醫(yī)療產(chǎn)品變壓器檢測(cè)的常見問題

李妍達(dá)，趙旭，康文杰

北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 （北京 101111）

醫(yī)療產(chǎn)品的變壓器是產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，它不僅能升降次級(jí)工作電壓，還能起到隔離網(wǎng)電源的作用，直接影響醫(yī)療產(chǎn)品的安全性和可操作性。因此，變壓器相關(guān)試驗(yàn)在醫(yī)療產(chǎn)品電氣安全檢測(cè)中是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。

目前，醫(yī)療產(chǎn)品分為醫(yī)用電氣設(shè)備和測(cè)量、控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備兩種。醫(yī)用電氣設(shè)備執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB 9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》，需要查驗(yàn)變壓器結(jié)構(gòu)，完成短路試驗(yàn)、過載試驗(yàn)和電介質(zhì)強(qiáng)度試驗(yàn)。測(cè)量、控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB 4793.1-2007《測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求》，根據(jù)上述的要求，測(cè)量、控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備內(nèi)部電源變壓器需要完成短路試驗(yàn)、過載試驗(yàn)和電介質(zhì)強(qiáng)度試驗(yàn)。

本研究以符合GB 9706.1-2007要求的變壓器為例，對(duì)試驗(yàn)中常見問題進(jìn)行分類分析，探討解決方案，以期為相關(guān)人員提供參考。

1 變壓器的選取對(duì)檢測(cè)的影響

在選取變壓器時(shí)，要綜合考慮產(chǎn)品性能參數(shù)、生產(chǎn)成本以及安規(guī)試驗(yàn)對(duì)變壓器的要求。

1.1 變壓器額定功率

在確定變壓器額定值時(shí)，為節(jié)約空間、控制成本，企業(yè)一般會(huì)選擇額定值略高于工作值的變壓器，忽視變壓器短路和過載試驗(yàn)對(duì)變壓器額定值的要求，影響到變壓器試驗(yàn)結(jié)果。以某產(chǎn)品變壓器參數(shù)及保護(hù)裝置額定值為例，見表1。

表1 某產(chǎn)品變壓器參數(shù)及保護(hù)裝置額定值

變壓器在進(jìn)行過載試驗(yàn)時(shí)，加載的試驗(yàn)電流為熔斷器額定電流值與系數(shù)的乘積。以表1中的參數(shù)為例，變壓器次級(jí)輸出額定電流值為3 A，正常工作電流為2 A，次級(jí)繞組使用3 A 熔斷器，過載電流就要調(diào)到熔斷器額定電流值的2.1倍，即6.3 A，相當(dāng)于輸出電流額定值的2.1倍。將次級(jí)輸出電流調(diào)至6.3 A后，過載1 h，變壓器溫度升到173.1 ℃，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，修正到環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度值，為198.1 ℃，而變壓器絕緣材料等級(jí)為B，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高溫度為175 ℃，變壓器繞組超溫，過載試驗(yàn)不合格。

因此，在選擇變壓器時(shí)，需要綜合考慮熔斷器額定值、工作電流和設(shè)備運(yùn)行總功率等因素，保證變壓器容量留有余地，遵循“大馬拉小車”的原則，避免在滿功率的情況下使用變壓器，防止試驗(yàn)時(shí)變壓器繞組溫度出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)限值的情況。

1.2 變壓器類型及安裝方式

根據(jù)變壓器的繞組方式，可以分為自耦變壓器、雙繞組變壓器和三繞組變壓器。其中自耦變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組為同一繞組，只能調(diào)節(jié)電壓，不能起到隔離網(wǎng)電源的作用，所以，在使用自耦變壓器時(shí)，需要在前端安裝隔離變壓器，起到隔離網(wǎng)電源的作用。雖然自耦變壓器損耗少、成本低，看似更具優(yōu)勢(shì)，但是由于需要增加隔離變壓器，不僅占據(jù)空間，增大設(shè)備體積，同時(shí)也提高了生產(chǎn)和后期維護(hù)成本，因此，不建議使用自耦變壓器。

此外，即使設(shè)備在前端設(shè)置了隔離變壓器，也要特別關(guān)注變壓器接線方式，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的地線應(yīng)該相互獨(dú)立，避免初級(jí)、次級(jí)繞組共地造成隔離失效的情況。

