Kruipstroom in een aansluitdoos: waarom 1500 V het ontwerp veranderde

Snel antwoord: Kruipafstand is het kortste pad langs een isolatoroppervlak tussen twee geleiders. Luchtspeling is het kortste pad door de lucht. Ze falen om verschillende redenen, dus een tekening die aan de ene voldoet kan aan de andere falen, en bij een 1500 V-module is het oppervlaktepad degene die problemen veroorzaakt. In een aansluitdoos wordt het getal niet uit een datasheet gehaald: het wordt afgelezen uit de bedrijfsspanning, de vervuilingsgraad en de trackingindex van het materiaal, en vervolgens verdubbeld voor versterkte isolatie. Op het 1600 V-niveau heeft een doos in materiaal van groep I bij vervuilingsgraad 2 8 mm nodig voor basisisolatie en 16 mm voor versterkte isolatie. Ga naar groep III bij vervuilingsgraad 3 en dezelfde eis wordt 25 mm en 50 mm. Een doos ter grootte van een handpalm kan 50 mm niet vinden, daarom zijn potting en materiaalkeuze structurele beslissingen, geen afwerkingsstappen.

Elke aansluitdoos wordt geleverd met een typekeuringsrapport, en dat rapport bevat een meetblad met twee kolommen die eruitzien alsof ze uitwisselbaar zijn. Dat zijn ze niet, en ze als één lezen is hoe een 1000 V-ontwerp een nieuw label krijgt.

Twee getallen die tegen verschillende storingen beschermen

Luchtspeling is de luchtspleet. Die bestaat om een flitsoverslag te voorkomen: een bliksemstoot, een schakeltransiënt of een systeemfout zet een snelle, hoge spanning over de spleet, de lucht ioniseert en een vlamboog overbrugt deze. Luchtspeling hangt daarom af van de stootspanning en van de hoogte, omdat dunnere lucht eerder doorslaat. Het hangt niet af van waarvan het plastic is gemaakt.

Kruipafstand is de oppervlakteroute. Die bestaat om tracking te voorkomen: stof, zout en gecondenseerd vocht vormen een zwak geleidend filmpje op het oppervlak, kleine ontladingen lopen erlangs, het polymeer verkoolt in een smalle lijn, en die lijn wordt een geleidend pad dat niet meer weggaat. De drijvende kracht hier is de langdurige bedrijfsspanning en hoe vuil het oppervlak wordt, plus de trackingweerstand van het materiaal.

De praktische consequentie is een regel die gemakkelijk te stellen en gemakkelijk te vergeten is: voor hetzelfde paar geleiders is de kruipafstand nooit kleiner dan de luchtspeling. De oppervlakteroute gaat om alles heen wat de luchtspleet oversteekt. Als je tekening een kruipafstand onder de luchtspeling toont, meet je een van beide verkeerd, meestal door een sluiproute te nemen over een groef die volgens de norm overbrugd moet worden.

Drie variabelen, één tabel

IEC 62790 behandelt aansluitdozen voor fotovoltaïsche modules tot 1500 V DC, ontworpen als klasse II, dat wil zeggen met dubbele of versterkte isolatie. De getallen zelf komen uit de basisnorm voor isolatiecoördinatie, IEC 60664-1, en ze worden uit een tabel afgelezen met drie invoerwaarden.

• Bedrijfsspanning. De langdurige spanning tussen de twee geleiders, genomen als de DC-waarde. Hogere spanning houdt een oppervlakteontlading gemakkelijker in stand, dus de vereiste afstand groeit. Van een 1000 V-systeem naar 1500 V gaan is een stap naar een nieuwe rij in die tabel, niet een kleine toename binnen een rij.
• Vervuilingsgraad. De micro-omgeving van het oppervlak. Graad 1 betekent geen vervuiling of alleen droge, niet-geleidende vervuiling. Graad 2 betekent normaal niet-geleidende vervuiling met af en toe tijdelijke geleidbaarheid door condensatie. Graad 3 betekent geleidende vervuiling, of droge vervuiling die geleidend wordt wanneer deze condenseert. Een blootgesteld buitenoppervlak is graad 3; een goed afgedicht interieur wordt vaak beoordeeld als graad 2.
• Materiaalgroep. De comparative tracking index, de spanning die een oppervlak weerstaat onder herhaalde druppels elektrolyt voordat een trackingpad ontstaat. Groep I is 600 en hoger, groep II is 400 tot 600, groep IIIa is 175 tot 400, groep IIIb is 100 tot 175. Een hogere index levert een kortere afstand op.

