Distância de escoamento em uma caixa de junção: por que 1500 V mudou o projeto

Resposta rápida: A distância de escoamento é o caminho mais curto ao longo da superfície de um isolante entre dois condutores. O afastamento é o caminho mais curto através do ar. Eles falham por razões diferentes, pelo que um desenho que satisfaz um pode falhar o outro, e num módulo de 1500 V o caminho de superfície é o que causa problemas. Dentro de uma caixa de junção, o número não é retirado de uma folha de dados: é lido a partir da tensão de serviço, do grau de poluição e do índice de tracking do material, e depois duplicado para isolamento reforçado. No nível de 1600 V, uma caixa em material do grupo I com grau de poluição 2 necessita de 8 mm para isolamento básico e 16 mm para isolamento reforçado. Passe para o grupo III com grau de poluição 3 e o mesmo requisito passa a ser 25 mm e 50 mm. Uma caixa do tamanho da palma da mão não consegue encontrar 50 mm, razão pela qual o encapsulamento e a escolha do material são decisões estruturais, e não etapas de acabamento.

Cada caixa de junção é fornecida com um relatório de ensaio de tipo, e esse relatório contém uma folha de medição com duas colunas que parecem intercambiáveis. Não são, e lê-las como uma só é como um projeto de 1000 V recebe uma nova etiqueta.

Dois números que protegem contra falhas diferentes

O afastamento é o intervalo de ar. Existe para impedir um arco elétrico: uma sobretensão atmosférica, um transitório de comutação ou uma falha do sistema coloca uma tensão elevada e rápida através do intervalo, o ar ioniza-se e um arco faz a ponte. O afastamento depende, portanto, da tensão de suportabilidade a impulso e da altitude, uma vez que o ar mais rarefeito rompe mais cedo. Não depende do material de que é feito o plástico.

A distância de escoamento é o percurso de superfície. Existe para impedir o tracking: poeira, sal e humidade condensada formam uma película condutora fraca na superfície, pequenas descargas percorrem-na, o polímero carboniza numa linha estreita, e essa linha torna-se um caminho condutor que não desaparece. O fator determinante aqui é a tensão de serviço a longo prazo e o grau de sujidade da superfície, além da resistência do material ao tracking.

A consequência prática é uma regra fácil de enunciar e fácil de esquecer: para o mesmo par de condutores, a distância de escoamento nunca é menor do que o afastamento. O percurso de superfície contorna tudo o que o intervalo de ar atravessa. Se o seu desenho mostra distância de escoamento inferior ao afastamento, está a medir um deles incorretamente, na maioria das vezes ao tomar um atalho através de uma ranhura que a norma diz que deve ser transposta.

Três variáveis, uma tabela

A IEC 62790 abrange caixas de junção para módulos fotovoltaicos até 1500 V DC concebidas como classe II, ou seja, com isolamento duplo ou reforçado. Os próprios números provêm da norma de base de coordenação de isolamento, IEC 60664-1, e são lidos de uma tabela utilizando três entradas.

• Tensão de serviço. A tensão a longo prazo entre os dois condutores, tomada como o valor DC. Uma tensão mais elevada sustenta mais facilmente uma descarga superficial, pelo que a distância exigida aumenta. Passar de um sistema de 1000 V para 1500 V é um salto para uma nova linha dessa tabela, não um pequeno incremento dentro de uma linha.
• Grau de poluição. O microambiente da superfície. O grau 1 significa ausência de poluição ou apenas poluição seca e não condutora. O grau 2 significa poluição normalmente não condutora com condutividade temporária ocasional devida à condensação. O grau 3 significa poluição condutora, ou poluição seca que se torna condutora quando condensa. Uma superfície exterior exposta é grau 3; um interior bem vedado é frequentemente avaliado como grau 2.
• Grupo de material. O índice de tracking comparativo, a tensão que uma superfície suporta sob gotas repetidas de eletrólito antes de se formar um caminho de tracking. O grupo I é 600 e acima, o grupo II é 400 a 600, o grupo IIIa é 175 a 400, o grupo IIIb é 100 a 175. Um índice mais elevado proporciona uma distância mais curta.

Segue-se o tipo de isolamento. Uma parte ativa para uma superfície acessível é isolamento reforçado, e a sua distância de escoamento exigida é geralmente o dobro do valor básico. Junte as três variáveis e o tipo de isolamento e obtém a tabela abaixo, para o nível de 1600 V em que um sistema de 1500 V normalmente se enquadra.

Valores conforme tabelados no artigo de origem para o nível de 1600 V da IEC 60664-1, com isolamento reforçado a duas vezes o valor básico e o grupo III lido como IIIa. Trate-os como a forma do requisito, não como um substituto da edição atual da norma.

