余林刚，丰利军，关 涛



舰用直流1000 V等级开关设备绝缘要求研究

余林刚，丰利军1，关 涛2

（海军研究院，上海 200235）

舰用直流1000 V等级开关设备是舰船综合电力系统1000 V等级直流区域配电系统的关键设备，本文针对现有军用标准绝缘要求的适用性问题，通过国内外相关标准规范，从直流1000 V电压等级、直流1000 V等级开关设备的绝缘要素、直流1000 V等级开关设备绝缘要求等方面进行了分析，提出了舰用直流1000 V等级开关设备的绝缘要求建议。

舰用 直流1000V等级 开关设备 绝缘要求

0 引言

舰船综合电力系统是将传统舰船中相互独立的动力和电力两大系统合二为一，以电能的形式统一为推进负载、脉冲负载、通信、导航和日用设备等供电，实现了全舰能源的综合利用[1]，综合电力系统已经越来越成为当前发达国家海军舰船动力系统的发展趋势[2]。直流区域配电系统是当前舰船综合电力系统的重要组成部分[1]，相比传统的基于树干或辐射式交流集中配电方式，更有利于舰船模块化建造、提高电力系统的效率、可靠性和生命力。在美国“弗吉尼亚”级核潜艇、水面DDG 1000驱逐舰等新型舰艇上已采用低压直流区域配电相关技术，随着分区内负载容量的不断增大，提高直流电压特别是采用低压范围内的较高电压，并兼顾电力电子电流变换装置广泛采用的额定1700 V成熟IGBT模块的安全裕量，1000 V等级直流区域配电方案成为研究的关注方向[3]。

直流1000 V等级开关设备作为1000 V等级直流区域配电系统的关键设备，其绝缘性能指标直接影响系统的绝缘配合和装置本身的重量尺寸，也一定程度上影响舰船综合电力系统的优化设计和设备布置。目前舰船电力系统和设备的相关军用标准规范中还缺乏明确针对系统电压为直流1000 V等级的绝缘性能要求，将对1000 V等级直流区域配电系统的设计和开关设备的研制带来不小的困扰，因此通过分析现有国内外相关标准规范，研究提出舰用直流1000 V等级开关设备绝缘性能指标要求建议显得十分必要。

1 直流1000 V电压等级

相比低压电气设备，中高压电气设备除了绝缘性能要求外，在其他安全性要求方面有较大的差异，对于在直流1000 V等级系统中工作的电气设备，首先必须确定其是低压设备还是中高压设备。

近期美军标准草案MIL-STD-1399 SECTION LVDC DRAFT规定了低压DC375 V、650 V和1000 V三个直流电压等级的电力品质和界面参数，而大于1000 V的直流电力系统界面要求在MIL-STD-1399 SECTION MVDC DRAFT中压部分中规定，且该MVDC标准中明确规定了DC600 V、12000 V和18000 V三个中压直流电压等级的电力品质和界面参数。根据这两份标准草案电压等级的划分，可认为美国海军将直流1000 V归入低压范畴。在CCS规范的定义中，规定在额定工作条件下导体间最高电压不超过1500V的直流系统为低压直流系统。GB 7251.1《低压成套开关设备和控制设备总则》规定适用于DC1500 V及以下的成套开关设备和控制设备。IEEE C37.100.1《Requirement for High Voltage Power Switchgear Rated Above 1000 V》明确规定适用于额定电压高于DC1000 V（不包含）的高压开关设备。IEEE 1709-2010《Recommended Practice for 1kV to 35 kV Medium-Voltage DC Power Systems on Ships》适用于高于1 kV直到并且包括35 kV的船舶中压直流系统，该标准规定首选的额定电压为1.5 kV（或通过双极实现±0.75 kV）及以上的一系列标准电压，1000 V及以下应属于低压。

从上述国内外标准规范[4-9]的规定看，可见DC1000 V属于低压范畴，系统直流电压1000 V的配电系统，系统稳态过电压范围不超过直流1500 V，系统内开关设备应为低压直流电气设备。

2 直流1000 V等级开关设备的绝缘要素

直流1000 V等级开关设备的绝缘水平是直流1000 V等级区域配电系统绝缘水平的重要因素。开关设备绝缘性能的好坏体现在系统中承受各种电压所引起的绝缘损坏程度的大小。在绝缘性能检测中，检查局部放电对绝缘的影响和外绝缘的放电性能时通常采用工频耐压试验，检验设备绝缘耐受过电压性能时通常采用冲击耐压试验。在开关设备设计研制中则具体以电气间隙和爬电距离来保证在系统各种电压下良好的绝缘性能。

