Distanza superficiale in una scatola di giunzione: perché 1500 V ha cambiato il design

Risposta rapida: La distanza superficiale è il percorso più breve lungo la superficie di un isolante tra due conduttori. Il distanziamento in aria è il percorso più breve attraverso l'aria. Cedono per motivi diversi, quindi un disegno che soddisfa uno può fallire l'altro, e su un modulo da 1500 V il percorso superficiale è quello che crea problemi. All'interno di una scatola di giunzione il numero non si preleva da una scheda tecnica: si ricava dalla tensione di esercizio, dal grado di inquinamento e dall'indice di resistenza al tracking del materiale, poi si raddoppia per l'isolamento rinforzato. Al livello di 1600 V, una scatola in materiale del gruppo I a grado di inquinamento 2 richiede 8 mm per l'isolamento di base e 16 mm per quello rinforzato. Passando al gruppo III a grado di inquinamento 3, lo stesso requisito diventa 25 mm e 50 mm. Una scatola grande quanto un palmo non può trovare 50 mm, ed è per questo che l'incapsulamento e la scelta del materiale sono decisioni strutturali, non fasi di finitura.

Ogni scatola di giunzione viene fornita con un rapporto di prova di tipo, e quel rapporto contiene un foglio di misurazione con due colonne che sembrano intercambiabili. Non lo sono, e leggerle come una sola è il modo in cui un progetto da 1000 V ottiene una nuova etichetta.

Due numeri che proteggono da guasti diversi

Il distanziamento in aria è lo spazio d'aria. Esiste per impedire una scarica disruptiva: un impulso da fulmine, un transitorio di commutazione o un guasto di sistema applica una tensione rapida ed elevata attraverso lo spazio, l'aria si ionizza e un arco lo attraversa. Il distanziamento in aria dipende quindi dalla tensione di tenuta a impulso e dall'altitudine, poiché l'aria più rarefatta si perfora prima. Non dipende da ciò di cui è fatta la plastica.

La distanza superficiale è il percorso sulla superficie. Esiste per impedire il tracking: polvere, sale e umidità condensata formano un film conduttivo debole sulla superficie, piccole scariche lo percorrono, il polimero si carbonizza in una linea sottile, e quella linea diventa un percorso conduttivo che non scompare. Il fattore determinante qui è la tensione di esercizio a lungo termine e quanto si sporca la superficie, oltre alla resistenza del materiale al tracking.

La conseguenza pratica è una regola facile da enunciare e facile da dimenticare: per la stessa coppia di conduttori, la distanza superficiale non è mai inferiore al distanziamento in aria. Il percorso sulla superficie gira attorno a qualunque cosa attraversi lo spazio d'aria. Se il disegno mostra una distanza superficiale inferiore al distanziamento in aria, state misurando male uno dei due, il più delle volte prendendo una scorciatoia attraverso una scanalatura che la norma dice deve essere superata.

Tre variabili, una tabella

La IEC 62790 copre le scatole di giunzione per moduli fotovoltaici fino a 1500 V CC progettate come classe II, cioè con isolamento doppio o rinforzato. I numeri stessi provengono dalla norma di base per il coordinamento dell'isolamento, la IEC 60664-1, e si leggono da una tabella utilizzando tre input.

• Tensione di esercizio. La tensione a lungo termine tra i due conduttori, assunta come valore CC. Una tensione più elevata sostiene più facilmente una scarica superficiale, quindi la distanza richiesta aumenta. Passare da un sistema a 1000 V a uno a 1500 V è un salto a una nuova riga di quella tabella, non un piccolo incremento all'interno di una riga.
• Grado di inquinamento. Il micro-ambiente della superficie. Il grado 1 significa nessun inquinamento o solo inquinamento secco e non conduttivo. Il grado 2 significa inquinamento normalmente non conduttivo con conduttività temporanea occasionale dovuta alla condensazione. Il grado 3 significa inquinamento conduttivo, o inquinamento secco che diventa conduttivo quando condensa. Una superficie esterna esposta è di grado 3; un interno ben sigillato è spesso valutato come grado 2.
• Gruppo di materiale. L'indice di resistenza comparativa al tracking, la tensione che una superficie sopporta sotto gocce ripetute di elettrolita prima che si formi un percorso di tracking. Il gruppo I è 600 e oltre, il gruppo II è da 400 a 600, il gruppo IIIa è da 175 a 400, il gruppo IIIb è da 100 a 175. Un indice più alto comporta una distanza più breve.

Poi viene il tipo di isolamento. Da una parte in tensione a una superficie accessibile si ha isolamento rinforzato, e la distanza superficiale richiesta è generalmente il doppio del valore di base. Mettendo insieme le tre variabili e il tipo di isolamento si ottiene la tabella seguente, per il livello di 1600 V in cui di solito ricade un sistema a 1500 V.

Valori come tabulati nell'articolo di origine per il livello di 1600 V della IEC 60664-1, con isolamento rinforzato al doppio del valore di base e gruppo III letto come IIIa. Considerateli come la forma del requisito, non come un sostituto dell'edizione corrente della norma.

Leggete prima l'angolo in basso a destra. Una scatola con basso indice di tracking, con parti in tensione esposte a un ambiente di grado 3 e tenuta a garantire un isolamento rinforzato, necessita di 50 mm di percorso superficiale. Non esiste alcuna disposizione di nervature all'interno di una scatola di giunzione che produca onestamente 50 mm. Quella singola cella spiega la maggior parte delle decisioni progettuali nella categoria di prodotto.

Lo stesso requisito, disegnato in sei modi

Un requisito, sei risposte. La stessa tensione di esercizio di 1600 V richiede 8 mm nella cella in alto a sinistra e 50 mm in quella in basso a destra, prima di qualsiasi tolleranza per la misurazione.

Il punto della matrice non sono i numeri ma il loro intervallo. Tra la cella in alto a sinistra e quella in basso a destra il requisito cresce di oltre sei volte, a tensione di esercizio identica. Nulla del modulo è cambiato. Ciò che è cambiato è dove si trova la superficie e di cosa è fatta, ed entrambe sono scelte fatte su un disegno e in una scheda di specifica del materiale.

Dove corrono effettivamente i percorsi in una scatola

Una scatola di giunzione è piccola, quindi l'intuizione suggerisce che le distanze siano brevi e il problema banale. In pratica esistono tre classi di percorso, con tre requisiti diversi, e solo una di esse è di solito quella difficile.

• Parte attiva verso superficie esterna. Da un terminale o una barra collettrice, attraverso l'interno, passando per o attorno al corpo, fino all'esterno dell'involucro e alla faccia di montaggio del backsheet. Questa è l'isolamento verso terra ed è valutata come rinforzata. È il percorso che più spesso blocca un progetto, perché deve uscire dalla scatola.
• Terminale verso terminale. I terminali adiacenti si trovano ai due lati di un diodo di bypass, che protegge una sottostringa, quindi la differenza di potenziale è al massimo di decine di volt. Questa è isolamento funzionale e il suo requisito è molto inferiore. Raramente è il vincolo, anche se è il percorso che le persone misurano per primo perché è il più facile da vedere.
• Uscita dei cavi, guarnizione e giunzione del coperchio. Di solito non è il percorso più breve, ma queste sono le vie attraverso cui entrano umidità e contaminazione. Decidono a quale grado di inquinamento può essere valutato l'interno, quindi stabiliscono il requisito per tutto il resto. Un interno perfetto da 16 mm dentro una scatola che respira è un requisito da 40 mm mascherato.

La misurazione ha una sua convenzione, ed è qui che i disegni sbagliano in silenzio. Quando il percorso attraversa una scanalatura, non tutte le scanalature contano. Se la scanalatura è più stretta della larghezza specificata X, la contaminazione la colma e il percorso viene preso dritto attraverso l'apertura della scanalatura. Solo una scanalatura più larga di X contribuisce con le sue pareti e il suo fondo al percorso misurato. X segue il grado di inquinamento: circa 1,0 mm al grado 2 e circa 1,5 mm al grado 3. Le nervature e le fessure all'interno delle scatole esistono proprio per allungare il percorso superficiale entro un volume fisso, e una nervatura più stretta di X non ha fatto assolutamente nulla.

Il potting è una decisione sul grado di inquinamento

Torna alla matrice e nota quali variabili possiedi davvero. La tensione di esercizio è stabilita dal sistema. Le dimensioni esterne sono stabilite dal modulo, dallo spazio del backsheet e dalla distinta base. Restano due leve: il materiale e il grado di inquinamento. Le scatole di produzione tirano entrambe contemporaneamente.

La leva del materiale significa scegliere un composto con alto indice di resistenza al tracking, tipicamente un PPO modificato o una classe di PC. Il problema è che l'indice è una proprietà della formulazione, non della famiglia di polimeri: ritardanti di fiamma, cariche e persino coloranti lo spostano, e la stessa classe in un colore diverso o da un lotto diverso può finire in un gruppo diverso. Una qualifica del materiale che copia il valore della scheda tecnica e salta il test di tracking non ha qualificato nulla.

La leva dell'inquinamento è dove entra in gioco il potting. Un composto di potting che copre completamente le parti attive rimuove la superficie dal contatto con aria e umidità, il che consente di valutare il grado di inquinamento di quella regione molto più basso. Al limite il requisito non è più un percorso superficiale ma isolamento solido attraverso il composto. La IEC 62790 richiede che qualsiasi riduzione del grado di inquinamento mediante rivestimento o potting soddisfi le condizioni del suo Allegato B, e il principio alla base proviene dalla IEC 60664-3; l'edizione 2020 ha anche aggiunto le distanze attraverso giunzioni cementate alla sua tabella 3.

Questo ridefinisce a cosa serve la linea di colla. Il potting è di solito descritto come protezione dall'umidità e conduzione termica. Nell'argomentazione sull'isolamento è anche ciò che riscrive il grado di inquinamento, e lo riscrive solo finché il composto è integro e adeso. Un vuoto, una cavità di ritiro o una zona di distacco lungo un terminale non riducono le prestazioni di isolamento di una percentuale. Reintroducono localmente il percorso superficiale che pensavi di aver rimosso, al requisito completo di grado 3, in un punto che nessuno misura.

Cosa deve sopravvivere il potting per mantenere quel credito

Poiché il credito è condizionato, i criteri di accettazione per il potting sono elettrici anziché estetici, e devono essere scritti in questo modo sul foglio di processo.

Sulla nostra linea, valutiamo le scatole di giunzione pottate eseguendo prove di tenuta dielettrica e di resistenza di isolamento fino a 1500 V, confermando che nessun vuoto interno o difetto di polimerizzazione comprometta l'isolamento elettrico richiesto.

• Copertura e altezza di riempimento. Ogni parte attiva da cui dipende l'argomentazione sull'isolamento deve essere sotto il composto, all'altezza specificata, su ogni unità. Il peso o il volume per iniezione è il proxy economico; una sezione trasversale su un primo pezzo è il controllo onesto.
• Vuoti e cavità di ritiro. Rapporto di miscelazione, degassaggio e profilo di polimerizzazione li determinano. Un dosatore miscelatore a due componenti che mantiene il rapporto entro una tolleranza dichiarata è ciò che rende ripetibile l'argomentazione, ed è per questo che la precisione di dosaggio della stazione di riempimento è un parametro di isolamento e non solo di costo.
• Aderenza al corpo e al terminale. Il composto deve rimanere attaccato attraverso caldo umido e cicli termici. Una volta che si solleva, la superficie è di nuovo lì, e il margine di progetto se ne va con essa.
• Evidenza dopo l'invecchiamento. Il credito è rivendicato dopo la sequenza di invecchiamento, non prima. Se il rapporto di qualifica mostra l'aderenza del potting solo prima del caldo umido, il numero nella tabella non è ancora tuo.

Perché una scatola da 1000 V non diventa una scatola da 1500 V

La versione più costosa di questo errore è commerciale: prendere un involucro qualificato da 1000 V, stampare una nuova etichetta, spedirlo in un sistema da 1500 V. Il salto di tensione sposta il requisito su una nuova riga della tabella, e la geometria esistente, il gruppo di materiale esistente e la disposizione di potting esistente erano tutti ottimizzati per la vecchia riga. A volte il progetto passa comunque; l'unico modo per saperlo è rifare la misurazione superficiale alla nuova tensione e rieseguire i test pertinenti. La stessa logica si applica un livello più in alto: il passaggio verso sistemi a 2000 V non cambia solo il progetto delle celle e dei moduli, riapre il fascicolo di coordinamento dell'isolamento per ogni componente sul lato DC.

Conta anche su quale qualifica ti stai basando. IEC 61215 e IEC 61730 dimostrano cose diverse, e nessuna delle due sostituisce i requisiti costruttivi dell'altra. Il coordinamento dell'isolamento si colloca sul lato 61730, nella revisione costruttiva, e il foglio di misurazione è evidenza per quella revisione anziché per le prestazioni. Se la gerarchia stessa degli standard non è chiara nella tua organizzazione, il rapporto tra standard IEC, UL, GB/T e di gruppo vale la pena di essere chiarito prima del prossimo cambio di prodotto.

Per soddisfare i punti di ispezione IEC 61730, verifichiamo i moduli finiti utilizzando sequenze di test di sicurezza che combinano hipot, resistenza di isolamento e misurazioni di perdita in umido su ogni ciclo di produzione prima dell'imballaggio finale.

Cosa controlleremmo prima della prossima costruzione

Cinque controlli, nell'ordine che trova i problemi al costo minore.

• Leggere il requisito dal disegno, non dal rapporto. Prendere il percorso effettivo nel caso peggiore dal componente in tensione alla superficie accessibile, applicare la regola della scanalatura con la X corretta e confrontare con la cella della tabella che corrisponde al grado di inquinamento e al gruppo di materiale dichiarati. La maggior parte dei guasti si trova qui, sulla carta, gratuitamente.
• Verificare l'indice di tracking per lotto e per colore. Richiedere il test di tracking sul composto effettivamente fornito, non su una scheda tecnica di famiglia. Registrare il gruppo nel piano di ispezione in ingresso e trattare un cambio di colore come un nuovo materiale.
• Ispezionare la copertura del potting su una sezione. Un primo pezzo per turno, tagliato e fotografato, con i criteri di altezza di riempimento e di vuoti messi per iscritto. L'ispezione estetica dell'esterno di una scatola non dice nulla sull'interno.
• Testare l'isolamento elettricamente, ogni unità. Un test di tenuta dielettrica e di resistenza di isolamento a fine linea è l'unico controllo che vede l'articolo assemblato. Apparecchiature come il CHT9980A safety tester esistono esattamente per questo gate, e i limiti di prova dovrebbero derivare dal requisito costruttivo, non da un'abitudine ereditata da un prodotto precedente.
• Conservare le prove del giunto con il prodotto. Il potting e la saldatura del terminale vengono eseguiti sulla stessa linea, e un soldering step with a recorded profile è ciò che consente di sostenere in seguito che la superficie sotto il composto era pulita quando è stata ricoperta. La contaminazione sotto il potting è invisibile e permanente.

Da dove vengono questi numeri

I sei valori della matrice, i confini dei gruppi di materiale e le larghezze delle scanalature X provengono dall'articolo di origine, che li tabula per il livello 1600 V della IEC 60664-1 e osserva che l'isolamento rinforzato è assunto pari al doppio del valore di base e il gruppo III come IIIa. I numeri delle norme e il loro ambito (IEC 62790 per le junction box, IEC 60664-1 per il coordinamento dell'isolamento, IEC 60664-3 per il coating e il potting, IEC 61730-1 per la costruzione del modulo) sono come citati in quella sede.