Leia primeiro o canto inferior direito. Uma caixa com baixo índice de tracking, com partes ativas expostas a um ambiente de grau 3, e que tenha de suportar isolamento reforçado, necessita de 50 mm de percurso de superfície. Não há nenhuma disposição de nervuras dentro de uma caixa de junção que produza 50 mm honestamente. Essa única célula explica a maioria das decisões de projeto na categoria de produto.

O mesmo requisito, desenhado de seis formas

Um requisito, seis respostas. A mesma tensão de serviço de 1600 V necessita de 8 mm na célula superior esquerda e de 50 mm na célula inferior direita, antes de qualquer tolerância de medição.

O objetivo da matriz não são os números, mas a sua amplitude. Entre a célula superior esquerda e a célula inferior direita, o requisito cresce mais de seis vezes, com a mesma tensão de serviço. Nada no módulo mudou. O que mudou é onde a superfície se situa e de que é feita, e ambas são escolhas feitas num desenho e numa folha de especificação de material.

Onde os percursos correm efetivamente numa caixa

Uma caixa de junção é pequena, então a intuição diz que as distâncias são curtas e o problema é trivial. Na prática, existem três classes de caminho, com três requisitos diferentes, e apenas uma delas costuma ser a difícil.

• Parte viva para superfície externa. De um terminal ou barramento, através do interior, passando por dentro ou ao redor do corpo, até o exterior da carcaça e a face de montagem do backsheet. Este é o isolamento para terra e é avaliado como reforçado. É o caminho que mais frequentemente bloqueia um projeto, porque tem que sair da caixa.
• Terminal para terminal. Terminais adjacentes ficam em ambos os lados de um diodo de bypass, que protege uma substring, então a diferença de potencial é de dezenas de volts no máximo. Este é o isolamento funcional e seu requisito é muito menor. Raramente é a restrição, embora seja o caminho que as pessoas medem primeiro porque é o mais fácil de ver.
• Saída do cabo, vedação e junta da tampa. Normalmente não é o caminho mais curto, mas são as rotas pelas quais a umidade e a contaminação entram. Elas decidem em qual grau de poluição o interior pode ser avaliado, então definem o requisito para todo o resto. Um interior perfeito de 16 mm dentro de uma caixa que respira é um requisito de 40 mm disfarçado.

A medição tem sua própria convenção, e é onde os desenhos erram silenciosamente. Quando o caminho cruza uma ranhura, nem toda ranhura conta. Se a ranhura for mais estreita que a largura especificada X, a contaminação a atravessa, e o caminho é tomado em linha reta pela abertura da ranhura. Apenas uma ranhura mais larga que X contribui com suas paredes e fundo para o caminho medido. X segue o grau de poluição: cerca de 1,0 mm no grau 2 e cerca de 1,5 mm no grau 3. Nervuras e fendas dentro das caixas existem precisamente para alongar a rota superficial dentro de um volume fixo, e uma nervura mais estreita que X não tem feito absolutamente nada.

O potting é uma decisão de grau de poluição

Volte à matriz e observe quais variáveis você realmente controla. A tensão de trabalho é definida pelo sistema. As dimensões externas são definidas pelo módulo, pelo espaço do backsheet e pela lista de materiais. Isso deixa duas alavancas: o material e o grau de poluição. As caixas de produção puxam ambas ao mesmo tempo.

A alavanca do material significa escolher um composto com alto índice de tracking, tipicamente um PPO modificado ou um grau de PC. O problema é que o índice é uma propriedade da formulação, não da família do polímero: retardantes de chama, cargas e até corantes o alteram, e o mesmo grau em uma cor diferente ou de um lote diferente pode cair em um grupo diferente. Uma qualificação de material que copia o valor da folha de dados e pula o teste de tracking não qualificou nada.

A alavanca da poluição é onde o potting entra no argumento. Um composto de potting que cobre totalmente as partes vivas remove a superfície do contato com ar e umidade, o que permite que o grau de poluição dessa região seja avaliado muito mais baixo. No limite, o requisito não é mais um caminho superficial, mas isolamento sólido através do composto. A IEC 62790 exige que qualquer redução do grau de poluição por revestimento ou potting satisfaça as condições de seu Anexo B, e o princípio por trás disso vem da IEC 60664-3; a edição de 2020 também adicionou distâncias através de juntas cimentadas à sua tabela 3.

