您在這裡
Back to top鐵道應用的絕緣距離規範
鐵道使用的電子設備在移動的、嚴酷的環境中並且有許多不受控的條件，因此一般所熟知的鐵道規範EN50155中定義了電壓變化以及環境的耐受能力等條件。除此之外，鐵道類產品還有許多延伸的國際規範，例如防火、衝擊與震動以及EMC等等。針對絕緣的部分則獨立在EN50124，規範了鐵道類電子產品內部兩導體之間最小直線距離與沿面距離，並考慮外在環境條件與材料特性等因素，確保在不同條件下能夠保持足夠的絕緣距離，以保護使用者及列車行駛安全。本文將介紹EN50124如何定義絕緣距離與影響絕緣距離的要素，一般來說不同的產品會有不同的絕緣目的，電源轉換器應該如何滿足最為嚴苛的加強絕緣等級。
1. EN 50124範圍
EN 50124規定了鐵道的絕緣需求，包含信號類、車輛機身和固定裝置等這三大類別所使用的設備，並且在海拔不超過2000公尺的地區使用。從絕緣失效的模式上可區分EN 50124所描述的範圍，絕緣失效為兩導體之間產生漏電而失去絕緣的作用，失效模式可分為三種，如圖1所示，第一為透過空氣傳遞，再者是沿著絕緣物質表面傳遞，最後是透過物質傳遞。因EN 50124所規範的條件不包含固體及液體的絕緣，所以只需考慮直線距離(clearance)以及沿面距離(creepage)。另外空氣以外的氣體、非大氣壓下以及極端條件下的絕緣也不在規範內。
2. 影響絕緣距離的要素
2.1 電壓
- 標稱電壓(Nominal voltage, Un)：
一個合適的電壓值用於指定的電源系統
- 額定絕緣電壓(Rated insulation voltage, UNm)：
製造商對設備或元件所定義的方均根耐受電壓，表示該絕緣有持續五分鐘以上的耐受電壓能力
- 額定脈衝電壓(Rated impulse voltage, UNi)：
製造商對設備或元件所定義的脈衝電壓值，表示該絕緣對抗瞬態過電壓的耐受能力
2.2 絕緣類型
可定義為五種不同目的的標準：
- 基本絕緣(Basic insulation)：單層絕緣，可提供使用者基本的防觸電保護
- 雙重絕緣(Double insulation)：同時包括基本絕緣及輔助絕緣
- 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
- 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
- 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
2.3 污染等級(Pollution degree)
EN 50124定義了產品在操作環境下所存在的污染，如圖2分為下列不同的汙染程度，相較於IEC 62368所描述的PD1~PD3，在鐵道應用上的外在環境更加嚴苛，增加了PD3A與PD4、PD4A與PD4B的細部分類。
絕緣會受到微觀環境的影響，微小的灰塵與水氣凝結，都有可能使絕緣保護措施無效，因此透過有效的外殼或密封方式，可以減少絕緣保護的措施。
| Dust Deposit | Humidity | |
| PD1 |
- no pollution - non-conductive - well protected |
- dry - no condensation |
| PD2 |
- non-conductive - protected - temporary conductivity caused by condensation |
- rare, short temporary condensation |
| PD3 | - low conductivity (caused by condenstation) | - frequent condensation |
| PD3A | - low conductivity |
- damp - long time condensation |
| PD4 | - occasionally conductive with periodic cleaning | -rain, snow, ice, fog |
| PD4A(1) | - occasionally conductive coming from heavy pollution | -rain, snow, ice, fog |
| PD4B(2) | - occasionally conductive coming from very heavy pollution | -rain, snow, ice, fog |
3. 絕緣距離
絕緣距離會根據電壓、需求的絕緣類型、材料等級、汙染等級以及過電壓類別而有所不同。首先，鐵道系統的供電環境，大多是集電弓或第三軌供電系統，或者是將能量儲存至列車的電池系統，因此圖5將設備的標稱電壓分為三大類，DC、AC與電池系統，分別能對應到最小額定絕緣電壓(UNm)。再由額定絕緣電壓(UNm)與過電壓等級(OV)透過圖6可以得到額定脈衝電壓(UNi)。其中OV及材料等級也是影響絕緣距離的要素，其詳細定義請參閱《什麼是絕緣距離？》。
由以上的結果再考慮汙染等級(PD)之後，對應圖7可以得到最小直線距離的要求。而沿面距離須考慮額定絕緣電壓(UNm)與汙染等級之外，需再考量材料等級，並查表可以得出最小沿面距離。表格內的數值允許使用內插法來得到更精確的數值。若沿面距離不足，可藉由材料表面的溝槽或突起來增加距離。