Dan komt het isolatietype. Een onder spanning staand deel naar een aanraakbaar oppervlak is versterkte isolatie, en de vereiste kruipafstand is doorgaans het dubbele van de basiswaarde. Zet de drie variabelen en het isolatietype bij elkaar en je krijgt de onderstaande tabel, voor het 1600 V-niveau waarop een 1500 V-systeem meestal uitkomt.

Waarden zoals getabelleerd in het bronartikel voor het 1600 V-niveau van IEC 60664-1, met versterkte isolatie op het dubbele van de basiswaarde en groep III gelezen als IIIa. Behandel ze als de vorm van de eis, niet als een vervanging voor de huidige editie van de norm.

Lees eerst de rechteronderhoek. Een doos met een lage trackingindex, met onder spanning staande delen blootgesteld aan een graad 3-omgeving, en die versterkte isolatie moet bieden, heeft 50 mm oppervlaktepad nodig. Er is geen enkele rangschikking van ribben in een aansluitdoos die op eerlijke wijze 50 mm produceert. Die ene cel verklaart de meeste ontwerpbeslissingen in de productcategorie.

Dezelfde eis, op zes manieren getekend

Eén eis, zes antwoorden. Dezelfde 1600 V bedrijfsspanning heeft 8 mm nodig in de cel linksboven en 50 mm rechtsonder, nog vóór enige tolerantie voor meting.

Het punt van de matrix zijn niet de getallen maar hun bereik. Tussen de cel linksboven en de cel rechtsonder groeit de eis met meer dan zes keer, bij identieke bedrijfsspanning. Niets aan de module is veranderd. Wat veranderd is, is waar het oppervlak zich bevindt en waarvan het is gemaakt, en beide zijn keuzes die op een tekening en in een materiaalspecificatieblad worden gemaakt.

Waar de paden in een doos daadwerkelijk lopen

Een aansluitdoos is klein, dus de intuïtie zegt dat de afstanden kort zijn en het probleem triviaal. In de praktijk zijn er drie klassen van paden, met drie verschillende eisen, en slechts één daarvan is meestal de moeilijke.

• Actief deel naar buitenoppervlak. Vanaf een aansluitklem of busbar, door het inwendige, door of rond het lichaam, naar de buitenzijde van de behuizing en het montagevlak van de backsheet. Dit is isolatie naar aarde en wordt beoordeeld als versterkt. Het is het pad dat een ontwerp het vaakst blokkeert, omdat het de doos moet verlaten.
• Klem naar klem. Aangrenzende klemmen bevinden zich aan weerszijden van één bypass-diode, die één substring beschermt, dus het potentiaalverschil bedraagt hooguit tientallen volts. Dit is functionele isolatie en de eis daarvoor is veel lager. Het is zelden de beperkende factor, ook al is het het pad dat mensen als eerste meten omdat het het gemakkelijkst te zien is.
• Kabeluitgang, afdichting en dekselnaad. Meestal niet het kortste pad, maar dit zijn de routes waarlangs vocht en verontreiniging binnendringen. Zij bepalen op welke vervuilingsgraad het inwendige kan worden beoordeeld, dus zij stellen de eis voor al het overige. Een perfecte 16 mm inwendige afstand in een doos die ademt is een 40 mm eis in vermomming.

Meten heeft zijn eigen conventie, en daar gaan tekeningen stilletjes de fout in. Wanneer het pad een groef kruist, telt niet elke groef mee. Als de groef smaller is dan de gespecificeerde breedte X, overbrugt verontreiniging deze, en het pad wordt recht over de monding van de groef genomen. Alleen een groef breder dan X draagt met zijn wanden en bodem bij aan het gemeten pad. X volgt de vervuilingsgraad: ongeveer 1,0 mm bij graad 2 en ongeveer 1,5 mm bij graad 3. Ribben en sleuven in dozen bestaan juist om de oppervlakteweg binnen een vast volume te verlengen, en een rib smaller dan X heeft helemaal niets gedaan.

