IECEE-CTL比对试验中爬电距离的分析和测量

阿宇

由IECEE-CTL能力验证项目提供方IFM Quality Services公司组织实施了编号为07e30的比对试验，目的是为了考核参加该项目的检测实验室的技术能力，是否能正确应用IEC 60664-1标准(对应国标GB/T 16935.1-1997)的4.2条款以及相关CTL决议的内容，进行正确的爬电距离的分析和测量，IEC 60664-1标准的4.2条款是电气间隙和爬电距离测量的基本要求，在IECEE-CB体系的若干电子产品安全标准中均加以采用，如IEC 60950(GB 4943)、IEC 60065(GB8898)、IEC 61010(GB9706)、IEC 60745-1(GB3883.1)、 IEC61558-1(GB19212.1)等标准。因此，具备相关检测范围能力的CB实验室均被要求参加此项比对试验项目。
在07e30项目中有这样一个测试题目，要求对印制板上的导电图形T4和T5之间的爬电距离进行分析和测量，见图1。
IECEE-CTL比对试验中爬电距离的分析和测量.gif
图中H4、H5为圆开孔，浅蓝色楔状区域是顶角为45°的沟槽。针对这个题目的解答，大多数测试实验室给出了满意的测量结果，但是在分析爬电距离的路径时，只有极少数实验室做出了完全正确的路径分析。本文就07e30比对实验题目进行详细的分析和解答。

该题目主要是考核实验室在分析测量爬电距离时所需要掌握的80°角规则(沟槽桥接规则)，以及正确选择短接尺寸的数值。样品中的楔状沟槽的顶角为45°，小于80°，根据DSH-590号CTL决议单的要求，此时测量涉及该沟槽的爬电距离时应当应用桥接规则，用短接尺寸“X”进行桥接。“X”的值根据测试样品所处环境的污染等级的不同，以及所要求的电气间隙值的情况，有不同的取值
：0.25mm，1.0mm，1.5mm，或1/3电气间隙值和相应取值的较小者。

在参与者提交的比对实验结果中，大部分实验室均正确应用了上述规则，选择了用短接尺寸“X”对沟槽进行短接，并根据题目要求确定了正确的“X”值，但是在确定短接尺寸在沟槽中的位置时，由实验室提交的爬电距离路径示意图显示，绝大多数只是简单地选取了垂直于楔角中线的位置，即在图1中显示的经过O、P两点的蓝色路径，此时短接线段OP与楔状沟槽底边的夹角为
67.5°。而实际上只有极少数的实验室给出了正确的路径，即在短接线段OP与底边夹角为63.4°时，才能得到T4与T5间最短的爬电距离。这个角度是如何得到的呢？

笔者通过相应的数学计算，给出了一种确定正确的最短爬电距离路径的方法，下面借助示意图（图2、图3）进行相关的分析和推导。　　
IECEE-CTL比对试验中爬电距离的分析和测量1.gif
为方便理解和表示，在比对实验项目的图中补充坐标系，因为楔形沟槽的顶角为45°，所以沟槽斜边与横、纵坐标轴交点可以确定为(A,0)和(0,A)两点，应用80°角规则采用短路桥接后的爬电距离可以用红色路径表示(l+m+n)，其中m值即标准中提到的“X”，将OP与横坐标轴的夹角α定义为变量，在α角不同的取值下，得到不同的爬电距离路径，目的就是要确定在α角取何值时才能得到最短的爬电距离路径。

在图2中：

数值A和距离H，均可依靠测量得到具体数值，为已知量。

线段OP长度为m即根据题目条件确定的短接尺寸“X”，也是已知量。

B点为线段n的反向延长线，PB垂直于横坐标轴。

因为处于等腰直角三角形的两边，所以PB与B点到(A，0)点距离相同。

因此可得：

爬电距离(Cr.)＝l+m+n

其中 l =A－m·sin(α)－m·cos(α)

n =H－m·sin(α)

因此，

Cr. ＝A－m·sin(α)－m·cos(α)+m+ H－m·sin(α)

＝H+A+m－m[2 sin(α)+cos(α)]

因为H，A，m值均为已知量，可以看出：

当2 sin(α)+cos(α)存在最大值时，才能得到最小爬电距离。

为确定α取值范围，根据图二可以由楔状开槽的边界限制可知角α∈(0， 3/4 )，

当任选一角度α>/2时，见示意图3。此时爬电距离为沿O2、P两点的蓝色路径，可以看到存在一点O1，它是点O2沿垂线PB的对称点，这时沿点O1、P红色路径的爬电距离要小于蓝色路径，此时角α′＝(－α)<
/2，由此可确定当α> /2时无法得到最小爬电距离，因此，爬电距离确定最小值时，可知角
α∈(0， /2]。

设函数f(α)=2 sin(α)+cos(α)，因为α∈(0，/2]，所以f(α)在此区间连续且可导。

对f(α)进行一阶求导：

f(α)′＝[2 sin(α)+cos(α)] ′=2 cos(α)－sin(α)，当f(α) ′＝0时，f(α)存在拐点，也就是存在极值，为确定此时函数的极值是否是最大值，对f(α)进行二阶求导：

f(α)′′
＝[2 cos(α)－sin(α)]′
＝－2 sin(α)－cos(α)，

在α∈ (0， /2]的区间f(α)
′′<0，因此f(α)′＝0时，f(a)存在最大值。

此时2 cos(α)－sin(α)＝0，
α=arctg 2＝63.4°

至此，可以得出：

在最小爬电距离时正确的短接路径，不是垂直于楔角中线，而是与底边夹角为63.4°的路径。

下面再比较一下采用这两种路径时爬电距离值的理论差值：

理论差值＝H+A+m－m·f(67.5°)－[H+A+m－m·f(63.4°)]

＝m·[2 sin(63.4°)+cos(63.4°)- 2 sin(67.5°)+cos(67.5°)]

＝0.0057·m
IECEE-CTL比对试验中爬电距离的分析和测量2.gif
在m(也就是“X”)为最大取值1.5mm时，这两种路径的理论差值＝0.0086mm。

这里再提一下IEC-CTL指南001
——电工领域合格评定活动中测量不确定度的应用，在指南中给出了在使用游标卡尺进行距离类测量时，测量不确定度为
0.15mm，远大于这两种路径下进行测量的理论差值。因此，此次比对试验的报告征求意见时，CTL相关工作组成员对采用垂直于楔角中线位置的路径的测量结果也建议给予认可，但是应用这种测量路径的实验室，从对最小爬电距离的正确分析角度出发，还是需要加以改进的。

紫罗兰

详尽资料,收藏了