2 變壓器結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)的影響

GB 9706.1-2007中對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)有相關(guān)要求。變壓器出線時(shí)，初級(jí)、次級(jí)繞組引線不要在同一層上，并且初級(jí)、次級(jí)繞組間要隔離；同時(shí)，需要測(cè)量初級(jí)、次級(jí)繞組之間的電氣間隙和爬電距離，其測(cè)量值要符合GB 9706.1-2007標(biāo)準(zhǔn)中57.10和57.9.4的要求。電氣間隙和爬電距離達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，一般可以采用增加隔板高度和絕緣紙有效絕緣長(zhǎng)度的方法，完成整改。

如果變壓器的絕緣類型為加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣，其初級(jí)、次級(jí)繞組之間的絕緣層總厚度至少為1 mm，或兩層絕緣的總厚度不低于0.3 mm。

最后，接地的無孔隙保護(hù)屏蔽銅要求厚度不低于0.13 mm。若保護(hù)接地屏蔽只有一匝，它必須有不小于3 mm 長(zhǎng)的絕緣重疊。屏蔽的寬度必須至少等于初級(jí)繞組的軸向長(zhǎng)度。環(huán)形變壓器內(nèi)部繞組的導(dǎo)線引出線必須有兩層符合雙重絕緣要求的，總厚度至少為0.3 mm的套管，并伸出繞組外至少20 mm。

3 變壓器保護(hù)裝置對(duì)檢測(cè)的影響

3.1 熔斷器對(duì)檢測(cè)的影響

3.1.1 熔斷器額定值及位置

如果變壓器在初級(jí)安裝一個(gè)額定值較大的熔斷器，并且變壓器的次級(jí)繞組功率較小，那么進(jìn)行該路次級(jí)繞組短路故障試驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)初級(jí)熔斷器不動(dòng)作的情況，在持續(xù)短路的狀態(tài)下，引起變壓器超溫，造成試驗(yàn)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

因此，當(dāng)存在變壓器次級(jí)功率較小的情況時(shí)，可采用在次級(jí)繞組設(shè)置熔斷器的方法，提高變壓器試驗(yàn)的通過率。

3.1.2 熔斷器的相應(yīng)預(yù)飛弧時(shí)間/電流特性

因開機(jī)或使用中設(shè)備會(huì)產(chǎn)生瞬間電流沖擊，為了不使熔斷器熔斷，大多數(shù)企業(yè)選用標(biāo)稱額定電流值較大的熔斷器，但過載時(shí)，過載試驗(yàn)電流是按照熔斷器額定電流值的相應(yīng)倍數(shù)加載，過高的電流值將導(dǎo)致變壓器過熱，超過溫度限值。這時(shí)可以選用具有抗浪涌、慢熔等特性的熔斷器作為網(wǎng)電源變壓器的保護(hù)裝置。

3.1.3 熔斷器熔量

如果變壓器短路電流大于35 A 或者大于10倍輸入電流，使用低熔量的熔斷器會(huì)增大熔斷器爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，優(yōu)先選用高熔量的熔斷器。

3.2 用熱斷路器做保護(hù)裝置

熱斷路器是網(wǎng)電源變壓器的常見保護(hù)裝置。當(dāng)設(shè)備過載或者短路的時(shí)候，產(chǎn)生的熱量使變壓器升溫，溫度達(dá)到熱斷路器的動(dòng)作額定值時(shí)，熱斷路器會(huì)斷開電路，起到斷電保護(hù)、防止超溫的作用。在使用熱斷路器時(shí)，要特別注意其額定值和埋放位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

當(dāng)選用的熱斷路器動(dòng)作溫度過高時(shí)，變壓器故障試驗(yàn)不合格的概率將增大。如A 級(jí)材料的變壓器，允許變壓器最高溫度為150 ℃，使用的熱斷路器動(dòng)作溫度為135 ℃，如果熱斷路器埋的位置太淺，變壓器內(nèi)部溫度很高，已超過允許的溫度限值，但其表面散熱較塊，其溫度還不至于使熱斷路器動(dòng)作。因此，選用的熱斷路器動(dòng)作溫度要合理，并且盡量將其埋在變壓器最高溫度點(diǎn)處。

3.3 多種保護(hù)裝置的聯(lián)合應(yīng)用

具有多個(gè)次級(jí)輸出的變壓器，如果某路輸出功率較小，在做此路試驗(yàn)時(shí)，即使次級(jí)已經(jīng)短路了，雖然局部溫度很高，已超過溫度限值，但由于熱傳導(dǎo)因素的影響，熱斷路器所處位置的溫度未達(dá)到熱斷路器動(dòng)作溫度，熱斷路器不動(dòng)作時(shí)就需要在此路上加熔斷器，而不能只靠初級(jí)的熱斷路器保護(hù)。

