安規(guī)設(shè)計(jì)：儲(chǔ)能系統(tǒng)場(chǎng)景下的BMS安規(guī)距離計(jì)算

上周在上海舉辦的儲(chǔ)能展會(huì)很是火爆，折射出儲(chǔ)能這個(gè)行業(yè)內(nèi)卷也很嚴(yán)重了，話說(shuō)回來(lái)，現(xiàn)在新能源相關(guān)的工作加班都不少，我的發(fā)際線岌岌可危。

關(guān)于安規(guī)的這個(gè)話題，我兩年前寫過(guò)幾篇文章，介紹車載BMS安規(guī)距離的計(jì)算，最近半年來(lái)有一半時(shí)間在做儲(chǔ)能BMS的設(shè)計(jì)，對(duì)安規(guī)距離有了些新的認(rèn)知，打算這里就再次總結(jié)與學(xué)習(xí)下。

在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能BMS時(shí)，一般參照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 34131-2023 電力儲(chǔ)能用電池管理系統(tǒng)》來(lái)梳理需求，其中針對(duì)海拔高度參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7251.1的規(guī)定來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這個(gè)就是安規(guī)設(shè)計(jì)的要求。

具體地，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)全稱為《GB/T 7251.1-2023 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》，在其8.2章節(jié)介紹了電氣間隙與爬電距離的計(jì)算方法。

進(jìn)一步地，如下圖，里面關(guān)于安規(guī)距離的要求還是要參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16935.1-2008，此標(biāo)準(zhǔn)的母標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60664-1，它在今年有新的版本發(fā)布，即《GB/T 16935.1-2023 低壓供電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合 第1部分:原理、要求和試驗(yàn)》。

針對(duì)這兩種安規(guī)距離，電氣間隙依據(jù)額定沖擊耐受電壓來(lái)定義，爬電距離依據(jù)額定絕緣電壓來(lái)定義；這里面有一些術(shù)語(yǔ)定義比較拗口、容易混淆，有必要先梳理下概念。

先介紹下什么是過(guò)電壓？如下圖（來(lái)自于GB/T 7251.1-2023），暫時(shí)過(guò)電壓時(shí)間大概為秒級(jí)，而瞬態(tài)過(guò)電壓時(shí)間為毫秒級(jí)，其中暫時(shí)過(guò)電壓定義為工頻電壓。

而在GB/T 16935.1-2008中同樣定義了過(guò)電壓的概念（如下圖），邏輯與上面基本一致。

接著是耐受電壓的定義，如下圖（來(lái)自于GB/T 16935.1-2008），它是指在不引起擊穿、閃絡(luò)下的一種過(guò)電壓；里面與我們相關(guān)的主要包括沖擊耐受電壓與暫時(shí)耐受過(guò)電壓，其中暫時(shí)耐受過(guò)電壓是指一種暫時(shí)過(guò)電壓，那么也是工頻電壓，而沖擊耐受電壓我理解是一種瞬時(shí)過(guò)電壓。

而在GB/T 7251.1-2023中只定義了兩個(gè)耐受電壓，從定義看這個(gè)工頻耐受電壓與上面的暫時(shí)耐受過(guò)電壓應(yīng)該是同一個(gè)概念。

最后再看下標(biāo)準(zhǔn)中額定電壓的定義，如下圖（來(lái)自于GB/T16935.1-2008），我理解“額定”兩個(gè)字是用來(lái)指設(shè)備供應(yīng)商可以承諾的一個(gè)能力，其中分為長(zhǎng)期耐受能力（不同于瞬時(shí)、暫時(shí)）、短時(shí)耐受能力與瞬時(shí)耐受能力；額定絕緣電壓用來(lái)表征其長(zhǎng)期的耐受能力，而額定沖擊電壓表征其瞬時(shí)耐受能力，額定暫時(shí)過(guò)電壓用來(lái)表征其短時(shí)耐受能力。

而在GB/T 7251.1-2023中的定義其邏輯與上面基本一致。

所以，再來(lái)看這句話“電氣間隙依據(jù)額定沖擊耐受電壓來(lái)定義，爬電距離依據(jù)額定絕緣電壓來(lái)定義” ，我們找到對(duì)應(yīng)的這兩個(gè)值就可以進(jìn)行計(jì)算了。

先羅列下儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的一般工作條件：系統(tǒng)最高直流工作電壓為1500V，海拔高度定為5000m，非均勻電場(chǎng)，單板污染等級(jí)為2，PCB的CTI待定。

電氣間隙的計(jì)算

首先確定額定沖擊耐受電壓，這里參考IEC 60664-1 2020（因?yàn)樽钚掳姹镜腉B/T 16935.1找不到），這里有一個(gè)爭(zhēng)議點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)定義了直接由電網(wǎng)供電的設(shè)備要求，但沒(méi)有定義非直接由電網(wǎng)供電的設(shè)備該怎么制定，儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS按理講應(yīng)該為后者；本文當(dāng)成前者去展開計(jì)算，一般選取過(guò)電壓類別為Ⅱ（這個(gè)選擇也有爭(zhēng)議），對(duì)應(yīng)1500V工作電壓，那么得到額定沖擊耐受電壓為8000V，這個(gè)對(duì)應(yīng)的是基本絕緣，如果是加強(qiáng)絕緣的話，需要比基本絕緣對(duì)應(yīng)的額定沖擊耐受電壓高一個(gè)等級(jí)，即12000V；另外功能絕緣的沖擊耐受電壓按照1500V。

然后進(jìn)行查表，如下圖，可以得到海拔2000m處的電氣間隙了；2000m以上要考慮乘以一個(gè)海拔修正系數(shù)。

最終得到如下一個(gè)匯總表：

爬電距離的計(jì)算

使用額定絕緣電壓來(lái)制定爬電距離（因?yàn)樗矔r(shí)過(guò)電壓通常不會(huì)影響電痕化現(xiàn)象）；按照非直接由電網(wǎng)供電設(shè)備，額定絕緣電壓選取設(shè)備可能出現(xiàn)的最高有效值電壓，這里選取1500V，然后去查下表，采用插值法得到功能絕緣與基本絕緣對(duì)應(yīng)的爬電距離，加強(qiáng)絕緣的爬電距離為基本絕緣的兩倍。

具體查表時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)PCB對(duì)應(yīng)的電壓只到1000V，1500V要按照其他材料去查表，所以這里對(duì)PCB的CTI就有要求了，計(jì)算得到爬電距離如下表：如果選取PCB的CTI大的話，可以減小爬電距離，對(duì)于器件選型是有好處的，但是PCB板材成本會(huì)上升。

因?yàn)橐笈离娋嚯x不能小于電氣間隙，得到匯總的安規(guī)距離如下：

總結(jié)：

上面安規(guī)距離計(jì)算過(guò)程中某些值的制定需要大家自己去考量，我相信一定會(huì)有所不同，但是整個(gè)計(jì)算方法是可以拿去借鑒的；儲(chǔ)能系統(tǒng)還有海外認(rèn)證上面的安規(guī)要求，我現(xiàn)在了解的不太全面，等后面逐步了解后再總結(jié)；這兩天出差，寫得有點(diǎn)慢，酒店碼字效率太低了；以上所有，真的僅供參考。