Złącza wysokiego napięcia: rodzaje i konstrukcja

Odstępy i drogi upływu wysokiego napięcia

Aby zminimalizować ryzyko awarii w urządzeniach wysokonapięciowych i zapewnić odpowiedni margines bezpieczeństwa, przewody przewodzące wysokiego napięcia muszą zachować pewną minimalną odległość od siebie (separację). Odległości te, zwane prześwitem (clearance) i drogą upływu (creepage), różnią się w zależności od zastosowania i są określone w odpowiedniej normie bezpieczeństwa.

Prześwit to najkrótsza odległość między dwoma przewodzącymi częściami, takimi jak styki złącza, mierzona w powietrzu. Odpowiednia odległość prześwitu pomaga zapobiegać przebiciom dielektrycznym między pinami spowodowanym jonizacją powietrza. Na poziom przebicia dielektryka ma również wpływ wilgotność względna, temperatura i stopień zanieczyszczenia środowiska.

Droga upływu to najkrótsza droga między dwiema częściami przewodzącymi (lub między częścią przewodzącą a powierzchnią umocowania sprzętu) mierzona wzdłuż powierzchni izolacji. Właściwa i odpowiednia droga upływu chroni przed prądem pełzającym, zjawiskiem, które wytwarza częściowo przewodzącą ścieżkę niszczącą powierzchnię materiału izolacyjnego w wyniku wyładowań elektrycznych na lub w pobliżu powierzchni izolacji. Droga upływu jest równa lub większa niż prześwit.

Comparative Tracking Index  (CTI) służy do pomiaru właściwości prądów pełzających materiału izolacyjnego. Dla konkretnej aplikacji minimalna droga upływu, określana przez agencje bezpieczeństwa, takie jak UL, zależy od wartości CTI izolatora.

Stopień zanieczyszczenia

Dla danego napięcia i materiału izolacyjnego, na prześwit i drogi upływu mają również wpływ zanieczyszczenia suche i kondensacja występująca w środowisku, znane łącznie jako stopień zanieczyszczenia. Poziom zanieczyszczenia klasyfikuje się w stopniach, gdzie stopień 1 oznacza bardzo niski poziom zanieczyszczeń (równoważny środowisku w pomieszczeniu czystym) a stopień 4 oznacza trwałą przewodność, spowodowaną przewodzącym kurzem, deszczem lub śniegiem. Stopień zanieczyszczenia może mieć duży wpływ na połączenia, ponieważ prześwit, a zwłaszcza drogi upływu drastycznie zwiększają się wraz ze stopniem zanieczyszczenia.

Na przykład miniaturowe złącza D-sub (Dsub) są powszechnie używane w wielu aplikacjach. Są dostępne od wielu dostawców i są niedrogie. Odległość między pinem złącza a uziemieniem wynosi około 1,6 mm. Odległość ta spełnia normy bezpieczeństwa UL dla ochrony przed prądami pełzającymi, zarówno dla środowiska o stopniu zanieczyszczenia 1 (0,3 mm), jak i o stopniu zanieczyszczenia 2 (1,6 mm) przy 150V. Jednak w przypadku pracy przy napięciu 300V droga upływu dla stopnia zanieczyszczenia 2 wzrasta do 3.0 mm, więc złącze spełnia normy bezpieczeństwa tylko wtedy, gdy jest używane w środowisku o stopniu zanieczyszczenia 1. Dlatego w typowym środowisku testowym - które jest sklasyfikowane jako stopień 2 -używanie złącza Dsub powyżej 150 V nie spełnia obowiązujących norm bezpieczeństwa i jest uważane za niebezpieczne.

Konstrukcja złącza wysokiego napięcia

W jaki sposób projektanci złączy WN minimalizują skutki wysokiego napięcia i maksymalizują bezpieczeństwo? Rysunki 2 i 3 przedstawiają typowe okrągłe złącze wysokiego napięcia, przystosowane do pracy do 27 kV. Zazwyczaj po stronie WN znajduje się część żeńska o głębokich zagłębieniach (pokazane po prawej stronie). Natomiast piny męskiej części są montowane w indywidualnie izolowanych kanałach.

Rysunek 2: Okrągłe złącze wysokiego napięcia LGH. (Źródło: TE Connectivity)

Rysunek 3 przedstawia konstrukcję wewnętrzną takiego złącza. Trzeba zwrócić uwagę, że gdy dwie połówki są połączone, męski pierścień izolacyjny całkowicie otacza żeńską część, zanim dwa piny utworzą połączenie elektryczne. Aby uniknąć powstawania łuku między sąsiednimi pinami w tej samej obudowie, po ich włożeniu do korpusu złącza, należy dodać pastę do zalewania w celu wypełnienia tylnych wnęk.

Rysunek 3: Przekrój złącza LGH (Źródło: TE Connectivity).

Aby chronić przed przebiciem dielektrycznym, złącza WN wykorzystują materiały o wysokiej wytrzymałości dielektrycznej, takie jak PTFE, sprzedawany również pod marką Teflon. Wytrzymałość dielektryczna żywicy PTFE jest bardzo wysoka (23.6 kV/mm dla grubości 1.5 mm mierzona w teście krótkotrwałym ASTM) i nie zmienia się wraz z temperaturą i starzeniem termicznym.

Bezpieczeństwo na poziomie systemu

W przypadkach, w których istnieje niebezpieczeństwo rozłączenia złącza, podczas gdy zasilanie będzie nadal włączone, istnieją szczególne strategie zapewnienia bezpieczeństwa. Włączenie obwodu blokady wysokiego napięcia (High Voltage Interlock, HVIL) to strategia stosowana na poziomie systemu, mającą na celu zwiększenie bezpieczeństwa złącza. Obwód HVIL to osobny obwód zamknięty, wbudowany w konstrukcję złącza, który jest połączeniem typu ‘mate-last/break-first’.

Gdy złącze WN zaczyna się rozłączać, obwód HVIL wykrywa ten ruch i sygnalizuje elektronice zasilania, aby rozładować wysokie napięcie obecne na zacisku, sprowadzając je poniżej z góry określonego poziomu, przed ostatecznym rozłączeniem zacisku. Zwykle musi to nastąpić w ciągu pół sekundy po wykryciu przez HVIL zainicjowania przerwania połączenia w module elektroniki mocy. Prowadzi to do braku wysokiego napięcia na zaciskach, gdy złącze jest całkowicie odseparowane.

Ta strategia jest stosowana w złączach WN zaprojektowanych do użytku w samochodowych pojazdach elektrycznych, w których panują potencjalnie śmiertelne napięcia.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow