什麼是絕緣距離？

設計人員必須了解安全要求的基本原理，才能設計出安全的設備。不僅要考慮設備的正常運行狀況，還應考慮可能的故障狀況、可預期的誤用以及外部影響，例如溫度、海拔、污染及濕氣等。安全規範對製造的設備與零件有明確的陳述和規定，以提供安全與高品質的產品給最終使用者。本篇文章主要是針對防止對人體造成電擊傷害，電子儀器設備要達到觸電防護，須具備有效的絕緣方法，可分為絕緣距離以及固態絕緣材料。本文將著重在電子產品的絕緣距離上。

 

1.  設備防電擊等級

可將電子設備分為三種防電擊的類型，根據設計及需求的不同，設備可提供不同的防護方式。

• I類設備(Class I equipment)

除了有基本絕緣之外，還包括附加的保護措施。當基本絕緣失效之後，還有導線可以連接到保護接地導體，將危險電流導至大地。

• II類設備(Class II equipment)

設備具有防電擊的保護，除了基本絕緣之外還有附加絕緣所組成的雙重絕緣，或者提供加強絕緣。此類設備沒有提供保護性接地，完全由設備本身提供防護。

• III類設備(Class III equipment)

• 本身無危險電壓，此能量不導致疼痛也不造成傷害。

2.  距離的要求

       2.1 絕緣距離定義

• 直線距離(Clearance)：在兩導體間的「視線」距離或最短的空中路徑，通過空氣能實現絕緣的最短距離。
• 沿面距離(Creepage)：沿著絕緣表面得到兩導體間最短的距離。
• 沿面距離須大於或等於直線距離

      2.2 決定距離的要素

絕緣距離會因為產品的使用條件或環境等因素的不同而有不同的考量。IEC 62368-1所描述，安規距離會根據以下條件來決定：

• 輸入電壓(Input voltage)
• 絕緣類型(Insulation)
• 材料等級(Material group)
• 污染等級(Pollution degree)
• 過電壓類別(Overvoltage category)
• 海拔高度(Altitude)

   

       2.3 絕緣類型

可定義為五種不同目的的標準：

1. 基本絕緣(Basic insulation)

          單層絕緣，可提供使用者基本的防觸電保護。

       2. 雙重絕緣(Double insulation)

           同時包括基本絕緣及輔助絕緣。

       3. 功能絕緣(Functional insulation)

           在設備中的導電元件之間必須要的絕緣，使設備可以正常運行，並非是對於使用者的安全考慮。

       4. 加強絕緣(Reinforced insulation)

           單層絕緣系統，並可達到與雙重絕緣等效的防觸電保護等級。

       5. 輔助絕緣(Supplementary insulation)

           獨立於基本絕緣外的第二層絕緣，當基本絕緣失效時，可以保護使用者不接觸危險電壓。

   

      2.4 材料等級

由相對漏電起痕指數(Comparative Tracking Index, CTI )來區分材料等級，CTI是用來度量絕緣材料的電擊穿(電痕破壞)性能的指數。

Material Group I：600 ≤ CTI

Material Group II：400 ≤ CTI < 600

Material Group IIIa：175 ≤ CTI < 400

Material Group IIIb：100 ≤ CTI < 175

若為未知的材料等級，則假設為Material Group IIIb。

   

      2.5 汙染等級

IEC 62368-1定義了產品在操作環境下所存在的不同程度污染：

• 污染等級1

沒有污染或僅發生乾燥的非導電污染。例如透過密封包裝隔絕灰塵及濕氣的設備、元件或子組件。

• 污染等級2

僅發生非導電污染，除了偶爾會因預期性的結露而導致暫時導電。適用於一般實驗室或辦公室環境。

• 污染等級3

發生導電性污染，或因預期性的結露而發生乾燥的非導電污染。例如在工廠使用的設備。

   

    2.6 過電壓類別

為連接到電源的每台設備確定過電壓類別，根據設備連接到輸入端的最大瞬態電壓來區分，如下圖以設備應用位置來表示。

I：已採取減少電源瞬變措施的設備

II：透過固定配線所連接的永久設備或可插拔設備

III：建築物中固定配線的設備

• IV：主電源連接到建築物的設備

      2.7 海拔高度

IEC 62368-1規範內所訂定的直線距離皆是以海拔2000公尺以下所使用的設備。若有高海拔需求則需將所得的直線距離再乘以不同海拔所需的因數，根據下表1。

表1 根據海拔高度對於直線距離的因數 (IEC 62368-1, Table 22)

Altitude m	Normal Barometric Pressure kPa	Multiplication Factor for Clearance	Multiplication Factor for Electric Strength Test Voltage
			≥0.01 mm to ≤0.0625 mm	≥0.0625 mm to <1 mm	≥ 1 mm to <10 mm	≥10 mm to <100 mm
2,000	80.0	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00
3,000	70.0	1.14	1.05	1.05	1.07	1.10
4,000	62.0	1.29	1.10	1.10	1.15	1.20
5,000	54.0	1.48	1.17	1.16	1.24	1.33
Linear interpolation may be used between the nearest two points, the calculated minimum multiplication factor being rounded up to the next higher 0.01 increment.