所谓电气间隙是指两个导电部分之间的最短直线距离，而爬电距离则是指两个导电部分之间沿绝缘材料表面的最短距离。开关设备电气间隙和爬电距离的取值大小主要取决于工作时承受的瞬态过电压、电场均匀程度和污染等级等因素。开关设备合理设计电气间隙和爬电距离，一方面关系到开关设备在长期使用过程中能否保证安全可靠，另一方面也直接影响开关设备的重量尺寸大小。开关设备需要在较为恶劣的温度、湿度、盐雾、油雾、尘埃等使用环境中安全可靠工作，同时又要兼顾重量尺寸。因此，电气间隙和爬电距离是1000 V等级开关设备非常基本的绝缘性能指标要素。

3 直流1000 V等级开关设备绝缘要求的相关标准研究

研究确定舰船直流1000 V等级开关设备的绝缘要求，主要是确定对应绝缘电压下的最小电气间隙和爬电距离要求。在缺乏舰船各种环境条件下，不同材料、不同使用场合开关设备绝缘性能试验数据统计分析的情况下，本文从现有国内外相关标准规范规定的绝缘要求进行分析研究。目前军用标准对直流1000 V等级电气设备电气间隙和爬电距离还没有明确针对性的规定要求，因此除从现有相关军用标准分析外，也必须考虑舰船环境并分析借鉴民用相关标准的技术要求。

1）GB/T16935.1-2008(IEC60664-1：2007)《低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原理、要求和试验》[10]。GB/T16935.1-2008(IEC60664-1：2007)的附录表F.1“直接由低压电网供电的设备的额定冲击电压”，规定对于标称电压DC1000 V系统，在最为严格的过电压类别（Ⅳ类）情况下，设备额定冲击电压为12 kV，对于直流1000 V以上系统的设备冲击电压，该标准没有给出数据。根据附录表F.2“耐受瞬时过电压的电气间隙”，对于非均匀电场，规定额定冲击耐压为12 kV，对应的电气间隙为14 mm。

2）IEC 62993-2017《Guidance for Determination of Clearances, creepage distances and requirements for solid insulation for equipment with a rated voltages above 1000 V AC and 1500 V DC and up to 2000 V AC and 3000 V DC》[11]。该标准对交流2000 V及以下、直流3000 V及以下的绝缘配合要求进行了规定，给出了对应系统最高电压电气设备不同过电压类别时的额定冲击耐压要求（部分摘录见表1，原标准中Table1），以及对应的电气间隙要求（部分摘录见表2，原标准中Table2）。

表1 根据过电压类别的额定冲击耐压

表2 电气间隙与额定冲击耐压的对应关系

表3 利用额定冲击电压UNi确定空气中的最小电气间隙（mm）

3）EN50124-1：2001《Railway applications — Insulation coordination Part 1:Basic requirements —Clearances and creepage distances for all electrical and electronic equipment》[12]。该标准规定了欧洲铁路应用的绝缘配合要求。该标准表A.1中规定DC1000 V供电系统的额定冲击耐压，在过电压类别（Ⅳ类）时为12 kV，在过电压类别（Ⅲ类）时为8 kV，与GB/T16935.1-2008(IEC60664-1：2007)一致。

该标准表A.3“利用额定冲击电压确定空气中的最小电气间隙”，按照额定冲击耐压为12 kV，污染等级为PD3A电气间隙为14 mm，PD4电气间隙为22 mm，PD4A电气间隙为27 mm。舰用环境大约在PD3A和PD4A之间，不到PD4A等级，对应电气间隙应小于27 mm。

该标准额定冲击电压下的最小电气间隙（部分摘录）见表3。

4）GB/T 25890.1-2010《轨道交通 地面装置直流开关设备 第1部分：总则》[13]。该标准规定的电气间隙要求（部分摘录）见下表4，其中U为装置标称电压，U为额定电压，U为系统最高电压。若按照系统最高电压1.8 kV，在污染等级为3类时，该电压等级对应的户内电气间隙（对地和极间）为18 mm，在污染等级为4类时，该电压等级对应的户内电气间隙（对地和极间）为27 mm。若按照系统最高电压1.2 kV，在污染等级为3类时，该电压等级对应的户内电气间隙（对地和极间）为14 mm，在污染等级为4类时，该电压等级对应的户内电气间隙（对地和极间）为22 mm。舰船舱室内环境污染等级不高于4级，1000 V等级直流区域配电系统最高电压应约相当于1.2 kV但不超过1.8 kV，可见直流1000 V等级开关设备电气间隙应大于等于22 mm但小于27 mm。该标准中爬电距离的以系统最高电压U为基础，根据该标准中表D.1和表D.2，爬电距离按下表7确定。

