淺談隔離變壓器的使用

彭 鈺魏 巍

(1.中國礦業(yè)大學(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

隨著人身安全和設備安全越來越被重視，隔離變壓器供電作為一種電擊防護或抗干擾的方法被廣泛使用，但是因設置接線錯誤造成隔離變壓器功能失效或過度使用的現(xiàn)象也很嚴重。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》(GB/T 19212.5—2011)規(guī)范定義，隔離變壓器是指輸入(初級)繞組與輸出(次級)繞組在電氣上彼此隔離的變壓器。在結(jié)構(gòu)上，隔離變壓器應使兩個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。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，初級繞組中通過交流電流時，鐵心中會產(chǎn)生交流磁通，并在次級繞組中感應出電壓。

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，即初級繞組、次級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。隔離變壓器的初級繞組和次級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繞組和次級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絕緣。其中，雙重絕緣是指同時具有基本絕緣和附加絕緣的絕緣；加強絕緣是指作用相當于雙重絕緣保護的單獨絕緣結(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。

普通變壓器繞組之間的絕緣水平低于隔離變壓器，在運行中遇到電壓諧振等情況時，其絕緣相較于隔離變壓器的絕緣更容易被擊穿，從而將危險電壓引入次級繞組。此外，普通變壓器初級繞組通過高頻干擾信號時，由于繞組線圈在高頻干擾信號下呈高阻狀態(tài)，高頻干擾信號不能耦合至次級繞組，而是通過兩繞組之間的分布電容直接傳遞至次級繞組，在次級繞組上產(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

在實際使用中，隔離變壓器和普通變壓器一樣，除按用電負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，使保護裝置更容易配合；當負荷側(cè)發(fā)生短路事故時，隔離變壓器可以限制向系統(tǒng)提供的短路電流，不會造成變壓器一次側(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比較嚴重，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。

3)若非線性負載的電流畸變(如三次諧波)比較嚴重，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；同時在變壓器輸入端采樣，使非線性負載電流的畸變不會影響采樣的準確性，得到能反應實際情況的采樣數(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備運行不正常；建立新的中性線的中性點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，廣泛應用于需要隔離危險電壓或抑制高頻干擾的場合。

2 隔離變壓器在實際中的應用

2.1 電氣分隔

作電氣分隔用以防人身電擊時，隔離變壓器變比一般選擇1∶1，其二次側(cè)回路的帶電導體對地絕緣，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：安全防護電擊防護》(GB 16895.21—2011)要求，用電設備的外露可導電部分不應接地，即不應與一次回路的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 一臺隔離變壓器給一臺用電設備供電的防電擊原理

采用一臺隔離變壓器給一臺用電設備供電的預防電擊原理如圖1 所示。用電設備M 通過隔離變壓器供電，其金屬外殼(外露可導電部分)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)。若設備絕緣損壞，發(fā)生C 相帶電導體碰外殼事故，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 相對地的分布電容XCA、XCB返回電源，XCA、XCB遠大于RE，所以故障電流Id的值極小，可以忽略；用電設備金屬外殼對地的故障電壓即人體的預期接觸電壓Uf=IdRE，其值也很小，遠低于規(guī)范要求的接觸電壓限值，因此不會危害人身安全。但如果用電設備的金屬外殼與一次回路的PE 線相連接，電源處的其他設備發(fā)生單相接地故障且未在規(guī)定時間內(nèi)切除時，此故障電壓Ufs可以通過PE 線傳導至用電設備金屬外殼，一旦故障電壓超過接觸電壓限值50 V，人觸碰后就會發(fā)生電擊事故。

圖1 一臺隔離變壓器給一臺用電設備供電的防電擊原理

2.1.2 一臺隔離變壓器給多臺用電設備供電的防電擊原理

如果采用一臺隔離變壓器給多臺用電設備供電，各用電設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)設備共用接地裝置)的等電位聯(lián)結(jié)，其預防電擊原理如圖2 所示。用電設備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 設備絕緣損壞，發(fā)生C相帶電導體碰外殼事故，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 相對地的分布電容XCA、XCB返回電源。此時，和隔離變壓器給單臺設備供電分析一樣，雖不會發(fā)生危害人身安全的電擊事故，但由于故障電流極小，不會使過電流保護器動作，故障持續(xù)存在。在此期間，若M2 設備絕緣損壞，發(fā)生A 相帶電導體碰外殼事故，故障電流Id將經(jīng)過RE1和RE2返回電源，Id極小，不會使過電流保護器動作，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，即用電設備金屬外殼對地的故障電壓也就是人體的預期接觸電壓Uf1+Uf2=380 V，Uf1和Uf2中肯定有大于接觸電壓限值50 V 的存在，將會危害人身安全，所以多臺設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)設備共用接地裝置)，以防引入電源側(cè)的故障電壓。

