電源變壓器在本質(zhì)安全電路中的研究及設(shè)計

(沈陽產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院,遼寧 沈陽 110027)

1 引言

電源變壓器是電氣設(shè)備中常用組件，在防爆場所使用的電氣設(shè)備大部分含有電源變壓器，對于本安關(guān)聯(lián)設(shè)備的防爆產(chǎn)品中電源變壓器是最常見的隔離器件，其作用是將非本安電路與本安電路進行有效隔離，以達到向本質(zhì)安全回路供電的安全可靠。本文重點談一下依據(jù)GB3836.4-2010版標(biāo)準(zhǔn)由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備中對電源變壓器的要求進行解讀，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。本質(zhì)安全型是指電氣設(shè)備的一種防爆型式，它將設(shè)備內(nèi)部和暴露于潛在爆炸性環(huán)境的連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)能量限制在不能產(chǎn)生點燃的水平[1]。由于分析電路本安性能時要考慮元件或組件的損壞或失效，則電源變壓器的設(shè)計結(jié)構(gòu)就至關(guān)重要，如果電源變壓器結(jié)構(gòu)按照以下規(guī)定進行設(shè)計并滿足相關(guān)技術(shù)參數(shù)，則將其考慮為可靠元件，且認為可靠電源變壓器的本質(zhì)安全電路供電繞組和其他繞組之間不會出現(xiàn)短路。

2 變壓器結(jié)構(gòu)

變壓器結(jié)構(gòu)分為1型結(jié)構(gòu)和2型結(jié)構(gòu)。

1型結(jié)構(gòu)：繞組應(yīng)按下列兩者之一排列：如圖1所示。

(a)并列在鐵芯的一個柱上；

(b)在鐵芯的不同柱上[1]。

圖1 1型變壓器結(jié)構(gòu)

繞組應(yīng)按GB3836.4-2010中規(guī)定表1的電氣間隙和爬電距離要求進行分隔。

2型結(jié)構(gòu)：主要指本安繞組和其他繞組內(nèi)外重疊布置，繞組應(yīng)按下列兩種方法之一內(nèi)外重迭繞制，如圖2所示。

(a) 繞組之間采用固體絕緣，即指擠壓或模壓的絕緣，不是澆注的絕緣，且應(yīng)符合表1規(guī)定[2]；

(b) 繞組之間采用接地屏蔽(銅箔制成)或用等效導(dǎo)線繞組(導(dǎo)線屏蔽)。銅箔厚度或?qū)Ь€屏蔽應(yīng)符合表2規(guī)定，這是為了保證當(dāng)任一繞組和屏蔽之間短路時，屏蔽能承受直到熔斷器或斷路器起作用時流過的電流而不損壞[1]。

3 保護措施

變壓器要有可靠地電氣隔離，其任一輸出繞組發(fā)生短路時，其他繞組在最大負荷情況下也均能達到可靠地電氣隔離，變壓器的保護器件主要有熔斷器，斷路器或熱保護器。如變壓器結(jié)構(gòu)為2型(b)結(jié)構(gòu)，則所有不接地的線路都要有保護器件保護，除常用保護器件外，還應(yīng)用埋入式熱熔斷器或其他類型熱保護器進行保護。

圖2 2型變壓器結(jié)構(gòu)

表1 電氣間隙和爬電距離[1]

注1：*目前沒有提出所有電壓的規(guī)定值。

注2：制造商應(yīng)提供符合絕緣材料CTI要求的證據(jù)。電壓低于10V時，不必對絕緣材料的CTI做出規(guī)定。

表2 屏蔽銅箔最小厚度或屏蔽導(dǎo)線最小直徑與熔斷器額定電流的關(guān)系[1]

如圖3中11，12為向本質(zhì)安全電路供電回路，9,10；14,16為向非本安電路供電回路，1,5為一次側(cè)輸入回路，則本質(zhì)安全回路及輸入回路均應(yīng)用熔斷器進行保護，且應(yīng)在原理圖中畫出，并應(yīng)根據(jù)后端電路確定熔斷器的選擇合理性。在變壓器試驗中需要一次側(cè)通AC36V額定電壓，11，12引線接可調(diào)負載，通過調(diào)節(jié)負載大小使一次側(cè)達到1.7In±10%A(In是熔斷器額定電流)，試驗時間需≥6小時，試驗后繞組的絕緣不應(yīng)損壞，且溫度需小于該樣品的絕緣等級允許的溫度值，則熔斷器的參數(shù)選擇將關(guān)乎變壓器是否在故障時達到保護或可靠地電氣隔離。

圖3 變壓器原理圖

4 接地及其他要求

所有電源變壓器鐵芯都應(yīng)設(shè)置接地導(dǎo)線，除非該防爆型式不要求接地，例如，當(dāng)使用絕緣鐵芯變壓器時，對于變壓器鐵芯為鐵氧體的情況，不要求鐵芯接地，但是如果不能提供充分的資料證明鐵氧體材料是絕緣的，則從隔離目的來說，該鐵芯應(yīng)看作是導(dǎo)電的，則應(yīng)進行接地，銅箔屏蔽應(yīng)設(shè)置兩根結(jié)構(gòu)上分開的接地導(dǎo)線，其中每一根導(dǎo)線應(yīng)能承受熔斷器或斷路器動作之前流過的最大持續(xù)電流，例如，對于熔斷器為1.7In，導(dǎo)線屏蔽由至少兩個電氣上獨立的導(dǎo)線層組成，其中每一層都應(yīng)設(shè)置接地導(dǎo)線，而且能承受熔斷器或斷路器動作之前流過的最大持續(xù)電流，導(dǎo)線層之間的絕緣，僅要求能夠承受500V電壓試驗，為獨立的本安電路供電的繞組應(yīng)按表1的要求相互隔離，而且與所有其它繞組也應(yīng)按表1的要求隔離。[1]

為了滿足電氣絕緣安全要求，本安繞組對其他繞組的承受電壓需2U(最高額定電壓)+1000V、但最低值為1500V，一次繞組與二次繞組的承受電壓需4U或2500V，取最高值。

綜上所述，電源變壓器在本質(zhì)安全電路中要保證其隔離的有效性，主要通過上述結(jié)構(gòu)要求及相關(guān)試驗進行驗證，使其達到可靠元件的要求。電源變壓器作為非本安電路與本安電路的主要隔離部件應(yīng)使其達到穩(wěn)定可靠。