| Nominal voltage Un | Minimun values of the rated Insulation voltage UNm | ||
| Power supply system according to EN50163 | Battery supply systems | ||
|
d.c. kV |
a.c. kV |
V |
kV |
| 24/36 | 0.05 | ||
| 48/72 | 0.1 | ||
| 110/120 | 0.15 | ||
| 0.6 | 0.72 | ||
| 0.75 | 0.9 | ||
| 1.5 | 1.8 | ||
| 3.0 | 3.6 | ||
| 15 | 17.25 | ||
| 25 | 27.5 (36a/52a) | ||
|
Nominal voltage Un of the supply system (V) |
Rated Insulation voltage UNm a.c. or d.c. (V) |
Rated Impulse voltage UNi (KV) |
||||
| 3-phase | 1-phase | OV1 | OV2 | OV3 | OV4 | |
| up to 50 | 0.33 | 0.5 | 0.8 | 1.5 | ||
| up to 100 | 0.5 | 0.8 | 1.5 | 2.5 | ||
| 120 to 240 | up to 150 | 0.8 | 1.5 | 2.5 | 4.0 | |
| 230/400 277/480 | up to 300 | 1.5 | 2.5 | 4.0 | 6.0 | |
| 400/690 | up to 600 | 2.5 | 4.0 | 6.0 | 8.0 | |
| 1000 | up to 1000 | 4.0 | 6.0 | 8.0 | 12.0 | |
|
UNi (kV) |
PD1 | PD2 | PD3 | PD3A | PD4 | PD4A | PD4B |
| 0.33 | 0.01 | 0.20 | 0.80 | 1.60 | 5.50 | ||
| 0.5 | 0.04 | 0.20 | 0.80 | 1.60 | 5.50 | ||
| 0.8 | 0.10 | 0.20 | 0.80 | 1.60 | 5.50 | ||
| 1.5 | 0.50 | 0.50 | 0.80 | 1.60 | 5.50 | ||
| 2.5 | 1.50 | 1.50 | 1.50 | 1.60 | 5.50 | ||
| 3 | 2 | 5.5 | |||||
| 3.5 | 2.5 | 6.2 | |||||
| 4 | 3 | 7.0 | |||||
| 4.5 | 3.5 | 8.0 | |||||
| 5 | 4 | 8.5 | |||||
| 6 | 5.5 | 10 | 18 | 20 | |||
| 8 | 8 | 14 | 21 | 23 | |||
| 10 | 11 | 18 | 23 | 26 | |||
| 12 | 14 | 22 | 27 | 30 | |||
| 15 | 18 | 27 | 33 | 37 | |||
| 18 | 22 | 32 | 39 | 43 | |||
| 20 | 25 | 36 | 43 | 48 | |||
| 25 | 32 | 45 | 53 | 58 | |||
| 30 | 40 | 54 | 63 | 68 | |||
| 40 | 60 | 72 | 82 | 87 | |||
| 50 | 75 | 91 | 101 | 106 | |||
|
UNm
(V) |
PD1 | PD2 | PD3 | PD3A and PD4 | ||||||
| Material Groups I-II-IIIa-IIIb | Material Group | Material Group | Matrial Group | |||||||
| I | II | III | I | II | III | I | II | III | ||
| 10 | 0.080 | 0.40 | 1.0 | 1.6 | ||||||
| 12.5 | 0.090 | 0.42 | 1.05 | 1.6 | ||||||
| 16 | 0.100 | 0.45 | 1.1 | 1.6 | ||||||
| 20 | 0.110 | 0.48 | 1.2 | 1.6 | ||||||
| 25 | 0.125 | 0.50 | 1.25 | 1.7 | ||||||
| 32 | 0.140 | 0.53 | 1.3 | 1.8 | ||||||
| 40 | 0.16 | 0.56 | 0.8 | 1.1 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 1.9 | 2.4 | 3.0 |
| 50 | 0.18 | 0.6 | 0.85 | 1.2 | 1.5 | 1.7 | 1.9 | 2.0 | 2.5 | 3.2 |