Ciò che è nostro: la lettura della matrice come argomentazione sullo spazio di progetto, l'ordine dei cinque controlli e l'affermazione che il potting è una decisione sul grado di inquinamento prima che sull'impermeabilizzazione. Tale affermazione deriva dall'Annex B e dalla IEC 60664-3, ma la formulazione è una nostra interpretazione e il vostro organismo di certificazione ha l'ultima parola. Non abbiamo misurato le scatole nelle fotografie, e nessun numero qui proviene da un test che abbiamo eseguito.

FAQ

D: La distanza di creepage è sempre maggiore della distanza di clearance?

Per la stessa coppia di conduttori, sì. Il percorso superficiale deve aggirare qualunque cosa attraversi il percorso in aria, quindi non può essere più corto. Un disegno che mostri il contrario contiene un errore di misura, di solito una scanalatura conteggiata che avrebbe dovuto essere ponticellata.

D: Quale grado di inquinamento si applica all'interno di una scatola con potting?

Questo è il punto del potting: la regione coperta può essere valutata a un grado inferiore, o come isolamento solido, purché siano soddisfatte le condizioni dell'Annex B della IEC 62790. La regione scoperta, e qualsiasi vuoto all'interno del composto, resta al grado che il suo ambiente implica.

D: Un indice di tracking più alto mi consente sempre di ridurre la scatola?

Ti sposta di una colonna nella tabella, il che può dimezzare il requisito. Se ciò si traduca in una scatola più piccola dipende dal resto del layout e dal fatto che il materiale soddisfi ancora i requisiti meccanici e di infiammabilità a quell'indice.

D: Posso usare il rapporto del fornitore per la qualifica del mio modulo?

Solo se il rapporto copre l'articolo esatto, il gruppo di materiale esatto e il grado di inquinamento esatto che dichiarate. Un rapporto per una scatola da 1000 V in un colore diverso è una prova relativa a un prodotto diverso.

D: Cosa cambia in pratica la regola delle scanalature da 1,0 mm e 1,5 mm?

Decide se una nervatura conta. Una nervatura più stretta di X viene ponticellata dalla contaminazione e non contribuisce al percorso misurato, quindi un layout pieno di nervature sottili può misurare molto meno di quanto suggerisca il disegno. Al grado 3 la soglia è la maggiore delle due, il che rende le nervature sottili ancora meno utili.

D: Perché la qualità del potting è una questione elettrica?

Perché il credito di isolamento dipende dal fatto che il composto sia continuo e aderente. Un vuoto o un distacco ripristina un percorso superficiale al requisito pieno del suo ambiente, in una posizione che nessuna ispezione di routine esamina.

D: I 1500 V cambiano qualcosa per i terminali?

Da terminale a terminale è isolamento funzionale e di solito resta facile. Il passo conta per il percorso dal componente in tensione alla superficie esterna e per il creepage attraverso il corpo e attorno all'uscita del cavo, che è dove ricade il requisito rinforzato.

D: Dove si colloca la norma di sicurezza del modulo?

La IEC 61730-1 stabilisce i requisiti costruttivi, incluso il coordinamento dell'isolamento, e la IEC 62790 attribuisce alla junction box i propri requisiti di sicurezza e test. Il foglio di misura è una prova per la revisione costruttiva; i test di prestazione secondo la IEC 61215 rispondono a una domanda diversa.

Considerazioni finali

Il creepage sembra un numero da misurare ed è in realtà una decisione da prendere. La tensione di esercizio deriva dal sistema e le dimensioni derivano dal modulo, quindi le due leve rimaste sono il materiale e il grado di inquinamento, ed entrambe sono stabilite molto prima che il foglio di misura venga compilato. Chiedete sotto quale grado di inquinamento e quale gruppo di materiale è stata qualificata una scatola, e se il potting che lo supporta ha superato il damp heat intatto. Questa domanda non costa nulla e trova la maggior parte dei problemi mentre sono ancora sulla carta.

OOITech fornisce la CHT9980A e CHT9981A PV safety testers per eseguire test di hipot, resistenza di isolamento, continuità di terra e wet leakage sulle linee di produzione. Inviate i vostri disegni di junction box, le specifiche dello stack del modulo o campioni di prova al nostro team di ingegneria per la valutazione e la configurazione dei parametri di test.