击穿电压由图1可以看出，随着频率的增高，在一定电气间隙下的即传电压逐渐下降，达到一个最小值后又逐渐升高，大约在25MHz时，击穿电压与50Hz大致相同。由图1可知，对于均匀电场，击穿电压Ub与50/60Hz相比最大的降低为20％。由以上可以得出以下结论，在一个大气压下，均匀电场下的电气间隙可以归结为以下几点：－大于critf频率的击穿电压随着频率的增加而降低。最大的击穿电压的降低大概为420％。－击穿电压在频率minf时达到最小值。对于更高的频率，击穿电压是增加的并且有可能超过电源频率下的击穿电压。这些特性对于近似均匀条件也适用。根据以上的分析可知，在均匀电场和近似均匀电场下，高频下的电气间隙限值会随着频率的变化而发生变化。因此，IEC60664-4标准中指出，对于电气间隙尺寸的确定，可以，有两种方法可以确定：1．如果不要具体评估，电气间隙在30kHz~10MHz范围内为IEC60664-1中表7和IEC60664-5表3的相应电压的125％倍。2．如果要详细评估，则采用以下方法：a)对于低于critf（见公式（1））频率，电气间隙应符合IEC60664-1中表7和IEC60664-5表3的相应电压的限值。b)对于大于minf的频率，电气间隙应为IEC60664-1中表7和IEC60664-5表3的相应电压的限值的125％倍。c)对于critf和minf之间的频率，电气间隙按照为IEC60664-1中表7和IEC60664-5表3的相应电压的限值的X倍：%25*%100critcritffffX(2)所以我们在考虑电气间隙的尺寸时应考虑以下3个方面：最高频率为30kHz的电压（目前的要求）频率大于30kHz但小于最大限值critf的电压频率大于critf的电压对于非均匀电场，情况与均匀电场又有很大的不同。在非均匀电场下critf的计算方法近似可以采用公式（1）。当频率高于critf时，击穿电压明显大于均匀电场下的击穿电压。击穿电压与在工频时的击穿电压相比要下降超过50％。因此，对于非均匀电场，需要重新确定电气间隙的限值。5IEC60664-4中指出，对于低于critf的频率，电气间隙可以参考IEC60664-1标准中的表F7和IEC60664-5标准中的表3进行确定。IEC60664-1表F7耐受稳态电压、瞬态过电压或再现峰值电压的电气间隙表F7a耐受稳态电压、瞬态过电压表F7b避免局部放电的电气间隙或再现峰值电压的电气间隙的确定的附加资料6IEC60664-5标准表3-耐受稳态电压、瞬态过电压或再现峰值电压的电气间隙对于大于critf频率，则电气间隙应按照IEC60664-4标准中的表进行考核。7IEC60664-1标准表1－在1个大气压下非均匀电场中的电气间隙最小值以上介绍了频率高于30kHz的电气间隙限值的确定的试验原理、试验数据以及确定的原则，以便更加深刻的理解电气间隙限值的选择原理，同时，为去年写的一篇介绍《灯具标准中频率高于30kHz电气间隙的尺寸的确定》的文章提供一个原理性的解释。在照明产品中，包括灯具、光源在、镇流器产品的在高于30kHz频率下的电气间隙的确定都要根据IEC60664-4要求，因此，更深刻的理解IEC60664-4标准的电气间隙确定原理和确定原则才能更加准确的对照明产品电气间隙限值进行选择。