彭 鈺魏 巍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083；2.華龍國際核電技術(shù)有限公司,北京 100037)

0 前言

隨著人身安全和設(shè)備安全越來越被重視，隔離變壓器供電作為一種電擊防護(hù)或抗干擾的方法被廣泛使用，但是因設(shè)置接線錯(cuò)誤造成隔離變壓器功能失效或過度使用的現(xiàn)象也很嚴(yán)重。本文以隔離變壓器的結(jié)構(gòu)及防電擊原理為基礎(chǔ)，對(duì)其正確使用提出了一些見解。

1 隔離變壓器的原理及用途

1.1 隔離變壓器的原理

根據(jù)《電源電壓為1 100 V 及以下的變壓器、電抗器、電源裝置和類似產(chǎn)品的安全 第5 部分：隔離變壓器和內(nèi)裝隔離變壓器的電源裝置的特殊要求和試驗(yàn)》(GB/T 19212.5—2011)規(guī)范定義，隔離變壓器是指輸入(初級(jí))繞組與輸出(次級(jí))繞組在電氣上彼此隔離的變壓器。在結(jié)構(gòu)上，隔離變壓器應(yīng)使兩個(gè)繞組之間不存在任何連接的可能(不論是直接連接還是通過其他金屬件間接相連)，以避免偶然同時(shí)觸及帶電體(或因絕緣損壞而可能帶電的金屬部件)和地所帶來的危險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，為安全特低電壓電路供電的隔離變壓器被稱為安全隔離變壓器。

1.2 隔離變壓器與普通變壓器的差異

隔離變壓器的原理同普通變壓器一樣，初級(jí)繞組中通過交流電流時(shí)，鐵心中會(huì)產(chǎn)生交流磁通，并在次級(jí)繞組中感應(yīng)出電壓。

不同的是，我國生產(chǎn)的普通電力變壓器基本采用同心繞組，即初級(jí)繞組、次級(jí)繞組套在同一鐵心柱上，繞組之間留有一定的絕緣間隙和散熱通道，具有一定的隔離電路的作用。繞組間的絕緣水平需滿足GB 1094 系列規(guī)范的要求。對(duì)于380 V 變壓器，參照《電力變壓器 第11 部分：干式變壓器》 (GB 1094.11—2007)，需通過3 000 V(三相)、持續(xù)1 min的耐壓試驗(yàn)。隔離變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組一般分置于不同的芯柱上，以減小兩者之間的電容，也有隔離變壓器采用初級(jí)繞組和次級(jí)繞組同心放置布置的方式，但在繞組之間增加接地的金屬靜電屏蔽層，繞組之間的絕緣采用雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣。其中，雙重絕緣是指同時(shí)具有基本絕緣和附加絕緣的絕緣；加強(qiáng)絕緣是指作用相當(dāng)于雙重絕緣保護(hù)的單獨(dú)絕緣結(jié)構(gòu)，需通過3 750 V(單相)或4 200 V(三相)、持續(xù)1 min 的耐壓試驗(yàn)。

普通變壓器繞組之間的絕緣水平低于隔離變壓器，在運(yùn)行中遇到電壓諧振等情況時(shí)，其絕緣相較于隔離變壓器的絕緣更容易被擊穿，從而將危險(xiǎn)電壓引入次級(jí)繞組。此外，普通變壓器初級(jí)繞組通過高頻干擾信號(hào)時(shí)，由于繞組線圈在高頻干擾信號(hào)下呈高阻狀態(tài)，高頻干擾信號(hào)不能耦合至次級(jí)繞組，而是通過兩繞組之間的分布電容直接傳遞至次級(jí)繞組，在次級(jí)繞組上產(chǎn)生干擾；而隔離變壓器通過增加繞組間的距離，或在繞組間設(shè)置屏蔽層的方法，有效地減少這種干擾。

1.3 隔離變壓器的作用

在實(shí)際使用中，隔離變壓器和普通變壓器一樣，除按用電負(fù)荷的需求改變用電電壓外，還有如下功能：

1)隔離變壓器可增加系統(tǒng)阻抗，使保護(hù)裝置更容易配合；當(dāng)負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路事故時(shí)，隔離變壓器可以限制向系統(tǒng)提供的短路電流，不會(huì)造成變壓器一次側(cè)及以上系統(tǒng)發(fā)生故障。

2)若電源系統(tǒng)的三次諧波和干擾信號(hào)比較嚴(yán)重，采用Δ/Y 接線變壓器，可以除去三次諧波及其整數(shù)倍諧波，減少干擾信號(hào)。

3)若非線性負(fù)載的電流畸變(如三次諧波)比較嚴(yán)重，采用Y/Δ 接線變壓器，可以防止諧波電流返回電源系統(tǒng)產(chǎn)生污染，起到凈化電源系統(tǒng)的作用；同時(shí)在變壓器輸入端采樣，使非線性負(fù)載電流的畸變不會(huì)影響采樣的準(zhǔn)確性，得到能反應(yīng)實(shí)際情況的采樣數(shù)據(jù)。

4)采用Δ/Y 接線變壓器建立新的獨(dú)立于電源系統(tǒng)的中性線，避免因電源系統(tǒng)中性線不良造成的設(shè)備運(yùn)行不正常；建立新的中性線的中性點(diǎn)接地可解除電源系統(tǒng)中共模干擾的困擾，有效降低N-PE導(dǎo)體間的電壓。

5)變壓器能完全隔離三相電源線路中同相位的雷擊電磁脈沖，通過磁飽和原理消除浪涌。

隔離變壓器不僅能實(shí)現(xiàn)以上所有的功能，還因其優(yōu)于普通變壓器的絕緣性能及抗干擾性能，廣泛應(yīng)用于需要隔離危險(xiǎn)電壓或抑制高頻干擾的場合。

2 隔離變壓器在實(shí)際中的應(yīng)用

2.1 電氣分隔

作電氣分隔用以防人身電擊時(shí)，隔離變壓器變比一般選擇1∶1，其二次側(cè)回路的帶電導(dǎo)體對(duì)地絕緣，變壓器的金屬外殼與一次回路的PE 線相連并接地，根據(jù)《低壓電氣裝置 第4 -41 部分：安全防護(hù)電擊防護(hù)》(GB 16895.21—2011)要求，用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分不應(yīng)接地，即不應(yīng)與一次回路的PE線相連，也不能與一次回路的等電位聯(lián)結(jié)相連。

2.1.1 一臺(tái)隔離變壓器給一臺(tái)用電設(shè)備供電的防電擊原理

采用一臺(tái)隔離變壓器給一臺(tái)用電設(shè)備供電的預(yù)防電擊原理如圖1 所示。用電設(shè)備M 通過隔離變壓器供電，其金屬外殼(外露可導(dǎo)電部分)與地接觸，接觸電阻與地面電阻之和為RE(數(shù)值約為數(shù)百歐姆)。若設(shè)備絕緣損壞，發(fā)生C 相帶電導(dǎo)體碰外殼事故，接地故障電流沒有可流經(jīng)的金屬性通路返回電源，只能通過非故障相A、B 相對(duì)地的分布電容XCA、XCB返回電源，XCA、XCB遠(yuǎn)大于RE，所以故障電流Id的值極小，可以忽略；用電設(shè)備金屬外殼對(duì)地的故障電壓即人體的預(yù)期接觸電壓Uf=IdRE，其值也很小，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的接觸電壓限值，因此不會(huì)危害人身安全。但如果用電設(shè)備的金屬外殼與一次回路的PE 線相連接，電源處的其他設(shè)備發(fā)生單相接地故障且未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切除時(shí)，此故障電壓Ufs可以通過PE 線傳導(dǎo)至用電設(shè)備金屬外殼，一旦故障電壓超過接觸電壓限值50 V，人觸碰后就會(huì)發(fā)生電擊事故。

