Krypström i en kopplingsdosa: Varför 1500 V förändrade designen

Snabbt svar: Krypsträcka är den kortaste vägen längs en isolatoryta mellan två ledare. Luftavstånd är den kortaste vägen genom luft. De fallerar av olika skäl, så en ritning som uppfyller det ena kan fallera på det andra, och på en 1500 V-modul är det ytvägen som ställer till problem. Inuti en kopplingsdosa hämtas siffran inte från ett datablad: den läses från driftspänning, föroreningsgrad och materialets spårningsindex, och fördubblas sedan för förstärkt isolering. Vid 1600 V-nivån behöver en dosa i materialgrupp I vid föroreningsgrad 2 8 mm för grundisolering och 16 mm för förstärkt isolering. Byt till grupp III vid föroreningsgrad 3 och samma krav blir 25 mm och 50 mm. En handflatestor dosa kan inte rymma 50 mm, vilket är varför ingjutning och materialval är strukturella beslut, inte avslutande steg.

Varje kopplingsdosa levereras med en typprovningsrapport, och den rapporten innehåller ett mätblad med två kolumner som ser ut att vara utbytbara. Det är de inte, och att läsa dem som en är hur en 1000 V-konstruktion får en ny etikett.

Två siffror som skyddar mot olika fel

Luftavstånd är luftgapet. Det finns för att stoppa ett överslag: en blixtstöt, en kopplingstransient eller ett systemfel lägger en snabb hög spänning över gapet, luften joniseras och en ljusbåge överbryggar det. Luftavståndet beror därför på stötspänningstålighet och på höjd över havet, eftersom tunnare luft bryter igenom tidigare. Det beror inte på vad plasten är gjord av.

Krypsträcka är ytvägen. Den finns för att stoppa spårning: damm, salt och kondenserad fukt bildar en svag ledande film på ytan, små urladdningar löper längs den, polymeren förkolnas i en smal linje, och den linjen blir en ledande väg som inte försvinner. Drivkraften här är den långvariga driftspänningen och hur smutsig ytan blir, plus materialets motstånd mot spårning.

Den praktiska konsekvensen är en regel som är lätt att formulera och lätt att glömma: för samma par av ledare är krypsträckan aldrig mindre än luftavståndet. Ytvägen går runt det luftgapet korsar. Om din ritning visar krypsträcka under luftavstånd mäter du en av dem fel, oftast genom att ta en genväg över ett spår som standarden säger måste överbryggas.

Tre variabler, en tabell

IEC 62790 täcker kopplingsdosor för fotovoltaiska moduler upp till 1500 V DC konstruerade som klass II, det vill säga med dubbel eller förstärkt isolering. Siffrorna i sig kommer från basstandarden för isolationskoordinering, IEC 60664-1, och de läses från en tabell med tre indata.

• Driftspänning. Den långvariga spänningen mellan de två ledarna, tagen som DC-värdet. Högre spänning upprätthåller en yturladdning lättare, så det erforderliga avståndet växer. Att gå från ett 1000 V-system till 1500 V är ett steg till en ny rad i den tabellen, inte ett litet tillägg inom en rad.
• Föroreningsgrad. Ytans mikromiljö. Grad 1 betyder ingen förorening eller endast torr, icke-ledande förorening. Grad 2 betyder normalt icke-ledande förorening med tillfällig temporär ledningsförmåga från kondensation. Grad 3 betyder ledande förorening, eller torr förorening som blir ledande när den kondenserar. En exponerad utomhusyta är grad 3; ett väl tätat inre bedöms ofta som grad 2.
• Materialgrupp. Det jämförande spårningsindexet, den spänning en yta tål under upprepade droppar elektrolyt innan en spårningsväg bildas. Grupp I är 600 och över, grupp II är 400 till 600, grupp IIIa är 175 till 400, grupp IIIb är 100 till 175. Ett högre index ger ett kortare avstånd.

Sedan kommer isoleringstypen. En spänningsförande del till en berörbar yta är förstärkt isolering, och dess erforderliga krypsträcka är i allmänhet dubbelt så stor som grundvärdet. Sätt samman de tre variablerna och isoleringstypen och du får tabellen nedan, för 1600 V-nivån som ett 1500 V-system vanligtvis hamnar i.

Värden enligt tabellen i källartikeln för 1600 V-nivån i IEC 60664-1, med förstärkt isolering vid dubbelt grundvärde och grupp III läst som IIIa. Betrakta dem som kravets form, inte som en ersättning för standardens aktuella utgåva.