Isso reformula para que serve a linha de cola. O potting é geralmente descrito como proteção contra umidade e condução térmica. No argumento de isolamento, ele também é a coisa que reescreve o grau de poluição, e só o reescreve enquanto o composto está intacto e aderido. Um vazio, uma cavidade de contração ou uma área descolada ao longo de um terminal não reduz o desempenho de isolamento em uma porcentagem. Ele reinstaura localmente o caminho superficial que você pensou ter removido, no requisito total de grau 3, em um lugar que ninguém mede.

O que o potting precisa suportar para manter esse crédito

Como o crédito é condicional, os critérios de aceitação para o potting são elétricos e não cosméticos, e precisam ser escritos dessa forma na folha de processo.

Em nossa linha, avaliamos caixas de junção com potting executando testes de suportabilidade dielétrica e resistência de isolamento até 1500 V, confirmando que nenhum vazio interno ou defeito de cura compromete o isolamento elétrico exigido.

• Cobertura e altura de preenchimento. Toda parte viva da qual o argumento de isolamento depende tem que estar sob o composto, na altura especificada, em cada unidade. Peso ou volume por dose é o proxy barato; uma seção transversal na primeira peça é a verificação honesta.
• Vazios e cavidades de contração. A proporção de mistura, a desgaseificação e o perfil de cura decidem isso. Um dispensador de mistura e dosagem de dois componentes que mantém a proporção dentro de uma tolerância declarada é o que torna o argumento repetível, e é por isso que a precisão de dosagem da estação de enchimento é um parâmetro de isolamento e não apenas de custo.
• Aderência ao corpo e ao terminal. O composto tem que permanecer aderido através de calor úmido e ciclagem térmica. Uma vez que ele se solta, a superfície volta, e a margem de projeto vai junto.
• Evidência após envelhecimento. O crédito é reivindicado após a sequência de envelhecimento, não antes. Se o relatório de qualificação mostra aderência do potting apenas antes do calor úmido, o número na tabela ainda não é seu.

Por que uma caixa de 1000 V não se torna uma caixa de 1500 V

A versão mais cara desse erro é comercial: pegue uma carcaça qualificada de 1000 V, imprima um novo rótulo, envie-a para um sistema de 1500 V. O salto de tensão move o requisito para uma nova linha na tabela, e a geometria existente, o grupo de material existente e o layout de potting existente foram todos otimizados para a linha antiga. Às vezes o projeto ainda passa; a única maneira de saber é refazer a medição superficial na nova tensão e reexecutar os testes relevantes. A mesma lógica se aplica um nível acima: a transição para sistemas de 2000 V não apenas muda o projeto da célula e do módulo, mas reabre o arquivo de coordenação de isolamento para cada componente no lado CC.

Também importa em qual qualificação você está se apoiando. IEC 61215 e IEC 61730 provam coisas diferentes, e nenhuma substitui os requisitos de construção da outra. A coordenação de isolamento fica do lado da 61730, na revisão de construção, e a folha de medição é evidência para essa revisão e não para desempenho. Se a própria hierarquia de normas não estiver clara em sua organização, a relação entre normas IEC, UL, GB/T e de grupo vale a pena ser resolvida antes da próxima mudança de produto.

Para satisfazer os pontos de inspeção da IEC 61730, verificamos os módulos acabados usando sequências de testes de segurança que combinam hipot, resistência de isolamento e medições de vazamento úmido em cada lote de produção antes da embalagem final.

O que verificaríamos antes da próxima montagem

Cinco verificações, na ordem que encontra problemas de forma mais barata.

• Leia o requisito no desenho, não no relatório. Considere o caminho real de pior caso da parte viva até a superfície tocável, aplique a regra da ranhura com o X correto e compare com a célula da tabela que corresponde ao grau de poluição declarado e ao grupo de material. A maioria das falhas é encontrada aqui, no papel, de graça.
• Verifique o índice de tracking por lote e por cor. Solicite o ensaio de tracking no composto realmente fornecido, não em uma folha de dados de família. Registre o grupo no plano de inspeção de recebimento e trate uma mudança de cor como um novo material.
• Inspecione a cobertura do potting em um corte. Uma primeira peça por turno, cortada e fotografada, com critérios de altura de preenchimento e vazios registrados por escrito. A inspeção cosmética do exterior de uma caixa não diz nada sobre o interior.
• Teste a isolação eletricamente, em cada unidade. Um ensaio de suportabilidade dielétrica e de resistência de isolação no fim da linha é a única verificação que enxerga o artigo montado. Equipamentos como o CHT9980A safety tester existem exatamente para esse portão, e os limites de ensaio devem vir do requisito de construção, não de um hábito herdado de um produto mais antigo.
• Mantenha a evidência da junta junto com o produto. O potting e a solda do terminal são feitos na mesma linha, e um soldering step with a recorded profile é o que permite argumentar depois que a superfície sob o composto estava limpa quando foi coberta. Contaminação sob o potting é invisível e permanente.