若轨道交通地面开关设备系统最高电压1.8 kV，则户内其最高要求的爬电距离也就54 mm。

5）GB 1497-1985《低压电器基本标准的绝缘配合要求》[14]。该标准对非均匀电场条件下（情况A）电气设备冲击耐压和电气间隙进行了规定，见表5（原标准摘录）。该标准对爬电距离的规定见表6（原标准摘录），同时规定对于表5中安装类别（过电压类别）为IV的爬电距离应按表7中提高两个额定绝缘电压等级的要求。

从表5可见，开关设备污染等级4、安装类别IV，电压在直流1000 V的电气间隙为14 mm，电压在直流1200 V～1500 V之间，电气间隙为25 mm。

安装类别IV的开关设备按此标准要求爬电距离为高两个电压等级的数据，从表6可知，开关设备污染等级4、材料组别IIIa，电压为直流1250 V时应选用2000 V的数据，为63 mm，电压为直流1600 V时应选用2500 V的数据，为80 mm。

表4 绝缘水平

表5 冲击耐压和电气间隙

由额定系统电压给定的相对地电压（交流有效值和直流值）V冲击耐压电气间隙对污染等级2,3,4对于非均匀电场条件（情况A），相应于安装类别（过电压类别）和相应的最小电气间隙的冲击耐压 安装类别（过电压类别） IIIIIIIV 600＜U≤1000冲击耐压40006000800012000 电气间隙mm污染等级23.05.5814 33.05.5814 43.05.5814 1000＜U≤1200，直流1200＜U≤1500冲击耐压40006000800012000 电气间隙mm污染等级25.581425 35.581425 45.581425

表6 最小爬电距离

表7 爬电距离推荐值（以UNm为基础）

表8 电气间隙与爬电距离

表9 舰用直流1000V等级开关设备的电气间隙和爬距离

从表6可见，开关设备污染等级4、安装类别IV，电压在直流1000 V的电气间隙为14 mm，电压在直流1200 V～1500 V之间，电气间隙为25 mm。

安装类别IV的开关设备按此标准要求爬电距离为高两个电压等级的数据，从表7可知，开关设备污染等级4、材料组别IIIa，电压为直流1250 V时应选用2000 V的数据，为63 mm，电压为直流1600 V时应选用2500 V的数据，为80 mm。

6)美军电气设备相关标准[15,16]。美国军用标准MIL-DTL-17587C《低压抽屉式空气断路器通用规范》、MIL-DTL-917F《电力设备基本要求》中规定了交流1000 V以下和直流1500 V以下低压电器的通用要求，其中规定了600 V～1000 V（包含1000 V）电器的电气间隙为12.7 mm，爬电距离为50.8 mm；1000 V（不包含1000 V）～3000 V电器的电气间隙为50.8 mm，爬电距离为101.6 mm。具体见表8（部分摘录）。我国军用标准参考了美军标准的绝缘配合要求。

但业内专家普遍认为1000 V（不包含1000 V）～3000 V电器设备的电气间隙和爬电距离对于1000 V等级而言要求过高，由于直流1000 V等级的低压配电系统长期以来未在舰船电力系统中应用，美军在当时制定这些标准时还没有相关1000 V等级设备的应用，这些指标简单地参考了交流中压3000 V电压等级的设备而制定，没有对1000 V～3000 V之间电压进行细分，因此这些指标要求作为直流1000 V～1500 V的设备显得要求过高，针对性不强。直流1000 V等级电器设备的电气间隙和爬电距离要求，应根据额定绝缘电压（或实际工作电压），污染等级和绝缘材料组别等舰船实际使用环境研究确定。

7）光伏行业标准。光伏行业相关标准中，如GB/T34581-2017《光伏系统用直流断路器通用技术要求》的规定，DC1000 V光伏开关设备的额定冲击耐压基本上按照8 kV和12 kV进行选取的。然后再按照IEC60664或GB/T16935.1-2008等相关标准选取相应的电气间隙和最小爬电距离。与1）到5）论述的基本一致。

4 舰用直流1000 V等级开关设备绝缘要求建议

民用标准规范，以及美军标准（MIL）的分析表明，军用标准规定的开关设备电气间隙和爬电距离要求高于民用标准，GJB基本上是参考MIL标准的。因此按照美军标准的出发点，适应舰船环境条件，相比民用标准适当严格要求舰用开关设备的电气间隙和爬电距离指标是必要的，舰用开关设备不但要保证在出厂时达到规定的性能要求，也必须在舰船环境下长期使用过程中积累了综合污染后仍可保证其安全可靠地工作。