Potting is een beslissing over de vervuilingsgraad

Ga terug naar de matrix en merk op welke variabelen je werkelijk bezit. De bedrijfsspanning wordt door het systeem bepaald. De buitenafmetingen worden bepaald door de module, de backsheet-ruimte en de stuklijst. Dat laat twee knoppen over: het materiaal en de vervuilingsgraad. Productiedoozen trekken beide tegelijk.

De materiaalknop betekent het kiezen van een compound met een hoge trackingindex, doorgaans een gemodificeerde PPO of een PC-kwaliteit. De valkuil is dat de index een eigenschap is van de formulering, niet van de polymeerfamilie: vlamvertragers, vulstoffen en zelfs kleurstoffen beïnvloeden hem, en dezelfde kwaliteit in een andere kleur of uit een andere batch kan in een andere groep terechtkomen. Een materiaalkwalificatie die de datasheetwaarde overneemt en de trackingtest overslaat, heeft niets gekwalificeerd.

De vervuilingsknop is waar potting in het verhaal komt. Een pottingcompound die de actieve delen volledig bedekt, haalt het oppervlak weg van contact met lucht en vocht, waardoor de vervuilingsgraad van dat gebied veel lager kan worden beoordeeld. In het uiterste geval is de eis niet langer een oppervlaktepad maar vaste isolatie door de compound. IEC 62790 vereist dat elke verlaging van de vervuilingsgraad door coating of potting voldoet aan de voorwaarden van bijlage B, en het principe erachter komt uit IEC 60664-3; de editie van 2020 voegde ook afstanden door verlijmde verbindingen toe aan tabel 3.

Dat herformuleert waarvoor de lijmlaag dient. Potting wordt meestal beschreven als vochtbescherming en warmtegeleiding. In het isolatieverhaal is het ook het ding dat de vervuilingsgraad herschrijft, en het herschrijft die alleen zolang de compound intact en gehecht is. Een holte, een krimpholte of een losgelaten plek langs een klem vermindert de isolatieprestaties niet met een percentage. Het herstelt lokaal het oppervlaktepad waarvan je dacht dat je het had verwijderd, bij de volledige graad 3-eis, op een plek die niemand meet.

Waar potting tegen moet kunnen om dat krediet te behouden

Omdat het krediet voorwaardelijk is, zijn de acceptatiecriteria voor potting elektrisch in plaats van cosmetisch, en ze moeten ook zo op het procesblad worden vastgelegd.

Op onze lijn beoordelen we gepotte aansluitdozen door diëlektrische weerstands- en isolatieweerstandstests tot 1500 V uit te voeren, waarbij we bevestigen dat geen interne holtes of uithardingsdefecten de vereiste elektrische isolatie aantasten.

• Dekking en vulhoogte. Elk actief deel waarvan het isolatieverhaal afhangt, moet onder compound zitten, op de gespecificeerde hoogte, bij elk exemplaar. Gewicht of volume per shot is de goedkope proxy; een dwarsdoorsnede bij een first-off is de eerlijke controle.
• Holtes en krimpholtes. Mengverhouding, ontgassing en uithardingsprofiel bepalen deze. Een tweetraps meter-mix dispenser die de verhouding binnen een vastgestelde tolerantie houdt, is wat het verhaal herhaalbaar maakt, en daarom is de meetnauwkeurigheid van het vulstation een isolatieparameter en niet alleen een kostenparameter.
• Hechting aan lichaam en klem. De compound moet gehecht blijven tijdens vochtige warmte en thermische cycli. Zodra hij loslaat, is het oppervlak terug, en het ontwerpmarge gaat mee.
• Bewijs na veroudering. Het krediet wordt geclaimd na de verouderingsreeks, niet ervoor. Als het kwalificatierapport alleen pottinghechting vóór vochtige warmte toont, is het getal in de tabel nog niet van jou.

