船用中压变频器电气间隙和爬电距离的应用研究

代 科，郑海滨，尹传涛，李 洁



船用中压变频器电气间隙和爬电距离的应用研究

代 科1，郑海滨2，尹传涛1，李 洁1

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 青岛海西电气有限公司，山东青岛 266555）

电气间隙和爬电距离的设计对船用中压变频器的安全有着非常重要的作用。本文以基于IGCT的3300 V船用中压变频器为例，首先分析影响电气间隙和爬电距离的安全工作电压，其次对比IEC、国标和船级社规范中关于电气间隙和爬电距离的差异，并对IGCT功率模块进行冲击电压试验，验证其电气间隙和爬电距离满足船用环境要求，最后设计过电压保护电路以增强电气间隙和爬电距离的安全性。

中压变频器 电气间隙 爬电距离 船级社规范

0 引言

当今世界，能源成为全球关注的重点，节能与环保成为发达国家和发展中国家共同关注的话题。船舶电力推进技术的应用比内燃机推进耗油减少10 %左右，充分体现了“绿色船舶”的环保节能理念。

船用中压变频器是大型船舶电力推进系统的核心设备，其电气安全性和可靠性至关重要。船舶空间较小，虽然要求设备的功率密度越高越好，但仍需确保中压变频器的安全电气间隙和爬电距离。

1 安全工作电压设计

安全工作电压是电气间隙和爬电距离设计的依据，决定中压变频器的电气绝缘性能。交直交变频器的安全工作电压分为直流安全工作电压和交流安全工作电压。直流安全工作电压按照额定直流工作电压的1.1倍设计，交流安全工作电压有效值的峰值按照直流母线电压最大值设计。

本文对基于IGCT三电平拓扑电路的船用中压变频器电气间隙和爬电距离进行应用研究。变频器输出电压3300 V，采用集成门极换流晶闸管（IGCT）作为主功率器件。

1.1 直流安全工作电压

直流额定工作电压计算如下：

直流正负母线安全工作电压：

根据三电平电路的工作原理可知，正对中性点母排和中性点对负母排的安全工作电压（同时也为功率器件承受的最大直流电压）为：

1.2 交流安全工作电压

交流安全工作电压：

综上所述，三电平中压变频器拓扑电路的最小电气间隙和爬电距离取决于半母线电压的稳定值和功率器件的关断峰值。

2 电气间隙和爬电距离的设计

中压变频器的电气间隙和爬电距离不仅取决于电气设备的安全工作电压，而且因设备使用环境的污染程度（如尘、污、水等）和供电网络及自身过电压（如开关瞬间、雷电等）的影响而不同。

2.1 污染等级和过电压类别选择

污染等级：通常只有干性、不导电的污染。偶尔当设备闲置时因污染堆集也可能会临时性导电。

过电压类别（）：电路中具有内部和外部过电压保护且只能出现有限的过电压，其原因为不直接与接触网相连、内部操作、处于一个设备或装置内。

2.2 相关标准规范对电气间隙和爬电距离的要求

基于IGCT三电平拓扑电路的3300 V船用变频器的直流侧电气间隙和爬电距离的边界条件如下：

3）设备使用环境的污染等级；

4）设备使用的过电压类别;

因目前没有特别针对船用中压变频器的相关规范，因此查阅IEC、UL、国标和船级社规范，由于各个标准对电气间隙和爬电距离讲解的详细程度各不同，电气间隙和爬电距离也不相同，见表1。

表1 电气间隙和爬电距离

IEC60077-1:1999标准适用轨道交通；DNV和CCS规范中《交流高压电气装置特殊要求》章节的要求主要针对中压配电板和断路器等配电设备。

功率器件IGCT(5SHY35L45xx)如图1所示，其中门极位于固定压板和阴极之间，固定压板为导电材料。固定压板与阴极同电位，因此阳极和阴极的电气间隙H实测约11.5 mm，阳极到阴极之间为波浪形绝缘陶瓷体，测量最小爬电距离约为34 mm，满足表1中的1、3、4项，不满足2、5、6项，则应进行相应的冲击电压试验。

2.3 冲击电压试验

2.3.1进行冲击电压试验的必要性

中国船级社《钢质海船入级规范》中，第4篇第2章第14节《交流高压电气装置特殊要求》对电气间隙和爬电距离的要求：

图1 IGCT(型号5SHY35L45XX)实物照片

1）通常对未经型式试验的设备，额定工作电压3（3.3）kV，其非绝缘部件间的相对相和相对地之间的电气间隙应不小于55 mm。如电压为所列额定电压的中间值，则应取电压高的这一档次值；如电气间隙低于所列值，则应进行相应的冲击电压试验。