圖1 一臺(tái)隔離變壓器給一臺(tái)用電設(shè)備供電的防電擊原理

2.1.2 一臺(tái)隔離變壓器給多臺(tái)用電設(shè)備供電的防電擊原理

如果采用一臺(tái)隔離變壓器給多臺(tái)用電設(shè)備供電，各用電設(shè)備的外殼需要做不接地(不與一次側(cè)PE 線連接或不與一次側(cè)設(shè)備共用接地裝置)的等電位聯(lián)結(jié)，其預(yù)防電擊原理如圖2 所示。用電設(shè)備M1、M2 金屬外殼與地接觸，接觸電阻與地面電阻之和分別為RE1和RE2。若M1 設(shè)備絕緣損壞，發(fā)生C相帶電導(dǎo)體碰外殼事故，接地故障電流沒有可流經(jīng)的金屬性通路返回電源，只能通過非故障相A、B 相對(duì)地的分布電容XCA、XCB返回電源。此時(shí)，和隔離變壓器給單臺(tái)設(shè)備供電分析一樣，雖不會(huì)發(fā)生危害人身安全的電擊事故，但由于故障電流極小，不會(huì)使過電流保護(hù)器動(dòng)作，故障持續(xù)存在。在此期間，若M2 設(shè)備絕緣損壞，發(fā)生A 相帶電導(dǎo)體碰外殼事故，故障電流Id將經(jīng)過RE1和RE2返回電源，Id極小，不會(huì)使過電流保護(hù)器動(dòng)作，故障持續(xù)存在，但380 V 電源電壓將按RE1和RE2的阻值比例分配，即用電設(shè)備金屬外殼對(duì)地的故障電壓也就是人體的預(yù)期接觸電壓Uf1+Uf2=380 V，Uf1和Uf2中肯定有大于接觸電壓限值50 V 的存在，將會(huì)危害人身安全，所以多臺(tái)設(shè)備的金屬外殼需做等電位聯(lián)結(jié)[1-2]，如圖2 中虛線所示，但此等電位聯(lián)結(jié)不能接地(不與一次側(cè)PE 線連接或不與一次側(cè)設(shè)備共用接地裝置)，以防引入電源側(cè)的故障電壓。

圖2 一臺(tái)隔離變壓器給多臺(tái)用電設(shè)備供電的防電擊原理

采用隔離變壓器作電氣分隔用以防人身電擊時(shí)，允許設(shè)備單相接地故障一直存在而不發(fā)生電擊事故。此時(shí)隔離變壓器適合用作為安全電源，為金屬外殼沒有特意接地的設(shè)備(如各手持式檢修設(shè)備等)供電。

2.2 將TN 或TT 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為IT 系統(tǒng)

采用隔離變壓器將TN 或TT 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為IT 系統(tǒng)時(shí)，隔離變壓器變比一般選擇1∶1，此時(shí)隔離變壓器不作電氣分隔使用，用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)單獨(dú)、成組或集中接地。

如圖3 所示，用電設(shè)備M1、M2 由隔離變壓器供電，其金屬外殼接地，接地電阻為RA1和RA2(數(shù)值均約為數(shù)歐姆)。若M1 設(shè)備絕緣損壞，發(fā)生C 相帶電導(dǎo)體碰外殼事故，接地故障電流沒有可流經(jīng)的金屬性通路返回電源，只能通過非故障相A、B 相對(duì)地的分布電容XCA、XCB返回電源，故障電流極小，不會(huì)使過電流保護(hù)器動(dòng)作，故障持續(xù)存在，但與隔離變壓器作為電氣分隔的防電擊要求不同，此時(shí)需要滿足IT系統(tǒng)RA×Id≤50 V 的要求，才不會(huì)發(fā)生危害人身安全的電擊事故，同時(shí)也需要有絕緣監(jiān)測器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在此期間，若M2 設(shè)備絕緣損壞，發(fā)生A 相帶電導(dǎo)體碰外殼事故，隔離變壓器將根據(jù)設(shè)備接地的不同型式(單獨(dú)或集中)，分別按TT 或TN 系統(tǒng)要求設(shè)置電擊防護(hù)。