| 63 | 0.2 | 0.63 | 0.9 | 1.25 | 1.6 | 1.8 | 2.0 | 2.1 | 2.6 | 3.4 |
| 80 | 0.22 | 0.67 | 0.95 | 1.3 | 1.7 | 1.9 | 2.1 | 2.2 | 2.8 | 3.6 |
| 100 | 0.25 | 0.71 | 1.0 | 1.4 | 1.8 | 2.0 | 2.2 | 2.5 | 3.2 | 4.0 |
| 125 | 0.28 | 0.75 | 1.05 | 1.5 | 1.9 | 2.1 | 2.4 | 2.5 | 3.2 | 4.0 |
| 160 | 0.32 | 0.8 | 1.1 | 1.6 | 2.0 | 2.2 | 2.5 | 3.2 | 4.0 | 5.0 |
| 200 | 0.42 | 1.0 | 1.4 | 2.0 | 2.5 | 2.8 | 3.2 | 4.0 | 5.0 | 6.3 |
| 250 | 0.56 | 1.25 | 1.8 | 2.5 | 3.2 | 3.6 | 4.0 | 5.0 | 6.3 | 8.0 |
| 320 | 0.75 | 1.6 | 2.2 | 3.2 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 6.3 | 8.0 | 10 |
| 400 | 1.0 | 2.0 | 2.8 | 4.0 | 5.0 | 5.6 | 6.3 | 8.0 | 10 | 12.5 |
| 500 | 1.3 | 2.5 | 3.6 | 5.0 | 6.3 | 7.1 | 8.0 | 10 | 12.5 | 16 |
| 630 | 1.8 | 3.2 | 4.5 | 6.3 | 8.0 | 9.0 | 10 | 12.5 | 16 | 20 |
| 800 | 2.4 | 4.0 | 5.6 | 8.0 | 10 | 11 | 12.5 | 16 | 20 | 25 |
| 1000 | 3.2 | 5.0 | 7.1 | 10 | 12.5 | 14 | 16 | 20 | 25 | 32 |
4. 距離的確認
直線距離與沿面距離的確認可藉由量測進行判斷，而直線距離也可以由電壓測試的方式來確認是否達到標準，但不可以使用此方法執行常規的絕緣耐壓測試。需特別注意的是，沿面距離只能以量測方法來確認，不能以電壓測試方式取代。
測試的電壓參考EN50124表A.8，由直線距離對應到的電壓值進行測試，測試方法如下：
- 脈衝測試：連續施加1.2/50us的脈衝電壓三次
- 電力頻率測試：使用頻率50Hz的交流電壓持續5秒
- 直流電壓測試：施加直流電壓持續5秒
5. 如何達到加強絕緣
電源產品應用在鐵道上會符合EN 50155標準，其中包含操作溫度、電壓中斷與隔離耐壓等等的要求。除了EN50155之外，鐵道類的絕緣距離要求是參照EN50124，其中最為嚴格的絕緣類型為加強絕緣。若要使電源轉換器達到加強絕緣，需要將電源轉換器內部的直線距離與沿面距離完全拉開以符合加強絕緣的等級。除此之外，利用外部系統做為輔助絕緣也是一種被考慮的方法，並搭配轉換器本身為基本絕緣，即可形成雙重絕緣，其絕緣等級可等同於加強絕緣。
因為EN 50124不考慮固體及液體的絕緣，不像有些規範可以使用膠或其他材質做為距離的替代方案，要達到加強絕緣所規定的距離並且有體積的限制之下，這將是電源設計上很大的挑戰。因此若能與整體的系統配合，使整個系統達到雙重絕緣的效果，便能滿足安全上的要求，也能降低設計的困難度。
取一鐵道用DC/DC電源轉換器，輸入電壓範圍為24-160VDC，轉換器要達到基本與加強絕緣的直線距離與沿面距離計算如下：
5.1 加強絕緣
要達到加強絕緣等級的電源轉換器，必須確認電源轉換器內部一、二次側的距離是否足夠，並考慮過電壓類別為OV2，汙染等級為PD2且材料等級為III的情況下。加強絕緣的直線距離的最小要求是1.5mm，沿面距離要達到3.2mm，如上圖9所示。
5.2 基本絕緣+輔助絕緣
基本絕緣須達到的直線距離最小要求是0.5mm，沿面距離為1.6mm。相較於加強絕緣的要求，基本絕緣可以縮短約一半的距離。而外部系統所提供的輔助絕緣，可由線路設計或是增加保護外殼的方式來將電源轉換器包含在內，當基本絕緣失效時，輔助絕緣可以保護使用者免受電擊，形成雙重絕緣的作用。
6. 總結
由於鐵道的發展已經超過百年，相關的國際規範相當多，EN 50124為針對絕緣距離所訂定的規範，並詳細描述絕緣距離的定義。在電源轉換器的設計上，距離的考量相當重要，尤其在EN50124無法使用其他材質做為絕緣的替代方案，只有距離才能滿足要求，雖然增加了設計的困難度，但是基於安全性，這些要求是不容許被輕視的。
頻譜電子為專業的高階電源模組(交流轉直流電源轉換器, 直流轉直流電源轉換器)提供設計製造及技術服務，服務範圍遍及全球。我們的核心能力為領先的技術、具競爭力的成本效益、極具彈性的交貨時間, 全球性的技術服務以及高品質製造(台灣製造)。
頻譜電子是業界中唯一擁有ISO9001, IATF16949, ISO22163(IRIS)以及ESD20.20。我們可以從專案的最初開始，完整地確認產品、流程及服務都是符合品質管理系統的要求。從設計、製造到技術服務等每個細節都在最高標準的要求下進行。