变压器安全性能的分析及设计

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1×0.031×0.051×0.082×0.081×0.12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，这是一种比较可靠的绝缘方式。对同轴配置的变压器（如开关变压器和套筒式的电源变压器），其绝缘形式是初、次级间层压绝缘材料，应为三层以上独立的绝缘层。目前所用的绝缘材料有电容纸、电话纸、电缆纸、聚酯薄膜等，而每种材料承受的介电强度是不同的（具体参考表2）。绕制三层的目的是为了当一层绝缘损坏后还能保证不击穿，即保证达到加强绝缘的要求。表2不同材料介质击穿电压材料电话纸电容器纸电缆纸聚酯薄膜胶带1×0.051×0.031×0.121×0.051×0.06介质击穿电压/kV(漏电流=2mA)0.84.8555现象破损拉弧痕迹击穿具体的线圈间的绝缘可根据线圈的工作电压、相邻线圈间最大电位差及受潮后线圈间热态最小绝缘电阻的要求选择。对热态最小绝缘电阻要求不高的变压器可用电话纸和聚酯薄膜组合线圈间绝缘，对热态最小绝缘电阻要求高的变压器应以电缆纸为主。从表2可以看出用电缆纸做绝缘，其承受的耐压强度是很高的，但应注意为了防潮另加两层聚酯薄膜，其效果更佳。以上的结构设计分析，是对一般情况而言，对具体设备中所使用的变压器结构还应再作具体的结构设计与分析。除此以外还应注意下述要点：（a）跨接的引线和引出线都要作相应的隔离，以保持与其它引线、绕组之间的绝缘；（b）各绕组线匝的末端都必须用安全的方法予以夹持；（c）必须保持绕组之间一定的爬电距离，其方法是利用分隔骨架或同轴绕组边缘绝缘带，在铁芯的不同柱脚上采用隔离绕组；（d）引出线必须绝缘。如果引出线是裸线，则此引出线必须固定，以防此线移动位置而导致爬电距离缩短。变压器上的油漆不能被用作固定引出线的方法。骨架槽是一种合适的固定措施；（e）应注意：在过载和短路等故障状态下，变压器有最高温度使用限制。这些制约条件意味着某些过载保护是必须的，即变压器不能抗热熔化，这就更加要求注重变压器的材料选择。2．2关键性材料的选择变压器所使用的几种关键材料有：绕组间绝缘、骨架、铁芯、漆包线、灌封材料等，而起绝缘作用的一是前边提及的绕组间的绝缘材料，另一是绝缘骨架材料。选择的是否合适直接影响到安全性能。2．2．1材料的击穿特性前面所用的层间和绕组间绝缘和骨架材料均属电介质材料，因而在选择及使用中要特别注意材料的绝缘击穿及其老化。因为电介质材料在高电场作用下电流急剧增大，并在某一电压下失去了绝缘性能而成为导电的，即为电气绝缘击穿。对于变压器使用的这两种固体材料，一旦击穿它的绝缘性能就不能恢复。击穿的种类有电子击穿、介质的热击穿及机械击穿。影响介质击穿电压的因素很多，如：（a）介质的形状，其厚度与面积愈大，绝缘的击穿强度愈低。这是因为绝缘的击穿多半是在材料中的一个薄弱点处产生，当厚度与面积增大时，弱点就会增加所致。（b）在低温下特性变化较小而在高温下随温度上升击穿强度下降，因此在高温下更容易发生热击穿。（c）交流、直流、脉冲等试验电压的种类、频率以及机械应力等等均影响绝缘击穿强度。绝缘击穿电压与击穿所需时间之间的关系（V－t特性）是绝缘设计上的一个重要特性。如击穿电压为V，击穿所需时间为t，可以发现它们之间有着如下的实验关系：Vnt＝常数，n为常数。如能定出n值，那末，在测定短时间击穿电压后就可估算出长时间的使用电压。变压器所采用的绝缘介电材料常用的是高分子材料，除上述击穿外，材料还易老化，即长期使用中，易于发生材料性质的变化。老化主要有热老化和电老化两类，除此之外，还有由于环境气氛等引起的环境老化和由微生物引起的老化以及机械老化等。材料的老化也是绝缘设计应研究的的问题。