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摘要：針對低壓開關柜中絕緣材料如何設計選型進行了闡述。從低壓開關柜與絕緣材料密切相關的幾個重要性能出發進行分析，首先介紹耐壓性能對絕緣材料選擇的影響，比如絕緣電壓、暫時過電壓、瞬態過電壓等；其次介紹耐熱性能對絕緣材料選擇的影響，比如長期耐熱溫度、短時耐熱溫度等；最后介紹電動力、原材料類型、加工工藝性、環保要求等對絕緣材料設計選型的影響。

關鍵詞：低壓開關柜；絕緣材料；耐壓；耐熱；電氣間隙；爬電距離

低壓開關柜廣泛應用于配電、照明和電機控制等電能轉換和控制場合，影響著國民經濟和生活的各個方面。低壓開關柜里安裝了許多電氣元件和發熱零部件（例如銅母線、絕緣導線等），為防止過壓或過熱引起的停電、停工甚至傷人、火災等事故，除了選擇質量優良的電氣元件外，低壓開關柜內部合理的結構設計和合理的原材料選擇至關重要。優秀的結構設計不僅會充分考慮所有內裝元器件和所有載流部件的散熱、強度、絕緣、各種防護、耐壓等性能，還會充分考慮機械應力、電氣應力、熱應力和環境壓力等因素造成的不利影響，從而保障低壓開關柜安全可靠運行。此外，絕緣材料的設計選型也與低壓開關柜的性能密切相關，本文將對此進行闡述，并結合應用案例進行分析，希望能給同行帶來一些啟發。

1耐壓性能的要求對絕緣材料選擇的影響

電氣設備運行時，在正常使用條件下承受的是工作電壓，由于系統電壓的不穩定性以及系統外部的影響，電氣設備還會承受各種過電壓，例如暫時過電壓、操作過電壓、雷擊過電壓等，如果電壓過高，就有可能造成絕緣材料的擊穿。因此，電氣設備需要具備耐受上述各種電壓的能力。通常，設備的絕緣電壓應等于或大于所在系統的工作電壓。絕緣電壓是選擇工頻耐受電壓和爬電距離要參考的電壓值。施加工頻耐受電壓可以衡量電路耐受暫時過電壓的能力，施加沖擊耐受電壓可以衡量其耐受瞬態過電壓的能力。在低壓系統中，常見的工作電壓為400V，A、B、C三相，當過電壓類別為Ⅳ類（即電源進線點水平）時，國家標準規定的額定沖擊耐受電壓為6kV。A、B、C三相母線系統通常選擇銅排，由絕緣件支撐，如圖1所示。圖中淺灰色表示絕緣支撐件，深灰色表示導體———銅排。a為電氣間隙（即兩個導體之間的最短直線距離），b為爬電距離（即兩個導體之間沿絕緣材料表面的最短距離）。任何情況下，爬電距離都不應小于相應的最小電氣間隙，即b≥a。最小電氣間隙由所在系統的額定沖擊耐受電壓決定。比如，當額定沖擊耐受電壓為6kV時，電氣間隙最小為5.5mm，即a≥5.5mm。低壓開關柜的產品標準《低壓成套開關設備和控制設備第1部分：總則》（GB/T7251.1—2013）的10.9.3.5條規定，如果電氣間隙達到了標準規定的最小電氣間隙的1.5倍，則可以免除沖擊耐受電壓試驗，只需用測量的方法進行電氣間隙的驗證即可。最小爬電距離由額定絕緣電壓、環境污染等級和材料組別三者共同確定。例如，在額定絕緣電壓為690V、環境污染等級為3、材料組別為Ⅱ的條件下，最小爬電距離為9mm；而材料組別為Ⅲa的條件下，最小爬電距離為10mm。由此可以看出，材料組別越高，需要的最小爬電距離越小，結構可以設計得越緊湊。材料組別分類如表1所示[1]。在進行結構設計時，A、B、C三相導體間要保持一定的電氣間隙和爬電距離，否則會被擊穿，造成短路甚至火災等事故。因為電氣間隙a最小要求為5.5mm，爬電距離b最小要求為9mm（假設選擇材料組別為Ⅱ）。為了同時滿足最小a和最小b的要求，要么將電氣間隙放大到9mm，要么將灰色的絕緣材料的表面由平面設計改為凸起表面設計，以增加爬電距離到9mm，如圖2（b）所示，虛線部分相加為爬電距離。如果選擇電氣間隙≥1.5×5.5=8.25mm，那么就可以免做沖擊耐受電壓的試驗。因此，選擇電氣間隙≥9mm，則同時可以滿足最小爬電距離的要求，還可以免做沖擊耐受電壓的試驗。在實際結構設計時，要從整體出發多方權衡到底選擇多大尺寸。