2）带电部件之间及带电部件与接地金属部件之间的爬电距离，应符合相关IEC出版物关于系统的额定电压、绝缘材料特性和开关及故障时产生瞬间过电压的规定。

2.3.2冲击电压试验的电压值设计

1）三电平电路拓扑中设计过电压抑制电路，使得关断峰值电压不超过4500 V，实测波形如图2所示；

图2 IGCT关断实测波形

2）IEC标准中明确DC2800V工作电压的电气间隙不小于5.5 mm，其对应的冲击电压应为6 kV。

综上所述，虽然5SHY35L45xx器件的电气间隙为11.5 mm，但因其最大关断峰值电压限制，冲击电压值设计为6 kV。

2.3.3试验方法和试验结果

1）试验方法

试验前检查，用万用表二极管档测量IGCT器件的阳极对阴极为断态，阴极对阳极为二极管导通压降，同时IGCT驱动板接通控制电源，驱动板工作指示灯正常。

图3 基于IGCT(5SHY35L45XX)的功率模块

功率模块置于温湿度箱内，温度保持40 ˚C±5 ˚C，相对湿度为95 %，在任一个IGCT对应的阳-阴极散热器上施加峰值为6 kV和持续时间1.2/50 μs的冲击电压3~5次进行冲击电压试验。

2）试验结果分析

由于试验设备的偏差，浪涌抗扰度试验装置电压设置6 kV，示波器测试电压6.4 kV，见图5。试验过程中未发生放电现象，试验后检查器件的功能状态与试验前一致。

试验结果表明，电气间隙11.5 mm和爬电距离34 mm为该电压等级下的最小电气间隙和最小爬电距离。

综上所述，船用中压变频器电气结构设计中半母线之间裸排以及带电体和非带电导体之间的电气间隙不小于为11.5 mm，以及爬电距离不小于34 mm，正负母线和交流输出的电气间隙和爬电距离加倍。

图5 示波器采集冲击电压波形

3 过电压保护电路的设计

船用中压变频器的电气间隙和爬电距离不仅取决于设备的使用环境和系统的过电压类别，而且也必须设计合理的过电压保护电路，维持母线电压的稳定，才能提高设备绝缘性能。

基于5SHY35L45XX的三电平船用中压变频器的半直流母线电压峰值不大于4500 V，过电压保护电路设计主要包括：

设计母排间的过电压吸收装置RZ1和RZ2（如图5所示），母线U或U电压尖峰超过4.5 kV时，吸收装置动作；

设计制动单元BU（如图6所示）吸收变频器负载快速降速或制动的反馈能量，限制直流母线电压不超过2800 V；

设计IGCT关断过电压吸收电路IU（如图5所示）中的LCRD，限制IGCT关断过电压峰值不超过4500 V，降低器件因过压失效的风险。

图6 电气原理图

4 结论

本文分析了影响船用中压变频器电气间隙和爬电距离的安全工作电压、污染等级和过电压类别等相关因素，并以基于IGCT的3300 V变频器为例进行电气间隙和爬电距离设计，对其小于船级社规范要求的电气间隙和爬电距离的功率模块进行冲击电压试验，结果表明该电气间隙和爬电距离满足船用环境要求。

[1] IEC61800-5-1:2007, Adjustable speed electrical po-wer drive systems Part 5-1: Safety Requirements Electrical, thermal and energy;

[2] IEC60077-1:1999, Railway applications Electric e-quipment for rolling stock Part1: General service conditions and general rules;

[3] UL840-2000, Insulation Coordination Including Cl-earances and Creepage Distances forElectrical Eq-uipment.DNV: Offshore Standard DNV-OS-D201 Electrical Installations, OCTOBER 2008, Sec7Semi-conductorConverters.

[4] GB/T16935.1-2008, 低压系统内设备的绝缘配合, 第1部分: 原理、要求和试验.

[5] 高电压试验技术: GB/T 16927.1, 1997.

[6] 电气装置: CCS钢制海船入级规范第4分册, 第4篇, 2012.

Application and Research of Clearance and Creepage Distance on the Basis of Marine Medium Voltage Inverter

Dai Ke1, Zheng Haibin2, Yin Chuantao1, Li Jie1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Qingdao Haixi Electric Co. Ltd., Qingdao 266555, Shandong, China)

3300

TN773

A

1003-4862（2018）11-0001-04

2018-04-19

代科（1981-），男，高级工程师。研究方向：船舶电气及其控制。E-mail: alisonfeed@163.com