Läs det nedre högra hörnet först. En dosa med lågt spårningsindex, med spänningsförande delar exponerade för en grad 3-miljö, och med krav på förstärkt isolering, behöver 50 mm ytväg. Det finns ingen anordning av ribbor inuti en kopplingsdosa som åstadkommer 50 mm ärligt. Den enda cellen förklarar de flesta designbeslut i produktkategorin.

Samma krav, ritat på sex sätt

Ett krav, sex svar. Samma 1600 V driftspänning behöver 8 mm i den övre vänstra cellen och 50 mm i den nedre högra, innan någon tolerans för mätning.

Poängen med matrisen är inte siffrorna utan deras spann. Mellan den övre vänstra cellen och den nedre högra cellen växer kravet med mer än sex gånger, vid identisk driftspänning. Ingenting hos modulen förändrades. Det som förändrades är var ytan sitter och vad den är gjord av, och båda dessa är val som görs på en ritning och i ett materialspecifikationsblad.

Var vägarna faktiskt löper i en dosa

En kopplingsdosa är liten, så intuitionen säger att avstånden är korta och problemet trivialt. I praktiken finns det tre klasser av vägar, med tre olika krav, och bara en av dem är vanligtvis den svåra.

• Spänningsförande del till yttre yta. Från en terminal eller samlingsskena, genom det inre, genom eller runt kroppen, till utsidan av höljet och backsheetets monteringsyta. Detta är isolering till jord och bedöms som förstärkt. Det är den väg som oftast blockerar en konstruktion, eftersom den måste lämna dosan.
• Terminal till terminal. Intilliggande terminaler sitter på varsin sida av en bypass-diod, som skyddar en delsträng, så potentialskillnaden är som mest tiotals volt. Detta är funktionell isolering och dess krav är mycket lägre. Det är sällan begränsningen, även om det är den väg folk mäter först eftersom den är lättast att se.
• Kabelutgång, tätning och lockfog. Vanligtvis inte den kortaste vägen, men dessa är de vägar genom vilka fukt och föroreningar tränger in. De avgör vilken föroreningsgrad det inre kan bedömas vid, så de sätter kravet för allt annat. Ett perfekt 16 mm inre inuti en dosa som andas är ett 40 mm-krav i förklädnad.

Mätning har sin egen konvention, och det är där ritningar går fel tyst. När vägen korsar ett spår räknas inte varje spår. Om spåret är smalare än den angivna bredden X, överbryggar förorening det, och vägen tas rakt över spårets mynning. Endast ett spår bredare än X bidrar med sina väggar och sin botten till den uppmätta vägen. X följer föroreningsgraden: cirka 1,0 mm vid grad 2 och cirka 1,5 mm vid grad 3. Ribbor och slitsar inuti dosor finns just för att förlänga ytvägen inom en fast volym, och en ribba smalare än X har inte gjort någonting alls.

Potting är ett beslut om föroreningsgrad

Gå tillbaka till matrisen och notera vilka variabler du faktiskt äger. Driftspänningen bestäms av systemet. Yttermåtten bestäms av modulen, backsheetutrymmet och materiallistan. Det lämnar två spakar: materialet och föroreningsgraden. Produktionsdosor drar i båda samtidigt.

Materialspaken innebär att välja en kompound med högt tracking-index, vanligtvis en modifierad PPO- eller PC-kvalitet. Haken är att indexet är en egenskap hos formuleringen, inte hos polymerfamiljen: flamskyddsmedel, fyllmedel och till och med färgämnen påverkar det, och samma kvalitet i en annan färg eller från en annan sats kan hamna i en annan grupp. En materialkvalificering som kopierar databladets värde och hoppar över tracking-testet har inte kvalificerat någonting.

Föroreningsspaken är där potting kommer in i argumentet. En potting-kompound som helt täcker de spänningsförande delarna tar bort ytan från kontakt med luft och fukt, vilket gör att föroreningsgraden i den regionen kan bedömas mycket lägre. I gränsfallet är kravet inte längre en ytväg alls utan fast isolering genom kompounden. IEC 62790 kräver att varje sänkning av föroreningsgraden genom beläggning eller potting uppfyller villkoren i dess bilaga B, och principen bakom kommer från IEC 60664-3; 2020 års utgåva lade också till avstånd genom cementerade fogar i sin tabell 3.

Det omformulerar vad limfogen är till för. Potting beskrivs vanligtvis som fuktskydd och värmeledning. I isoleringsargumentet är det också det som skriver om föroreningsgraden, och det skriver bara om den så länge kompounden är intakt och vidhäftad. En hålighet, ett krymhålrum eller en lossnad fläck längs en terminal minskar inte isoleringsprestandan med en procent. Den återinför lokalt den ytväg du trodde att du hade tagit bort, vid det fulla grad 3-kravet, på en plats ingen mäter.

