Путь утечки против воздушного зазора — координация изоляции по IEC 60664-1

Гид по категориям перенапряжения (CAT I-IV) рассматривает, как требуемый воздушный зазор (clearance) между двумя токопроводящими частями выводится из выдерживаемого импульсного напряжения соответствующей категории CAT. Однако координация изоляции по IEC 60664-1 включает второе, независимое расстояние: путь утечки (creepage distance). Этот гид рассматривает, как оно определяется и почему эти два расстояния нельзя использовать взаимозаменяемо.

Два расстояния, два совершенно разных механизма отказа

• Воздушный зазор (clearance): кратчайшее расстояние по воздуху между двумя токопроводящими частями. Важен для пробоя самого воздуха под импульсным напряжением. Определяется выдерживаемым импульсным напряжением (выведенным из категории CAT и номинального напряжения системы) и высотой над уровнем моря (воздух имеет более низкую электрическую прочность выше примерно 2000 м).
• Путь утечки (creepage distance): кратчайшее расстояние вдоль поверхности изоляционного материала между двумя токопроводящими частями. Важен для трекинга (образования проводящего следа): проводящий путь, формирующийся вдоль поверхности из-за загрязнения, влаги и повторяющихся локальных разрядов, в конечном итоге приводящий к пробою вдоль поверхности. Это медленный, деградационный процесс, а не мгновенный пробой, как в случае воздушного зазора.

Поскольку эти два расстояния относятся к разным механизмам отказа, они определяются по полностью отдельным таблицам в IEC 60664-1 — и результаты могут существенно расходиться.

От чего зависит требуемый путь утечки?

Минимальный требуемый путь утечки по IEC 60664-1 определяется тремя факторами вместе, а не выдерживаемым импульсным напряжением:

1. Рабочее напряжение (действующее значение или постоянное) на изоляции — не импульсное напряжение.
2. Степень загрязнения (pollution degree, PD 1-4): сколько проводящего загрязнения (пыль, влага, соль) ожидается на поверхности. Степень 1 — герметичная, свободная от загрязнения среда; степень 3 — обычная промышленная среда с проводящим загрязнением или конденсацией; степень 4 — постоянное проводящее загрязнение (например, незащищённая наружная установка).
3. Группа материала, определяемая сравнительным индексом трекингостойкости (CTI) изоляционного материала — см. гид по CTI и степени загрязнения о методе измерения. IEC 60664-1 определяет четыре группы материала:
   • Группа I: CTI ≥ 600
   • Группа II: 400 ≤ CTI < 600
   • Группа IIIa: 175 ≤ CTI < 400
   • Группа IIIb: 100 ≤ CTI < 175

При одинаковом рабочем напряжении и степени загрязнения более низкая группа материала (более низкий CTI, менее трекингостойкий материал) требует большего пути утечки. При степени загрязнения 3 и группе материала IIIb требуемый путь утечки может быть в несколько раз больше, чем при том же рабочем напряжении с группой материала I.

Почему путь утечки может превышать воздушный зазор

Распространённое заблуждение — что путь утечки всегда меньше или равен воздушному зазору, поскольку путь утечки как будто проходит «по тому же маршруту». Это неверно: эти два расстояния определяются с помощью независимых таблиц и независимых входных переменных. При сочетании высокой степени загрязнения (PD 3 или 4) и низкокачественного изоляционного материала (группа IIIb), при относительно скромной категории CAT (то есть ограниченном требуемом воздушном зазоре), требуемый путь утечки может существенно превысить требуемый воздушный зазор. В этом случае путь утечки становится определяющим (большим) размером при проектировании корпуса или компоновки печатной платы, а не воздушный зазор.

Внимание: IEC 60664-1 требует, чтобы путь утечки никогда не был меньше соответствующего воздушного зазора. Если рассчитанный по таблицам путь утечки оказывается меньше требуемого воздушного зазора, путь утечки всё равно должен быть повышен до значения воздушного зазора. Это не означает, что путь утечки не может превышать воздушный зазор при неблагоприятной степени загрязнения и группе материала — это требование действует только как нижний предел, а не как верхний.

Практические меры по увеличению эффективного пути утечки без увеличения расстояния

Когда физическое пространство ограничено, эффективный путь утечки можно увеличить без увеличения прямого расстояния между проводниками, используя:

• Канавки/рёбра перпендикулярно поверхности между проводниками, которые удлиняют путь утечки вдоль поверхности.
• Конформное покрытие, которое изолирует поверхность от загрязнения — при определённых условиях это может снизить эффективную степень загрязнения по IEC 60664-3.
• Выбор материала с более высоким CTI (группа материала I вместо IIIb), что напрямую снижает требуемый путь утечки при том же рабочем напряжении и степени загрязнения.

Типичные ошибки

1. Предположение, что путь утечки всегда меньше воздушного зазора — при высокой степени загрязнения и низкокачественном материале верно обратное.
2. Вывод пути утечки из импульсного напряжения/категории CAT, тогда как путь утечки определяется рабочим напряжением, степенью загрязнения и группой материала (CTI) — а не импульсным напряжением.
3. Неверная оценка степени загрязнения среды применения, например принятие степени 2 для наружной установки, которая фактически требует степени 3 или 4, что приводит к заниженному пути утечки.
4. Путаница нижнего предела (путь утечки ≥ воздушный зазор) с верхним пределом — стандарт лишь указывает, что путь утечки не должен быть меньше воздушного зазора, а не то, что он никогда не может его превышать.

Похожие материалы

• Категории перенапряжения CAT I-IV
• Сравнительный индекс трекингостойкости (CTI) и степень загрязнения