Waarom een 1000 V-doos geen 1500 V-doos wordt

De duurste versie van deze fout is een commerciële: neem een gekwalificeerde 1000 V-behuizing, druk een nieuw label erop en verzend hem naar een 1500 V-systeem. De spanningsstap verplaatst de eis naar een nieuwe rij in de tabel, en de bestaande geometrie, de bestaande materiaalgroep en de bestaande pottingindeling waren allemaal geoptimaliseerd voor de oude rij. Soms slaagt het ontwerp nog steeds; de enige manier om het te weten is de oppervlaktemeting bij de nieuwe spanning opnieuw uitvoeren en de relevante tests opnieuw uitvoeren. Dezelfde logica geldt een trede hoger: de beweging naar 2000 V-systemen verandert niet alleen het cel- en moduleontwerp, maar heropent het isolatiecoördinatiedossier voor elke component aan de DC-zijde.

Het maakt ook uit op welke kwalificatie je je baseert. IEC 61215 en IEC 61730 bewijzen verschillende dingen, en geen van beide vervangt de constructie-eisen van de andere. Isolatiecoördinatie zit aan de 61730-kant, in de constructiebeoordeling, en het meetblad is bewijs voor die beoordeling en niet voor prestatie. Als de normhiërarchie zelf onduidelijk is in uw organisatie, is het de moeite waard om de relatie tussen IEC-, UL-, GB/T- en groepsnormen te regelen vóór de volgende productwijziging.

Om te voldoen aan de inspectiepunten van IEC 61730 verifiëren we afgewerkte modules met veiligheidstestreeksen die hipot-, isolatieweerstands- en natte-lekmetingen combineren bij elke productierun vóór de eindverpakking.

Wat we zouden controleren vóór de volgende build

Vijf controles, in de volgorde die problemen het goedkoopst vindt.

• Lees de eis van de tekening, niet van het rapport. Neem het werkelijke worst-case pad van live part naar aanraakbaar oppervlak, pas de groefregel toe met de juiste X, en vergelijk met de tabelcel die overeenkomt met uw opgegeven vervuilingsgraad en materiaalgroep. De meeste fouten worden hier gevonden, op papier, gratis.
• Verifieer de trackingindex per batch en per kleur. Vraag de trackingtest aan op de daadwerkelijk geleverde compound, niet op een familie-datasheet. Leg de groep vast in het inkomende inspectieplan en behandel een kleurwijziging als een nieuw materiaal.
• Inspecteer de pottingbedekking op een doorsnede. Eén first-off per ploeg, doorgesneden en gefotografeerd, met vulhoogte en void-criteria vastgelegd. Cosmetische inspectie van de buitenkant van een doos zegt niets over de binnenkant.
• Test de isolatie elektrisch, elk exemplaar. Een dielectric withstand- en isolatieweerstandstest aan het einde van de lijn is de enige controle die het geassembleerde artikel ziet. Apparatuur zoals de CHT9980A veiligheidstester bestaat precies voor deze poort, en de testlimieten moeten uit de constructie-eis komen, niet uit een gewoonte die van een ouder product is overgenomen.
• Bewaar het verbindingsbewijs bij het product. De potting en de terminal-las worden op dezelfde lijn gemaakt, en een soldeerstap met een vastgelegd profiel is wat u later in staat stelt te beargumenteren dat het oppervlak onder de compound schoon was toen het werd bedekt. Vervuiling onder potting is onzichtbaar en permanent.

Waar deze getallen vandaan komen

De zes waarden in de matrix, de grenzen van de materiaalgroepen en de groefbreedtes X komen uit het bronartikel, dat ze tabelleert voor het 1600 V-niveau van IEC 60664-1 en opmerkt dat versterkte isolatie wordt genomen als tweemaal de basiswaarde en groep III als IIIa. De normnummers en hun scope (IEC 62790 voor junction boxes, IEC 60664-1 voor isolatiecoördinatie, IEC 60664-3 voor coating en potting, IEC 61730-1 voor moduleconstructie) zijn zoals daar geciteerd.