      2.8 固態絕緣材料

電源轉換器經常使用灌膠來做為防塵或是絕緣的功能，在IEC 62368-1的規範內有提到將膠視為一種絕緣材料。因此在考量絕緣的方法上除了達到距離的規定之外，也能以固態絕緣材料達到要求。若要使用膠來來做為絕緣的功能，需要對其評估易燃性、RTI、導熱係數以及耐壓等條件。

3.  絕緣距離計算案例

一般來說針對電源轉換器的絕緣距離指的是一次側到二次側的距離。取AC/DC轉換器產品做例子，輸入電壓為100-240Vac。

根據表2得知過電壓等級為II時，電源瞬態電壓為2500Vpeak。再參照表3可知基本絕緣所需的距離為1.5mm，而加強絕緣的直線距離需達到3.0mm。沿面距離則參照表4，基本絕緣的距離需求為2.5mm，且加強絕緣的距離為基本絕緣的兩倍，因此可以得到加強絕緣的沿面距離須達到5.0mm。

表2 電源瞬態電壓(IEC 62368-1, Table 15)

AC mains voltage a up to and including		Mains transient voltage b V peak
Vr.m.s.	V peak c	Overvoltage category
		I	II	III	IV
50	71	330	500	800	1500
100 d	141	500	800	1500	2500
150 e	210	800	1500	2500	4000
300 f	420	1500	2500	4000	6000
600 g	840	2500	4000	6000	8000
a For equipment designed to be connected to a three-phase 3-wire supply, where there is no neutral conductor, the a.c. mains supply voltage is the line-to -line voltage. In all other cases, where there is a neutral conductor, it is the line-t0-neutral voltage. b The mains transient voltage is always one of the values in the table. Interpolation is not permitted. c See 5.4.2.5.1. d In Japan, the value of the mains transient voltages for the nominal a.c. mains supply voltage of 100 V is determined from columns applicable to the nominal a.c. mains supply voltage of 150 V. e Including 120/208 V and 120/240 V. f Including 120/400 V and 277/480 V. g Including 400/690 V.

 

表3 最小直線距離 (IEC 62368-1, Table 17)

Required withstand voltage	Basic insultation or supplementary insulation mm			Reinforced insulation mm
V peak or d.c. up to and including	Pollution degree			Pollution degree
	1	2	3	1	2	3
330	0.01	0.2	0.8	0.04	0.6	1.5
400	0.02			0.07
500	0.04			0.10
600	0.06			0.14
800	0.10			0.5
1000	0.15			0.6
1200	0.25			0.9
1500	0.5			1.5
2000	1.0			2.2
2500	1.5			3.0
3000	2.0			3.8
4000	3.0			5.5
5000	4.0			8.0

 

表4 最小沿面距離(IEC 62368-1, Table 23)

RMS working voltage up to and including v	Pollution degree
	1	2			3
	Material group
	I, II, IIIa, IIIb	I	II	IIa, IIb	I	II	IIIa, IIIb   see Note
10	0.08	0.4	0.4	0.4	1.0	1.0	1.0
12.5	0.09	0.42	0.42	0.42	1.05	1.05	1.05
16	0.1	0.45	0.45	0.45	1.1	1.1	1.1
20	0.11	0.48	0.48	0.48	1.2	1.2	1.2
25	0.125	0.5	0.5	0.5	1.25	1.25	1.25
32	0.14	0.53	0.53	0.53	1.3	1.3	1.3
40	0.16	0.56	0.8	1.1	1.4	1.6	1.8
50	0.18	0.6	0.85	1.2	1.5	1.7	1.9
63	0.2	0.63	0.9	1.25	1.6	1.8	2.0
80	0.22	0.67	0.95	1.3	1.7	1.9	2.1
100	0.25	0.71	1.0	1.4	1.8	2.0	2.2
125	0.28	0.75	1.05	1.5	1.9	2.1	2.4
160	0.32	0.8	1.1	1.6	2.0	2.2	2.5
200	0.42	1.0	1.4	2.0	2.5	2.8	3.2
250	0.56	1.25	1.8	2.5	3.2	3.6	4.0

 

4.   距離的量測

以下為數個直線距離與沿面距離的量測範例，在IEC 62368-1中根據汙染等級列出X的值，如下圖7，在量測距離上需注意凹槽的寬度是否超過X。若凹槽寬度小於X，則可忽略凹槽並量測直線距離。若凹槽寬度大於或等於X，則需沿著凹槽輪廓來量測沿面距離。

表5 X的值(IEC 62368-1, Table O.1)

Pollution degree (see 5.4.1.6)	X mm
1	0.25
2	1.00
3	1.50

• 備註

​

• 所考慮的路徑包括任意深度且寬度小於X的平行或雙面會聚的凹槽，則直線距離與沿面距離直接在凹槽上測量。

• 所考慮的路徑包括任意深度且寬度等於或大於X的平行面凹槽，則直線距離為「視線」的距離，沿面距離路徑遵循凹槽的輪廓。

• 所考慮的路徑包括內角小於80°且寬度大於X的V形凹槽，則直線距離為「視線」的距離，沿面距離路徑遵循凹槽的輪廓，但是在凹槽底部以X連接。

• 所考慮的路徑包括肋骨形狀突起，則直線距離是突起頂部上方最短的空氣路徑，沿面距離路徑遵循肋骨形狀突起的輪廓。

• 所考慮的路徑包括未密合的接縫，其中左側的凹槽寬度小於X，右側的凹槽寬度等於或大於X。則左側直線距離為「視線」的距離，沿面距離路徑遵循凹槽的輪廓。右側直線距離與沿面距離皆是「視線」的距離。

5.  結論

在電子產品中安全距離的訂定是為了要保護使用者的安全，防止人體受傷以及其他財物的損失。因此在電源轉換器中需考慮產品所應用的環境及位置等不同因素，會需要達到不同程度的要求。因此在設計上須考量絕緣距離並符合規範，才能真正保障使用者的安全。

 

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