由于直流1000 V等级的低压配电系统长期以来未在舰船电力系统中应用，美军和我军在当时制定这些标准时还没有相关1000 V等级设备的应用，这些指标简单地参考了交流3 kV电压等级的设备制定，笼统地规定了1000 V～3000 V之间的电气间隙和爬电距离，覆盖电压范围过宽，直接作为直流1000 V～1500 V的设备显得要求过高，有必要对军用标准的1000 V～3000 V电压范围进行细分，提高电气间隙和爬电距离要求对直流1000 V等级开关设备的针对性和适用性。

对于舰船直流1000 V等级区域配电系统，考虑系统电压变化范围±10%，此时系统最高电压为1100 V，也即开关设备额定绝缘电压为1100 V，考虑系统电压变化范围±20%，额定绝缘电压也就1200 V。因此在考虑细分已有美军标等军用标准中直流电压1000 V～3000 V范围的电气间隙和爬电距离规定时，建议可分为直流1000V～1250 V、1250 V～1500 V和1500 V～3000 V三个级别的范围。这样划分既能有效缩小覆盖1000 V直流区域配电系统开关设备的额定绝缘电压范围，又能提高电气间隙和爬电距离要求的针对性和适用性，既可保证开关设备安全可靠工作，又有利于减小开关设备的重量尺寸。按直流1000 V等级开关设备在系统中的额定绝缘电压要求，现阶段先规定直流1000 V～1250 V、1250 V～1500 V两个等级范围的电气间隙和爬电距离已可完全指导相当一段时期内的舰船综合电力系统直流区域配电系统设备的设计研制工作。根据本文第4章对相关标准的分析结果，建议舰用直流1000 V等级开关设备的电气间隙和爬电距离要求如表9。

5 结束语

针对直流1000 V等级开关设备在舰船综合电力系统1000 V等级直流区域配电系统的应用需求，以及当前军用标准对直流1000 V等级开关设备电气间隙和爬电距离的绝缘性能要求缺乏针对性和适用性的问题，通过对国内外民用标准和军用标准中类似电压等级直流开关设备绝缘要求的分析，考虑舰船使用环境和舰船综合电力系统1000 V等级直流区域配电系统开关设备额定绝缘电压要求，对已有军用标准电压范围进行了适当细分，研究提出了更具有针对性和适用性的舰用直流1000 V等级开关设备的电气间隙和爬电距离要求。今后也可在实际研制、试验和使用中进一步进行专题研究完善。

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[5] MIL-STD-1399(NAVY) section mvdc draft, depa r- tment of defense interface standard section mvdc, electric power, high voltage direct current[S]. Na-val Sea Systems Command, 2016.

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[7] 低压成套开关设备和控制设备总则: GB 7251.1-2013[S]. 北京: 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会, 2013.

[8] Requirement for High Voltage Power Switchgear Rated Above 1000V: IEEE C37. 100. 1-2007[S]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2-007.

[9] Recommended Practice for 1kV to 35 kV Medium-Voltage DC Power Systems on Ships: IEEE 1709-2010[S]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2007.

[10] 低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原理、要求和试验: GB/T16935.1-2008(IEC60664-1：2007)[S]. 北京: 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会, 2008.

[11] Guidance for Determination of Clearances, creepage distances and requirements for solid insulation for equipment with a rated voltages above 1000V AC and 1500V DC, and up to 2000V AC and 3000V DC:IEC/TS 62993[S]. International Electrotechnical Commission, 2017.

[12] Railway applications—Insulation coordination Part 1:Basic requirements —Clearances and creepage d-istances for all electrical and electronic equipment:EN50124-1: 2001[S]. European Committee for Ele-ctrotechnical Standardization, 2001.

[13] 轨道交通地面装置直流开关设备第1部分总则: GB/T 25890.1-2010[S]. 北京: 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会, 2011.

[14] 低压电器基本标准的绝缘配合要求: GB 1497-1985[S]. 北京: 国家标准局, 1985.

[15] 低压抽屉式空气断路器通用规范: MIL-DTL-17587C[S]. 上海: 上海电器科学研究所（集团）有限公司译, 2017.

[16] 电力设备基本要求: MIL-DTL-917F[S]. 上海: 上海电器科学研究所（集团）有限公司译, 2017.

Study on Insulation Requirements of DC 1000V Warship Switchgear

Yu Lingang，Feng Lijun1，Guan Tao2

(Naval Research Acadimy, Shanghai 200235, China)

TM564

A

1003-4862（2019）01-0005-06

2018-04-19

余林刚（1969-），男，高工。研究方向：装备科技创新和舰船电力系统标准规范研究工作。E-mail: yulingang@163.com