Vad potting måste överleva för att behålla den krediten

Eftersom krediten är villkorad är acceptanskriterierna för potting elektriska snarare än kosmetiska, och de måste skrivas så på processbladet.

På vår linje utvärderar vi pottade kopplingsdosor genom att köra dielektriska hållfasthets- och isolationsresistansprov upp till 1500 V, och bekräftar att inga inre håligheter eller härdningsdefekter äventyrar den erforderliga elektriska isoleringen.

• Täckning och fyllnadshöjd. Varje spänningsförande del som isoleringsargumentet bygger på måste vara under kompound, vid angiven höjd, på varje enhet. Vikt eller volym per skott är den billiga approximationen; ett tvärsnitt på en förstaprodukt är den ärliga kontrollen.
• Håligheter och krymhålrum. Blandningsförhållande, avgasning och härdningsprofil avgör dessa. En tvåkomponents mät- och blandningsdispenser som håller förhållandet inom en angiven tolerans är det som gör argumentet repeterbart, vilket är varför fyllningsstationens mätnoggrannhet är en isoleringsparameter och inte bara en kostnadsparameter.
• Vidhäftning till kropp och terminal. Kompounden måste förbli fäst genom fuktig värme och termisk cykling. När den väl släpper är ytan tillbaka, och konstruktionsmarginalen försvinner med den.
• Bevis efter åldring. Krediten hävdas efter åldringssekvensen, inte före. Om kvalificeringsrapporten endast visar potting-vidhäftning före fuktig värme, är siffran i tabellen ännu inte din.

Varför en 1000 V-dosa inte blir en 1500 V-dosa

Den dyraste versionen av detta misstag är kommersiell: ta ett kvalificerat 1000 V-hölje, tryck en ny etikett, skicka det in i ett 1500 V-system. Spänningssteget flyttar kravet till en ny rad i tabellen, och den befintliga geometrin, den befintliga materialgruppen och den befintliga potting-layouten var alla optimerade för den gamla raden. Ibland klarar konstruktionen fortfarande provet; det enda sättet att veta är att göra om ytmätningen vid den nya spänningen och köra om de relevanta testerna. Samma logik gäller ett steg upp: rörelsen mot 2000 V-system förändrar inte bara cell- och moduldesign, den öppnar om isolationskoordinationsfilen för varje komponent på DC-sidan.

Det spelar också roll vilken kvalificering du står på. IEC 61215 och IEC 61730 bevisar olika saker, och ingen av dem ersätter den andras konstruktionskrav. Isolationskoordination ligger på 61730-sidan, i konstruktionsgranskningen, och mätbladet är bevis för den granskningen snarare än för prestanda. Om själva standardhierarkin är oklar i din organisation är förhållandet mellan IEC, UL, GB/T och koncernstandarder värt att reda ut före nästa produktändring.

För att uppfylla IEC 61730:s inspektionspunkter verifierar vi färdiga moduler med säkerhetstestsekvenser som kombinerar hipot-, isolationsresistans- och våtläckagemätningar vid varje produktionskörning före slutlig packning.

Vad vi skulle kontrollera före nästa bygge

Fem kontroller, i den ordning som hittar problem billigast.

• Läs kravet från ritningen, inte från rapporten. Ta den faktiska värsta tänkbara vägen från spänningsförande del till berörbar yta, tillämpa spårregeln med rätt X och jämför med tabellcellen som matchar din deklarerade föroreningsgrad och materialgrupp. De flesta fel hittas här, på papper, gratis.
• Verifiera spårningsindexet per batch och per färg. Begär spårningstestet på den faktiskt levererade massan, inte på ett familjedatablad. Registrera gruppen i inkommande kontrollplan och behandla ett färgbyte som ett nytt material.
• Inspektera gjutbeläggningen på ett snitt. En first-off per skift, kapad och fotograferad, med fyllnadshöjd och kriterier för hålrum nedskrivna. Kosmetisk inspektion av utsidan av en box säger ingenting om insidan.
• Testa isoleringen elektriskt, varje enhet. Ett dielektriskt hållfasthets- och isolationsmotståndstest i slutet av linjen är den enda kontrollen som ser den monterade artikeln. Utrustning som CHT9980A säkerhetstestare finns för exakt denna grind, och testgränserna bör komma från konstruktionskravet, inte från en vana ärvd från en äldre produkt.
• Behåll beviset för fogen med produkten. Gjutningen och terminalen svetsas på samma linje, och ett lödsteg med registrerad profil är vad som låter dig senare hävda att ytan under massan var ren när den täcktes. Föroreningar under gjutning är osynliga och permanenta.