De onde vêm estes números

Os seis valores da matriz, os limites dos grupos de material e as larguras de ranhura X vêm do artigo de origem, que os tabula para o nível de 1600 V da IEC 60664-1 e observa que a isolação reforçada é tomada como o dobro do valor básico e o grupo III como IIIa. Os números das normas e seu escopo (IEC 62790 para caixas de junção, IEC 60664-1 para coordenação de isolação, IEC 60664-3 para revestimento e potting, IEC 61730-1 para construção de módulos) são conforme citados ali.

O que é nosso: a leitura da matriz como um argumento de espaço de projeto, a ordem das cinco verificações e a afirmação de que o potting é uma decisão de grau de poluição antes de ser uma decisão de impermeabilização. Essa afirmação decorre do Anexo B e da IEC 60664-3, mas a redação é nossa interpretação e seu organismo de certificação tem a palavra final. Não medimos as caixas nas fotografias, e nenhum número aqui vem de um ensaio que realizamos.

Perguntas frequentes

P: A linha de fuga é sempre maior que a distância de escoamento?

Para o mesmo par de condutores, sim. O percurso pela superfície tem de contornar tudo o que o caminho pelo ar cruza, então não pode ser mais curto. Um desenho que mostre o contrário tem um erro de medição, geralmente uma ranhura contada que deveria ter sido considerada ponteada.

P: Qual grau de poluição se aplica dentro de uma caixa com potting?

Esse é o ponto do potting: a região coberta pode ser avaliada em um grau inferior, ou como isolação sólida, desde que as condições do Anexo B da IEC 62790 sejam atendidas. A região não coberta, e qualquer vazio dentro do composto, permanece no grau que seu ambiente implica.

P: Um índice de tracking mais alto sempre me permite reduzir a caixa?

Ele o move uma coluna na tabela, o que pode reduzir o requisito pela metade. Se isso se torna uma caixa menor depende do restante do layout e de o material ainda atender aos requisitos mecânicos e de inflamabilidade nesse índice.

P: Posso usar o relatório do fornecedor para a qualificação do meu próprio módulo?

Somente se o relatório cobrir o artigo exato, o grupo de material exato e o grau de poluição exato que você declara. Um relatório para uma caixa de 1000 V em uma cor diferente é evidência sobre um produto diferente.

P: O que a regra de ranhura de 1,0 mm e 1,5 mm muda na prática?

Ela decide se uma nervura conta. Uma nervura mais estreita que X é ponteada pela contaminação e não contribui em nada para o caminho medido, então um layout cheio de nervuras finas pode medir muito menos do que o desenho sugere. No grau 3, o limiar é o maior dos dois, o que torna as nervuras finas ainda menos úteis.

P: Por que a qualidade do potting é uma questão elétrica?

Porque o crédito de isolação depende de o composto ser contínuo e aderido. Um vazio ou uma descolagem reinstaura um caminho superficial no requisito pleno de seu ambiente, em um local que nenhuma inspeção de rotina examina.

P: 1500 V muda algo para os terminais?

Terminal a terminal é isolação funcional e geralmente permanece fácil. O passo importa para parte viva até a superfície externa, e para a linha de fuga ao longo do corpo e ao redor da saída do cabo, que é onde o requisito reforçado recai.

P: Onde se encaixa a norma de segurança de módulos?

A IEC 61730-1 estabelece os requisitos de construção, incluindo coordenação de isolação, e a IEC 62790 dá à caixa de junção seus próprios requisitos de segurança e ensaios. A folha de medição é evidência para a revisão de construção; os ensaios de desempenho sob a IEC 61215 respondem a uma pergunta diferente.

Considerações finais

A linha de fuga parece um número a ser medido e na verdade é uma decisão a ser tomada. A tensão de trabalho vem do sistema e as dimensões vêm do módulo, então as duas alavancas restantes são o material e o grau de poluição, e ambas são definidas muito antes de a folha de medição ser preenchida. Pergunte sob qual grau de poluição e qual grupo de material uma classificação de caixa foi qualificada, e se o potting que a sustenta sobreviveu intacto ao calor úmido. Essa pergunta não custa nada e encontra a maioria dos problemas enquanto ainda estão no papel.

A OOITech fornece a CHT9980A and CHT9981A PV safety testers para realizar ensaios de hipot, resistência de isolação, continuidade de terra e fuga em condição úmida em linhas de produção. Envie seus desenhos de caixa de junção, especificações de empilhamento de módulos ou amostras de ensaio para nossa equipe de engenharia para avaliação e configuração dos parâmetros de ensaio.