圖3 隔離變壓器將TN 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為IT 系統(tǒng)

采用隔離變壓器將TN 或TT 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為IT 系統(tǒng)時(shí)，隔離變壓器的使用已經(jīng)不屬于電氣分隔安全措施范疇，需要按照IT 系統(tǒng)要求設(shè)置故障防護(hù)。因隔離變壓器具有優(yōu)于普通變壓器的絕緣性能，能防止變壓器一次側(cè)的危險(xiǎn)電壓傳入二次側(cè)，所以安全可靠性能更高。此時(shí)隔離變壓器適用于對(duì)防電擊要求較高的場所，如醫(yī)院手術(shù)室等。

2.3 為安全特低電壓系統(tǒng)供電

利用安全隔離變壓器為安全特低電壓系統(tǒng)供電時(shí)，設(shè)備安裝接線要求與隔離變壓器作電氣分隔用以防人身電擊時(shí)相同，區(qū)別是此時(shí)不使用1∶1變比的隔離變壓器，而是使用輸出電壓為安全特低電壓的安全隔離變壓器。安全隔離變壓器適用于游泳池、噴水池等易發(fā)生危險(xiǎn)性比較大的電氣事故的特殊場所。

2.4 抑制高頻共模干擾

采用隔離變壓器抑制高頻共模干擾時(shí)，必須選用帶有屏蔽層的隔離變壓器，且屏蔽層需要通過變壓器接地端子可靠接地，否則就無法抑制共模干擾。

屏蔽層就是在原繞組和副繞組之間設(shè)置一片不閉合的銅片或非磁性導(dǎo)電紙，銅片或非磁性導(dǎo)電紙用導(dǎo)線連接于外殼接地端子。有時(shí)為了取得更好的屏蔽效果，整個(gè)變壓器還罩一個(gè)屏蔽外殼，對(duì)繞組的引出線端子也加屏蔽，以防止其他外來的電磁干擾，使原繞組和副繞組之間只有剩磁的耦合，而其間的等值分布電容可小于0.01 pF，從而大大減小原繞組和副繞組間的電容電流，有效地抑制來自電源以及其他電路的各種干擾。

如圖4 所示，來自電源系統(tǒng)的干擾信號(hào)首先進(jìn)入帶有屏蔽層的隔離變壓器的初級(jí)繞組，通過初級(jí)繞組與屏蔽層間的分布電容XC1耦合至屏蔽層，并導(dǎo)入大地，只有少數(shù)干擾信號(hào)經(jīng)過初級(jí)繞組與次級(jí)繞組間的分布電容XC2耦合至次級(jí)繞組。這有效地抑制了來自電源系統(tǒng)側(cè)的共模干擾。

圖4 隔離變壓器抑制高頻共模干擾原理

此時(shí)的隔離變壓器適用于對(duì)電源系統(tǒng)要求較高的數(shù)字化設(shè)備，或?qū)Ψ刨|(zhì)量要求較高的音響廣播系統(tǒng)等。

3 隔離變壓器的使用誤區(qū)

隔離變壓器因優(yōu)異的絕緣性能及抗干擾性能被廣泛使用，但許多工程實(shí)際使用時(shí)往往因?yàn)殄e(cuò)誤的接地設(shè)置而沒有發(fā)揮隔離變壓器的電氣分隔作用，同時(shí)也有許多工程在只使用普通雙繞組變壓器就能滿足需求的情況下，錯(cuò)誤地選擇隔離變壓器，加大了投資，造成了資源不必要的浪費(fèi)。以下就幾個(gè)常見案例簡單分析。

3.1 案例一

某工廠電源系統(tǒng)三次諧波和干擾信號(hào)比較嚴(yán)重，采用Δ/Y 接線隔離變壓器，以除去三次諧波和減少干擾信號(hào)，同時(shí)防止電流畸變比較嚴(yán)重的非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流返回電源系統(tǒng)造成污染。