2耐熱性能的要求對絕緣材料選擇的影響

電氣設備運行時，除了承受工作電流，有時還會承受各種過電流，例如短路造成的過電流等。只要有電流流過，導體就會發熱，溫度就會升高，因此，絕緣材料的耐熱性能要考慮正常發熱和非正常發熱情況下的耐受能力。此外，絕緣材料的絕緣性能與溫度也有著密切的關系，溫度越高，絕緣材料的絕緣性能越差。為保證絕緣強度，每種絕緣材料都有一個適當的最高允許工作溫度，在此溫度以下，材料可以長期安全地使用，超過這個溫度就會加速老化。在國家標準《電氣絕緣耐熱性和表示方法》（GB/T11021—2014）中，絕緣材料的最高允許工作溫度被稱為耐熱等級。從絕緣材料的耐熱等級（表2）可知，A級絕緣材料在最高105℃的溫度下就可以長期安全地使用。通常在選擇絕緣材料的耐熱等級時會考慮高一級的材料，也就是留有一定的裕量。絕緣材料耐熱性能直接影響低壓開關柜的結構設計。最新的國家標準GB/T7251.1—2013中表6規定了低壓開關柜的溫升限值要求，即在周圍空氣平均溫度不超過35℃時的限值。例如：用于連接外部絕緣導線的端子的溫升不能超過70℃，加上周圍空氣溫度35℃，也就是連接外部絕緣導線端子的溫度不能超過105℃。因此，在選擇用于連接外部絕緣導線端子處的絕緣材料時，選擇A級絕緣材料就可以滿足要求。但在實際使用中，也可以選擇E級絕緣材料，使其具有更高一級的安全系數。上面講述的是正常發熱情況下絕緣材料的溫度選擇，在非正常發熱情況下，比如在短路時導體能夠產生高達200～250℃的溫度，那么絕緣材料就要選擇短時耐熱溫度超過200～250℃的。另外，過電流是一種能夠產生較大熱量甚至導致著火的非正常條件下的電流，因此，絕緣材料還需要有一定的能夠耐受由于過電流引起的非正常發熱和著火的能力。通常用灼熱絲耐熱試驗來衡量絕緣材料耐受非正常發熱和著火的能力。對于需要在其上直接安裝載流部件的絕緣材料，要求能夠耐受960℃的灼熱絲頂部溫度；對于嵌入墻內的外殼，要求耐受850℃；對于其他部件，包括要安裝保護導體的部件，要求耐受650℃[1]。因此，對于耐熱性能的要求，在選擇絕緣材料時，要考慮絕緣材料的長期工作溫度或耐熱等級、短時耐熱溫度和灼熱絲耐受溫度。

3電動力對絕緣材料機械強度的影響

在正常工作條件下，低壓開關柜運行時通常只受到重力及結構應力的作用；在非正常條件下，比如短路時，會受到熱應力和電動力的綜合影響，比如母線夾在短路時就要承受由于短路引起的電動力。母線夾之間的距離與電動力有很大的關系，通常通過計算和短路試驗來驗證母線系統的動熱穩定性。如某母線系統，選擇矩形銅導體截面尺寸為60mm×10mm，A、B、C三相之間的相間距c=200mm，母線夾之間的距離L=600mm，三相預期短路峰值電流Ipk=73.5kA。可以先用計算的方法來驗證該導體的固有頻率及最大電動力，再用短路試驗來進一步驗證可靠性。計算過程如下：

4設計時絕緣材料其他性能的選擇

低壓開關柜里的許多零部件結構并不復雜，比如母線系統、母線夾、絕緣子等，一般選用熱固性塑料，比如BMC、SMC或者電工膠木等，這些原材料里通常含有玻纖，因此強度很高，又有很好的耐熱性（耐熱等級通常為F級），絕緣強度高，得到了廣泛應用。低壓開關柜里也有一些結構比較復雜的零部件，比如多功能板、抽屜里的一次插座等絕緣支撐件，通常選用熱塑性塑料，比如尼龍加玻纖等，此種塑料的流動性好，模具加工較容易，機械強度高，還可以添加合適的阻燃劑起到很好的阻燃作用。在實際設計中，有時還要考慮環保要求，尤其是在碳達峰、碳中和的戰略背景下，要選擇環保材料，比如低煙無鹵阻燃的材料等，適應時代發展的需求。

5結語

總之，絕緣材料是低壓開關柜的重要組成部分，在進行絕緣材料選型及設計時，要綜合考慮上述各方面的影響，通過正確的原材料選擇、合理的結構設計和必要的試驗驗證，選擇既能滿足功能、性能要求，又易于獲得，加工工藝性好、性價比高，同時還兼顧環保要求的材料。

[參考文獻]

[1]低壓成套開關設備和控制設備第1部分：總則：GB/T7251.1—2013[S].

[2]電氣絕緣耐熱性和表示方法：GB/T11021—2014[S].

[3]苗世洪，朱永利.發電廠電氣部分[M].5版.北京：中國電力出版社，2015.

作者：竇娟娟 單位：廈門ABB低壓電器設備有限公司