因为产品的寿命多半是由绝缘材料老化决定的，而安全性能更是如此。变压器在进行线圈绝缘设计中，除应从结构考虑绝缘穿透距离外，还应根据上述的介质特性与所使用的场合进行分析研究，加以确定具体应用的材料。2．2．2材料的阻燃选择变压器骨架材料也应根据材料的特性及使用的要求加以选择。骨架的材料应能满足耐压、耐振、耐热、耐燃、防止击穿、着火和有害毒气。常见的固体材料是工程塑料，有：ABS塑料、聚苯乙烯塑料、聚乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚碳酸脂塑料、聚砜塑料、聚甲醛塑料、聚酰胺塑料和酚醛塑料。这些塑料均是以天然树脂为主要原料，在加压、加热条件下可塑制的高分子材料。高分子聚合物材料均为可燃的，燃烧时产生的热量大、温度高，并且容易产生不完全燃烧的黑烟，随着燃烧还会产生有毒的气体。其种类繁多，因其分子结构不同，燃烧性各异。要解决高聚物材料的阻燃性以及低烟、低毒等问题，较为简单经济实效的方法是在高聚物中加入阻燃剂，无机填充剂或制成复合材料来保护易燃的高聚物。（目前广泛采用的阻燃剂有十溴联苯醚，四溴双酚A及其衍生物三氧化二锑等）。以上提到几种塑料燃烧性都比较好。它们在主链上含有芳香环或芳基比例较大的聚苯撑氧、聚砜、聚碳酸酯、酚醛树脂等。不会以拉链式的链锁反应而释放挥发性的易燃气体，而且形成阻挡火焰的炭化层，故耐火性较好。以上几种塑料中，最好采用聚碳酸脂塑料、聚砜塑料、聚甲醛塑料来制作变压器的骨架。因为聚碳酸脂具有耐冲击性，是热塑性塑料中最好的，温度变化性小，制品尺寸稳定性高；聚砜塑料具有突出的耐热性、耐氧化性，可在150℃的条件下长期使用；而聚甲醛塑料抗压、抗拉强度高，而且有突出的耐疲劳及耐冲击性能。从实际的使用及试验也证实了这一点。2．2．3变压器的温升影响变压器温升的材料主要是铁芯、漆包线两种材料。变压器铁芯用的磁性材料为高磁导材料（软磁材料）。在应用中应考虑其损耗，即铁损，包括涡流损耗和磁滞损耗。由公式（1）ρ是材料的电阻系数。可见涡流损耗与频率f的平方成正比，因此，在高频下它就成为损耗特别重要的部分。损耗大，一是影响效率，二是产生温升，因而在材料设计中应尽量减少涡流损耗。其方法可以在工频的电气产品中，将铁芯材料制成板状，并在其表面上涂上绝缘层，然后再把这种板材叠加起来制成铁芯。这样，由于板面是和涡流成直角放置，从而上式中的电阻系数ρ增大，减少涡流损耗。对用于高频电气产品中的磁芯，可将材料制成粉末，并在其表面上进行绝缘后再把它们压成磁芯（压粉磁芯）。铁氧体即金属氧化物其涡流电流是很小的材料，因此在选用时可以加以考虑。因为铁氧体本来就是绝缘体，在数百千赫内使用时，可以不必考虑其涡流损耗。2．2．4灌封材料为了提高绝缘物的绝缘强度、机械强度、耐热性和抗潮性等，应使用灌封材料对变压器进行绝缘处理。其材料有氨基醇酸绝缘漆，烘干绝缘漆（A30－11、C30－11）等。但若选用的材料不具有阻燃性或阻燃性能低，仍是引起着火的一个隐患。这也是往往被人们所忽视的。对以上提及的这些材料均是变压器的关键原材料，应严格加以控制，尤其是对安全认证的变压器，其材料的更换应报中国电工产品认证委员会（CCEE）电子产品分委员会，并做相应的试验，否则均不能替换。2．3生产工艺设计与控制生产工艺控制包括：制定合理的工艺程序以及严格执行按工艺进行操作的纪律。由于生产工艺设计与控制不当，是影响安全性能的又一重要问题。良好的生产工艺控制是保证产品质量及安全性能的重要环节，尤其是对特殊的工序进行控制。变压器生产的工艺控制应包括绕线工艺、浸漆工艺、质量检验点。当过程的结果不能通过以后的检验和试验完全验证，如加工缺陷仅在使用后或后续工序中才能得出结果的，必须采取特殊的监控措施，即对这些过程应由具备资格的人员完成或要求进行连续监视和对过程参数加以控制。这些过程能力要预先鉴定的过程