在此案例中，只需采用普通的雙繞組變壓器就能解決問題。相較于普通變壓器，隔離變壓器除了具有普通變壓器的功能外，其突出的特點(diǎn)繞組絕緣性能優(yōu)異，更適合用于電氣分隔防止人身電擊的場所。

3.2 案例二

某電廠為了避免因電源系統(tǒng)中性線不良造成照明設(shè)備運(yùn)行不正常，以及照明設(shè)備發(fā)生單相接地故障時(shí)影響到整個(gè)電源系統(tǒng)，其電源系統(tǒng)采用三相三線制供電，照明系統(tǒng)由Δ/Y 接線隔離變壓器供電，二次側(cè)中性點(diǎn)直接接地并且配出中性線，照明設(shè)備的金屬外殼通過總等電位聯(lián)結(jié)連接到廠區(qū)接地網(wǎng)上。

在此案例中，因?yàn)橛筛綦x變壓器供電的照明設(shè)備的金屬外殼與廠區(qū)其他電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)，相當(dāng)于接地，所以隔離變壓器已經(jīng)失去了電氣分隔的作用，并不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備側(cè)的電擊防護(hù)。如果此案例安裝變壓器的主要目的是設(shè)置電氣分隔作電擊防護(hù)，則應(yīng)設(shè)置隔離變壓器，且二次回路的帶電導(dǎo)體不能與其他回路的帶電部分、地以及保護(hù)接地導(dǎo)體相連接，同時(shí)隔離回路應(yīng)與其他回路分開敷設(shè)；如果此案例安裝變壓器的主要目的是引出新的中性線，避免電源系統(tǒng)中性線不良對(duì)照明設(shè)備產(chǎn)生影響，并隔絕單相接地故障，則采用普通的雙繞組變壓器即可。

3.3 案例三

某工廠為保護(hù)人身安全，避免電擊，在為IT 系統(tǒng)設(shè)備供電的不間斷電源的輸出端裝設(shè)隔離變壓器，同時(shí)為了使IT 系統(tǒng)設(shè)備能正常工作，隔離變壓器次級(jí)繞組中性點(diǎn)接PE 線，以降低N-PE 導(dǎo)體間的電位差，且此PE 線與隔離變壓器一次側(cè)PE 線相通。

在此案例中，由于PE 線貫通，隔離變壓器已經(jīng)失去了電氣分隔的作用，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備側(cè)的電擊防護(hù)。如果此案例裝設(shè)變壓器的主要目的是設(shè)置電氣分隔作電擊防護(hù)，則應(yīng)設(shè)置隔離變壓器，同時(shí)供電設(shè)備外殼不應(yīng)接地，且不應(yīng)引入電源系統(tǒng)的PE 線；如果此案例裝設(shè)變壓器的主要目的是滿足供電設(shè)備要求降低N-PE 導(dǎo)體間的電位差，則只需設(shè)置普通的雙繞組變壓器即可，同時(shí)設(shè)備側(cè)應(yīng)做等電位聯(lián)結(jié)，且過電流保護(hù)器按TN 系統(tǒng)故障防護(hù)要求設(shè)置。

4 結(jié)束語

從變壓器結(jié)構(gòu)來看，由于繞組間具有雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣，且初級(jí)繞組、次級(jí)繞組不同心布置或繞組間設(shè)有靜電屏蔽層，隔離變壓器除了具有普通變壓器的功能外，還具有優(yōu)秀的隔離和抗干擾能力，但同時(shí)造價(jià)更高，體積受限，容量有限。實(shí)際選擇時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)應(yīng)用其優(yōu)勢功能，作為電氣分隔使用，或在電擊防護(hù)要求較高的場合應(yīng)用其將TN 或TT 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為IT 系統(tǒng)，抑或用其抑制高頻干擾。同時(shí)需要注意隔離變壓器的設(shè)置要求，避免其功能失效。在其他普通雙繞組變壓器就能滿足使用需求的場合，不要盲目地選擇隔離變壓器，以免加大投資，造成資源浪費(fèi)。