变压器安全性能的分析及设计

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1、变压器安全性能的分析及设计张雅芳1　概论　　随着电子工业的飞速发展，家用电子产品的使用越来越普遍。人们除了要求提高产品性能指标外，对安全性要求也愈来愈高。近十几年来，随着安全认证工作的深入开展，促进了电子产品安全性能的分析与研究，使电子产品的安全性能不断提高，在保护消费者的利益方面起了重要的作用。家用电子产品的安全问题是研究这类产品的安全要求和满足这些要求的设计，以及在产品设计、制造、验收中的安全测试检查。最根本的目的是要求这类产品在规定的使用范围内，不管是在正常工作条件下，还是在故障条件下均能保证操作者（包括“外行人”）的安全，也就是防止“电

2、击、高温、起火、有害射线、爆炸、机械结构不稳和运动部件、结构件损坏、激光、毒气”对人体的伤害。　　作为电子产品的关键元器件变压器，其安全性能是否能满足安全要求，对于电子产品安全性能起到至关重要的作用。因此被列入强制性安全认证目录中，电阻器、电容器、变压器、行输出变压器、电源开关、熔断器、带插头电源线、印制电路板和显象管，即九种关键元器件认证产品之一。为了保证满足电子产品安全认证的要求，特别是整机使用的安全要求，必须从变压器设计、生产、安装进行严格控制。2　变压器安全性能分析及设计　　变压器在使用与试验（单独认证及整机试验）中出现的不安全的现象或

3、隐患有：　　①产生飞弧、击穿；　　②温升过高；　　③起火及放出有害气体。　　变压器出现这些不安全问题或隐患主要是由于设计及生产工艺的问题。搞好安全设计、严格生产工艺、实施安全性能的检验与试验，以求在使用中提供安全可靠的隔离作用。2．1　安全设计　　由于安全设计不当造成不安全的问题和隐患占有相当大的比例。安全设计是生产合格安全产品的龙头，设计不当，再好的工艺也无济于事，必须认真重视与对待。2．1．1　变压器的结构设计　　变压器工作原理是依据电磁感应原理，如图1所示。它是用来改变交流电压及电流的电气设备，它既能改变线路电压和电流又能输出各种不同用途

4、的电压，在电气产品中是很重要的设备。而从安全隔离的用途讲，在一些整机的使用当中也是利用这一原理，使整机设备可触及部件与电网电源通过变压器隔离，是整机中所采用的一种防止因触电对人体伤害的有效措施。因此，首先变压器自身应能满足加强绝缘的要求，才能保证可靠的隔离。结构设计是产品质量检验人员特别是设计人员应考虑的重点问题。图1　变压器电磁感应原理　　变压器的结构设计应从满足电气间隙、爬电距离、绝缘穿透距离及工作电压等方面的要求给予考虑。在标准中对应达到的最小尺寸与厚度已列表给出。但应注意的是最小尺寸均随工作电压、供电电压和预期的污染条件而变化（在多数的

5、正常情况下，工作在清洁区的非密封的设备，均属Ⅱ类污染等级）。因此，在设计的过程中，应将电气间隙、爬电距离的尺寸适当增加。　　电气间隙是指两导电零部件之间、或导电零部件和设备的界面之间，通过空气测得的最短距离。爬电距离指两导电零部件之间或导电零部件和设备的界面之间沿绝缘材料表面测得的最短通路，如图2所示。图2　变压器结构　　变压器结构的具体设计应达到：初级绕组与次级绕组、初级绕组与铁芯电气间隙、爬电距离为加强绝缘的要求，当变压器的铁芯不悬浮时次级绕组与铁芯应为加强绝缘，悬浮时应达到基本绝缘。考虑到某些使用性能的原因其结构达不到电气间隙最小尺寸要求

6、时，基于电气间隙与爬电距离的含义，可以在绕组间或绕组与铁芯间增加隔板高度，或骨架刻槽来增加爬电距离，以防止飞弧现象的产生。　　绝缘穿透距离指绝缘的厚度，如图2；工作电压指特殊绝缘件上或者当设备在额定电压下正常工作时可能承受的最高电压。　　变压器线圈绝缘设计应包括三方面的绝缘：线圈层间绝缘，线圈内层绝缘，线圈间绝缘。　　线圈层间绝缘指的是工作绝缘，它不能作为防电击保护。设计方法可按表1选取。层间交流电压超过200～300V时，应将线圈分段，以降低层间电压。表1　不同材料层间电压材料电容器纸电话纸电缆纸1×0.031×0.051×0.082×0.0

7、81×0.12层间电压/V(均方根值)60100150300200最大线径/mm0.270.410.60.81.2　　线圈内层绝缘指的是线圈内层绕组与骨架之间所加的附加绝缘，应适当考虑。　　线圈间绝缘指的是初级绕组与次级绕组间的绝缘，必须保证加强绝缘。这是变压器设计中关键性的一种绝缘，应特别重视。电子产品用的隔离变压器包括电源变压器（工频）；遥控电源变压器；开关电源变压器（行频）和音频变压器。用途各不相同，则结构形式亦不相同。铁芯形式一般有心式和壳式两类，每类又有多种形式。由于线圈骨架形式有王字型（分离隔板）、抽屉式、套筒式及同轴配置等多种，因

8、而造成了绝缘形式也就不同了。　　对于王字型、抽屉式均属于分离隔板式的骨架结构，其绝缘是直接依靠骨架本身的隔板形成的，是固体材料，其厚度应达到0．4mm