圖2 一臺隔離變壓器給多臺用電設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，允許設備單相接地故障一直存在而不發(fā)生電擊事故。此時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備(如各手持式檢修設備等)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，隔離變壓器變比一般選擇1∶1，此時隔離變壓器不作電氣分隔使用，用電設備的外露可導電部分應單獨、成組或集中接地。

如圖3 所示，用電設備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 設備絕緣損壞，發(fā)生C 相帶電導體碰外殼事故，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 相對地的分布電容XCA、XCB返回電源，故障電流極小，不會使過電流保護器動作，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，此時需要滿足IT系統(tǒng)RA×Id≤50 V 的要求，才不會發(fā)生危害人身安全的電擊事故，同時也需要有絕緣監(jiān)測器發(fā)出報警信號。在此期間，若M2 設備絕緣損壞，發(fā)生A 相帶電導體碰外殼事故，隔離變壓器將根據(jù)設備接地的不同型式(單獨或集中)，分別按TT 或TN 系統(tǒng)要求設置電擊防護。

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，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)要求設置故障防護。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)的危險電壓傳入二次側(cè)，所以安全可靠性能更高。此時隔離變壓器適用于對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，設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相同，區(qū)別是此時不使用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，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置一片不閉合的銅片或非磁性導電紙，銅片或非磁性導電紙用導線連接于外殼接地端子。有時為了取得更好的屏蔽效果，整個變壓器還罩一個屏蔽外殼，對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)的干擾信號首先進入帶有屏蔽層的隔離變壓器的初級繞組，通過初級繞組與屏蔽層間的分布電容XC1耦合至屏蔽層，并導入大地，只有少數(shù)干擾信號經(jīng)過初級繞組與次級繞組間的分布電容XC2耦合至次級繞組。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

此時的隔離變壓器適用于對電源系統(tǒng)要求較高的數(shù)字化設備，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，但許多工程實際使用時往往因為錯誤的接地設置而沒有發(fā)揮隔離變壓器的電氣分隔作用，同時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。以下就幾個常見案例簡單分析。

3.1 案例一

某工廠電源系統(tǒng)三次諧波和干擾信號比較嚴重，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，同時防止電流畸變比較嚴重的非線性負載產(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備運行不正常，以及照明設備發(fā)生單相接地故障時影響到整個電源系統(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)中性點直接接地并且配出中性線，照明設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，因為由隔離變壓器供電的照明設備的金屬外殼與廠區(qū)其他電氣裝置的外露可導電部分進行等電位聯(lián)結(jié)，相當于接地，所以隔離變壓器已經(jīng)失去了電氣分隔的作用，并不能實現(xiàn)設備側(cè)的電擊防護。如果此案例安裝變壓器的主要目的是設置電氣分隔作電擊防護，則應設置隔離變壓器，且二次回路的帶電導體不能與其他回路的帶電部分、地以及保護接地導體相連接，同時隔離回路應與其他回路分開敷設；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)中性線不良對照明設備產(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

某工廠為保護人身安全，避免電擊，在為IT 系統(tǒng)設備供電的不間斷電源的輸出端裝設隔離變壓器，同時為了使IT 系統(tǒng)設備能正常工作，隔離變壓器次級繞組中性點接PE 線，以降低N-PE 導體間的電位差，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，不能實現(xiàn)設備側(cè)的電擊防護。如果此案例裝設變壓器的主要目的是設置電氣分隔作電擊防護，則應設置隔離變壓器，同時供電設備外殼不應接地，且不應引入電源系統(tǒng)的PE 線；如果此案例裝設變壓器的主要目的是滿足供電設備要求降低N-PE 導體間的電位差，則只需設置普通的雙繞組變壓器即可，同時設備側(cè)應做等電位聯(lián)結(jié)，且過電流保護器按TN 系統(tǒng)故障防護要求設置。

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絕緣，且初級繞組、次級繞組不同心布置或繞組間設有靜電屏蔽層，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，但同時造價更高，體積受限，容量有限。實際選擇時，應重點應用其優(yōu)勢功能，作為電氣分隔使用，或在電擊防護要求較高的場合應用其將TN 或TT 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為IT 系統(tǒng)，抑或用其抑制高頻干擾。同時需要注意隔離變壓器的設置要求，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。