Wat van ons is: de lezing van de matrix als een ontwerpruimte-argument, de volgorde van de vijf controles, en de bewering dat potting een beslissing over vervuilingsgraad is voordat het een waterdichtheidsbeslissing is. Die bewering volgt uit Annex B en IEC 60664-3, maar de formulering is onze interpretatie en uw certificeringsinstantie heeft het laatste woord. Wij hebben de dozen op de foto's niet gemeten, en geen enkel getal hier komt uit een test die wij hebben uitgevoerd.

FAQ

V: Is kruipafstand altijd groter dan luchtafstand?

Voor hetzelfde paar geleiders, ja. De oppervlakteroute moet om alles heen wat het luchtpad kruist, dus kan niet korter zijn. Een tekening die iets anders toont, heeft een meetfout, meestal een groef die is meegeteld maar overbrugd had moeten worden.

V: Welke vervuilingsgraad geldt binnen een gepotte doos?

Dat is het punt van potting: het bedekte gebied kan op een lagere graad worden beoordeeld, of als vaste isolatie, mits aan de voorwaarden van IEC 62790 Annex B wordt voldaan. Het onbedekte gebied, en elke void in de compound, blijft op de graad die zijn omgeving impliceert.

V: Laat een hogere trackingindex me altijd de doos verkleinen?

Het verplaatst u een kolom in de tabel, wat de eis kan halveren. Of dat een kleinere doos wordt, hangt af van de rest van de lay-out, en van of het materiaal bij die index nog steeds aan de mechanische en brandbaarheidseisen voldoet.

V: Kan ik het leveranciersrapport gebruiken voor mijn eigen modulekwalificatie?

Alleen als het rapport het exacte artikel, de exacte materiaalgroep en de exacte vervuilingsgraad dekt die u opgeeft. Een rapport voor een 1000 V-doos in een andere kleur is bewijs over een ander product.

V: Wat verandert de groefregel van 1,0 mm en 1,5 mm in de praktijk?

Het bepaalt of een rib meetelt. Een rib smaller dan X wordt overbrugd door vervuiling en draagt niets bij aan het gemeten pad, dus een lay-out vol dunne ribben kan veel korter meten dan de tekening suggereert. Bij graad 3 is de drempel de breedste van de twee, wat dunne ribben nog minder nuttig maakt.

V: Waarom is pottingkwaliteit een elektrisch issue?

Omdat het isolatiekrediet afhangt van de compound die continu en gehecht is. Een void of een debond herstelt een oppervlaktepad op de volledige eis van zijn omgeving, op een locatie waar geen routinematige inspectie naar kijkt.

V: Verandert 1500 V iets voor de terminals?

Terminal naar terminal is functionele isolatie en blijft meestal eenvoudig. De stap is van belang voor live part naar buitenoppervlak, en voor de kruipafstand over het lichaam en rond de kabeluitgang, waar de versterkte eis terechtkomt.

V: Waar past de veiligheidsnorm voor modules?

IEC 61730-1 stelt de constructie-eisen, inclusief isolatiecoördinatie, en IEC 62790 geeft de junction box zijn eigen veiligheidseisen en tests. Het meetblad is bewijs voor de constructiebeoordeling; prestatie测试 onder IEC 61215 beantwoordt een andere vraag.

Slotgedachten

Kruipafstand lijkt een getal dat moet worden gemeten en is in werkelijkheid een beslissing die moet worden genomen. De werkende spanning komt uit het systeem en de afmetingen komen uit de module, dus de twee overgebleven hefbomen zijn het materiaal en de vervuilingsgraad, en beide zijn al lang bepaald voordat het meetblad wordt ingevuld. Vraag onder welke vervuilingsgraad en welke materiaalgroep een doosclassificatie is gekwalificeerd, en of de potting die daaraan ten grondslag ligt damp heat intact heeft doorstaan. Die vraag kost niets en vindt de meeste problemen terwijl ze nog op papier staan.

OOITech levert de CHT9980A en CHT9981A PV veiligheidstesters om hipot-, isolatieweerstands-, aardcontinuïteits- en wet leakage-tests uit te voeren op productielijnen. Stuur uw junction box-tekeningen, module-stackspecificaties of testmonsters naar ons engineeringteam voor evaluatie en configuratie van testparameters.