电源变压器在本质安全电路中的研究及设计

(沈阳产品质量监督检验院,辽宁 沈阳 110027)

1 引言

电源变压器是电气设备中常用组件，在防爆场所使用的电气设备大部分含有电源变压器，对于本安关联设备的防爆产品中电源变压器是最常见的隔离器件，其作用是将非本安电路与本安电路进行有效隔离，以达到向本质安全回路供电的安全可靠。本文重点谈一下依据GB3836.4-2010版标准由本质安全型“i”保护的设备中对电源变压器的要求进行解读，从而指导结构设计。本质安全型是指电气设备的一种防爆型式，它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平[1]。由于分析电路本安性能时要考虑元件或组件的损坏或失效，则电源变压器的设计结构就至关重要，如果电源变压器结构按照以下规定进行设计并满足相关技术参数，则将其考虑为可靠元件，且认为可靠电源变压器的本质安全电路供电绕组和其他绕组之间不会出现短路。

2 变压器结构

变压器结构分为1型结构和2型结构。

1型结构：绕组应按下列两者之一排列：如图1所示。

(a)并列在铁芯的一个柱上；

(b)在铁芯的不同柱上[1]。

图1 1型变压器结构

绕组应按GB3836.4-2010中规定表1的电气间隙和爬电距离要求进行分隔。

2型结构：主要指本安绕组和其他绕组内外重叠布置，绕组应按下列两种方法之一内外重迭绕制，如图2所示。

(a) 绕组之间采用固体绝缘，即指挤压或模压的绝缘，不是浇注的绝缘，且应符合表1规定[2]；

(b) 绕组之间采用接地屏蔽(铜箔制成)或用等效导线绕组(导线屏蔽)。铜箔厚度或导线屏蔽应符合表2规定，这是为了保证当任一绕组和屏蔽之间短路时，屏蔽能承受直到熔断器或断路器起作用时流过的电流而不损坏[1]。

3 保护措施

变压器要有可靠地电气隔离，其任一输出绕组发生短路时，其他绕组在最大负荷情况下也均能达到可靠地电气隔离，变压器的保护器件主要有熔断器，断路器或热保护器。如变压器结构为2型(b)结构，则所有不接地的线路都要有保护器件保护，除常用保护器件外，还应用埋入式热熔断器或其他类型热保护器进行保护。

图2 2型变压器结构

表1 电气间隙和爬电距离[1]

注1：*目前没有提出所有电压的规定值。

注2：制造商应提供符合绝缘材料CTI要求的证据。电压低于10V时，不必对绝缘材料的CTI做出规定。

表2 屏蔽铜箔最小厚度或屏蔽导线最小直径与熔断器额定电流的关系[1]

如图3中11，12为向本质安全电路供电回路，9,10；14,16为向非本安电路供电回路，1,5为一次侧输入回路，则本质安全回路及输入回路均应用熔断器进行保护，且应在原理图中画出，并应根据后端电路确定熔断器的选择合理性。在变压器试验中需要一次侧通AC36V额定电压，11，12引线接可调负载，通过调节负载大小使一次侧达到1.7In±10%A(In是熔断器额定电流)，试验时间需≥6小时，试验后绕组的绝缘不应损坏，且温度需小于该样品的绝缘等级允许的温度值，则熔断器的参数选择将关乎变压器是否在故障时达到保护或可靠地电气隔离。

图3 变压器原理图

4 接地及其他要求

所有电源变压器铁芯都应设置接地导线，除非该防爆型式不要求接地，例如，当使用绝缘铁芯变压器时，对于变压器铁芯为铁氧体的情况，不要求铁芯接地，但是如果不能提供充分的资料证明铁氧体材料是绝缘的，则从隔离目的来说，该铁芯应看作是导电的，则应进行接地，铜箔屏蔽应设置两根结构上分开的接地导线，其中每一根导线应能承受熔断器或断路器动作之前流过的最大持续电流，例如，对于熔断器为1.7In，导线屏蔽由至少两个电气上独立的导线层组成，其中每一层都应设置接地导线，而且能承受熔断器或断路器动作之前流过的最大持续电流，导线层之间的绝缘，仅要求能够承受500V电压试验，为独立的本安电路供电的绕组应按表1的要求相互隔离，而且与所有其它绕组也应按表1的要求隔离。[1]

为了满足电气绝缘安全要求，本安绕组对其他绕组的承受电压需2U(最高额定电压)+1000V、但最低值为1500V，一次绕组与二次绕组的承受电压需4U或2500V，取最高值。

综上所述，电源变压器在本质安全电路中要保证其隔离的有效性，主要通过上述结构要求及相关试验进行验证，使其达到可靠元件的要求。电源变压器作为非本安电路与本安电路的主要隔离部件应使其达到稳定可靠。