Шлях витоку проти повітряного зазору — координація ізоляції за IEC 60664-1

Гід з категорій перенапруги (CAT I-IV) розглядає, як необхідний повітряний зазор (clearance) між двома струмопровідними частинами виводиться з витримуваної імпульсної напруги відповідної категорії CAT. Проте координація ізоляції за IEC 60664-1 має другу, незалежну відстань: шлях витоку (creepage distance). Цей гід розглядає, як він визначається і чому ці дві відстані не можна використовувати як взаємозамінні.

Дві відстані, два зовсім різні механізми відмови

• Повітряний зазор (clearance): найкоротша відстань через повітря між двома струмопровідними частинами. Важливий для пробою самого повітря під імпульсною напругою. Визначається витримуваною імпульсною напругою (виведеною з категорії CAT і номінальної напруги системи) та висотою над рівнем моря (повітря має нижчу електричну міцність вище приблизно 2000 м).
• Шлях витоку (creepage distance): найкоротша відстань вздовж поверхні ізоляційного матеріалу між двома струмопровідними частинами. Важливий для трекінгу (утворення провідного сліду): провідний шлях, що формується вздовж поверхні через забруднення, вологу та повторювані локальні розряди, зрештою призводячи до пробою вздовж поверхні. Це повільний, деградаційний процес, а не миттєвий пробій, як у випадку повітряного зазору.

Оскільки ці дві відстані стосуються різних механізмів відмови, вони визначаються за повністю окремими таблицями в IEC 60664-1 — і результати можуть суттєво розходитися.

Від чого залежить необхідний шлях витоку?

Мінімальний необхідний шлях витоку за IEC 60664-1 визначається трьома факторами разом, а не витримуваною імпульсною напругою:

1. Робоча напруга (діюче значення або постійна) на ізоляції — не імпульсна напруга.
2. Ступінь забруднення (pollution degree, PD 1-4): скільки провідного забруднення (пил, волога, сіль) очікується на поверхні. Ступінь 1 — герметичне, вільне від забруднення середовище; ступінь 3 — звичайне промислове середовище з провідним забрудненням або конденсацією; ступінь 4 — постійне провідне забруднення (наприклад, незахищена зовнішня установка).
3. Група матеріалу, визначена порівняльним індексом трекінгостійкості (CTI) ізоляційного матеріалу — див. гід з CTI та ступеня забруднення про метод вимірювання. IEC 60664-1 визначає чотири групи матеріалу:
   • Група I: CTI ≥ 600
   • Група II: 400 ≤ CTI < 600
   • Група IIIa: 175 ≤ CTI < 400
   • Група IIIb: 100 ≤ CTI < 175

За однакової робочої напруги та ступеня забруднення нижча група матеріалу (нижчий CTI, менш трекінгостійкий матеріал) вимагає більшого шляху витоку. За ступеня забруднення 3 та групи матеріалу IIIb необхідний шлях витоку може бути в кілька разів більшим, ніж за тієї самої робочої напруги з групою матеріалу I.

Чому шлях витоку може перевищувати повітряний зазор

Поширена помилка — вважати, що шлях витоку завжди менший або дорівнює повітряному зазору, оскільки шлях витоку ніби проходить «тим самим маршрутом». Це неправильно: ці дві відстані визначаються за допомогою незалежних таблиць і незалежних вхідних змінних. За поєднання високого ступеня забруднення (PD 3 або 4) та низькоякісного ізоляційного матеріалу (група IIIb), за відносно скромної категорії CAT (тобто обмеженого необхідного повітряного зазору), необхідний шлях витоку може суттєво перевищити необхідний повітряний зазор. У такому разі шлях витоку стає визначальним (більшим) розміром для проєктування корпусу або компонування друкованої плати, а не повітряний зазор.

Увага: IEC 60664-1 вимагає, щоб шлях витоку ніколи не був меншим за відповідний повітряний зазор. Якщо розрахований за таблицями шлях витоку виявляється меншим за необхідний повітряний зазор, шлях витоку все одно потрібно підняти до значення повітряного зазору. Це не означає, що шлях витоку не може перевищувати повітряний зазор за несприятливого ступеня забруднення та групи матеріалу — ця вимога діє лише як нижня межа, а не як верхня.

Практичні заходи для збільшення ефективного шляху витоку без збільшення відстані

Коли фізичний простір обмежений, ефективний шлях витоку можна збільшити без збільшення прямої відстані між провідниками, використовуючи:

• Канавки/ребра перпендикулярно поверхні між провідниками, що подовжують шлях витоку вздовж поверхні.
• Конформне покриття, яке ізолює поверхню від забруднення — за певних умов це може знизити ефективний ступінь забруднення за IEC 60664-3.
• Вибір матеріалу з вищим CTI (група матеріалу I замість IIIb), що безпосередньо знижує необхідний шлях витоку за тієї самої робочої напруги та ступеня забруднення.

Типові помилки

1. Припущення, що шлях витоку завжди менший за повітряний зазор — за високого ступеня забруднення та низькоякісного матеріалу вірно протилежне.
2. Виведення шляху витоку з імпульсної напруги/категорії CAT, тоді як шлях витоку визначається робочою напругою, ступенем забруднення та групою матеріалу (CTI) — а не імпульсною напругою.
3. Неправильна оцінка ступеня забруднення середовища застосування, наприклад прийняття ступеня 2 для зовнішньої установки, яка насправді вимагає ступеня 3 або 4, що призводить до заниженого шляху витоку.
4. Плутанина нижньої межі (шлях витоку ≥ повітряний зазор) з верхньою межею — стандарт лише вказує, що шлях витоку не повинен бути меншим за повітряний зазор, а не те, що він ніколи не може його перевищувати.

Пов'язані матеріали

• Категорії перенапруги CAT I-IV
• Порівняльний індекс трекінгостійкості (CTI) та ступінь забруднення