Var dessa siffror kommer ifrån

De sex värdena i matrisen, materialgruppens gränser och spårbredderna X kommer från källartikeln, som tabellerar dem för 1600 V-nivån i IEC 60664-1 och noterar att förstärkt isolering tas som två gånger basvärdet och grupp III som IIIa. Standardnumren och deras omfattning (IEC 62790 för kopplingsdosor, IEC 60664-1 för isolationskoordinering, IEC 60664-3 för beläggning och gjutning, IEC 61730-1 för modulkonstruktion) är som citerat där.

Vad som är vårt: tolkningen av matrisen som ett designrumsargument, ordningen på de fem kontrollerna och påståendet att gjutning är ett beslut om föroreningsgrad innan det är ett beslut om vattentäthet. Det påståendet följer av Annex B och IEC 60664-3, men formuleringen är vår tolkning och ditt certifieringsorgan har sista ordet. Vi har inte mätt boxarna på fotona, och inget tal här kommer från ett test vi kört.

FAQ

F: Är krypavståndet alltid större än luftavståndet?

För samma par av ledare, ja. Ytvägen måste färdas runt vad luftvägen korsar, så den kan inte vara kortare. En ritning som visar något annat har ett mätfel, vanligtvis ett spår som räknats som borde ha överbryggats.

F: Vilken föroreningsgrad gäller inuti en gjuten box?

Det är poängen med gjutning: det täckta området kan bedömas vid en lägre grad, eller som fast isolering, förutsatt att villkoren i IEC 62790 Annex B är uppfyllda. Det otäckta området, och varje hålrum inuti massan, stannar vid den grad som dess miljö implicerar.

F: Låter ett högre spårningsindex mig alltid krympa boxen?

Det flyttar dig en kolumn i tabellen, vilket kan halvera kravet. Huruvida det blir en mindre box beror på resten av layouten och på om materialet fortfarande uppfyller de mekaniska och brandfarlighetsmässiga kraven vid det indexet.

F: Kan jag använda leverantörens rapport för min egen modulkvalificering?

Endast om rapporten täcker den exakta artikeln, den exakta materialgruppen och den exakta föroreningsgrad du deklarerar. En rapport för en 1000 V-box i en annan färg är bevis om en annan produkt.

F: Vad ändrar 1,0 mm- och 1,5 mm-spårregeln i praktiken?

Den avgör om en ribba räknas. En ribba smalare än X överbryggas av föroreningar och bidrar ingenting till den uppmätta vägen, så en layout full av tunna ribbor kan mäta långt kortare än ritningen antyder. Vid grad 3 är tröskeln den bredare av de två, vilket gör tunna ribbor ännu mindre användbara.

F: Varför är gjutningskvalitet en elektrisk fråga?

Eftersom isoleringskrediten beror på att massan är kontinuerlig och vidhäftad. Ett hålrum eller en släppning återinför en ytväg vid det fulla kravet för dess miljö, på en plats som ingen rutininspektion tittar på.

F: Ändrar 1500 V något för terminalerna?

Terminal till terminal är funktionell isolering och förblir vanligtvis enkel. Steget spelar roll för spänningsförande del till yttre yta, och för krypavståndet över kroppen och runt kabelutgången, vilket är där det förstärkta kravet landar.

F: Var passar modulsäkerhetsstandarden in?

IEC 61730-1 fastställer konstruktionskraven, inklusive isolationskoordinering, och IEC 62790 ger kopplingsdosan sina egna säkerhetskrav och tester. Mätbladet är bevis för konstruktionsgranskningen; prestandatestning enligt IEC 61215 svarar på en annan fråga.

Slutliga tankar

Krypavstånd ser ut som ett tal som ska mätas och är egentligen ett beslut som ska fattas. Driftspänningen kommer från systemet och dimensionerna kommer från modulen, så de två återstående hävstängerna är materialet och föroreningsgraden, och båda är avgjorda långt innan mätbladet fylls i. Fråga vilken föroreningsgrad och vilken materialgrupp en boxklassning kvalificerades under, och om gjutningen som stöder den överlevde fuktig värme intakt. Den frågan kostar ingenting och hittar de flesta problemen medan de fortfarande är på papper.

OOITech levererar CHT9980A och CHT9981A PV-säkerhetstestare för att utföra hipot-, isolationsmotstånds-, jordkontinuitets- och våtläckagetestning på produktionslinjer. Skicka dina kopplingsdosritningar, modulstackspecifikationer eller testprover till vårt ingenjörsteam för utvärdering och konfigurering av testparametrar.