總之，保護(hù)裝置選用的原則為既要保證設(shè)備的正常工作，同時(shí)又要避免額定電流值偏大，達(dá)到有效保護(hù)的目的，可以同時(shí)運(yùn)用多重保護(hù)形式，降低保護(hù)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 無保護(hù)裝置的變壓器

網(wǎng)電源變壓器的次級(jí)無保護(hù)裝置，特別是當(dāng)初級(jí)保護(hù)裝置取值偏大的時(shí)候，短路過載故障試驗(yàn)中，初級(jí)保護(hù)裝置不動(dòng)作，唯有變壓器依靠自身達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)才能通過試驗(yàn)。因此，如果變壓器次級(jí)沒有保護(hù)裝置，最好選用固有耐短路變壓器。

4 變壓器絕緣強(qiáng)度對(duì)檢測(cè)的影響

4.1 變壓器初級(jí)、次級(jí)繞組、屏蔽、鐵芯之間的絕緣強(qiáng)度

網(wǎng)電源變壓器的初級(jí)、次級(jí)繞組、屏蔽及鐵芯之間，要按照GB 9706.1-2007中的規(guī)定進(jìn)行以下電介質(zhì)強(qiáng)度試驗(yàn)：（1）對(duì)于雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的變壓器，即屏蔽銅不接地時(shí)，初級(jí)、次級(jí)繞組之間應(yīng)滿足試驗(yàn)電壓為4 000 V（基準(zhǔn)電壓220 V）的絕緣要求；（2）初級(jí)繞組對(duì)屏蔽及鐵心應(yīng)滿足試驗(yàn)電壓為1 500 V（基準(zhǔn)電壓220 V、基本絕緣）的絕緣要求；（3）次級(jí)繞組對(duì)屏蔽及鐵心應(yīng)滿足試驗(yàn)電壓為2 500 V（基準(zhǔn)電壓220 V、輔助絕緣）的絕緣要求。

4.2 變壓器匝間、層間的絕緣強(qiáng)度

網(wǎng)電源變壓器初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝間和層間還需在潮濕預(yù)處理后做下列試驗(yàn)（歷時(shí)1 min）；試驗(yàn)時(shí)，絕緣的任何部分不得發(fā)生閃絡(luò)和擊穿，試驗(yàn)后不得有可覺察到的變壓器損壞現(xiàn)象。

（1）沒有任一繞組額定電壓超過500 V 的變壓器，用其繞組額定值電壓的5倍或其繞組額定電壓范圍上限值的5倍，而頻率不低于額定頻率5倍的電壓加在繞組的兩端；（2）有任一繞組額定電壓超過500 V 的變壓器，用其繞組額定值電壓的2倍或其繞組額定電壓范圍上限值的2倍，而頻率不低于額定頻率2倍的電壓加在繞組的兩端。在上述兩種情況下，如果該繞組的額定電壓被認(rèn)為是基準(zhǔn)電壓U 時(shí)，變壓器任何繞組的匝間和層間絕緣的電應(yīng)力必須使得有最高額定電壓的繞組上出現(xiàn)的電壓，不超過GB 9706.1-2007中20.3條表5中對(duì)基本絕緣規(guī)定的電應(yīng)力，為此，初級(jí)繞組上的試驗(yàn)電壓必須相應(yīng)減低。試驗(yàn)頻率可采用讓鐵心中產(chǎn)生約為正常使用時(shí)所有的磁感應(yīng)值的頻率。

4.3 變壓器絕緣層間的絕緣強(qiáng)度

當(dāng)加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣的網(wǎng)電源變壓器有三層絕緣，并且初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的絕緣層總厚度小于1 mm 時(shí)，每?jī)蓪咏^緣組合需要滿足加強(qiáng)絕緣的電介質(zhì)強(qiáng)度試驗(yàn)。

5 小結(jié)

電氣產(chǎn)品中的變壓器扮演著極其重要的角色，各類電氣安規(guī)中都對(duì)變壓器有詳細(xì)的規(guī)定和要求[2]。隨著我國(guó)醫(yī)療電氣產(chǎn)品行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部變壓器的認(rèn)識(shí)水平也要相應(yīng)提高，希望相關(guān)人員能不斷吸取前期的檢測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)，不斷提高變壓器設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，為我國(guó)醫(yī)療電氣產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。