Трансформатор с изолированной нейтралью: Изолированная нейтраль трансформатора

Режим изолированной нейтрали для операционных блоков

Как показывает практика, проектирование сетей питания медицинских учреждений во многих случаях сопровождается определенными трудностями. Основной причиной является отсутствие единого комплекса современной нормативной базы в данной области. К отечественным документам, регламентирующим проектирование и работы по силовым сетям питания медицинских учреждений, относятся:
Инструкция РТМ – 42 – 80. – организация питания операционных.
ПУЭ п.1.6.12 – пункт об обязательном применении автоматического непрерывного контроля изоляции в сетях переменного тока с изолированной нейтралью до 1 кВ.
ГОСТ 30030 – требования к изолирующим трансформаторам. Практическим выходом из сложившейся ситуации может быть ориентация на международные нормативы, где данные вопросы проработаны весьма тщательно. К таким стандартам относится IEC 60364–7–710. 2001 (стандарт безопасности в медицинских учреждениях).

Классификация помещений
Согласно IEC 60364–7–710. 2001 в зависимости от вида медицинских процедур, проводимых в помещениях, предусмотрена следующая классификация помещений:
Гр 0 – мед. помещения, где не используются электроприборы
Гр 1 – мед. помещения, где приборы используются внешне или внутренне, но авария силового питания не может привести к гибели или серьезному ущербу для жизни пациента.
Гр 2 – помещения, где первичная неисправность в цепи питания не должна приводить к отказу аппаратуры жизнеобеспечения.
К помещениям Гр 2 относятся: операционные, помещения интенсивной терапии, анестезионные, комнаты подготовки к операции, комнаты послеоперационного восстановления, искусственного сердца и помещения с детьми, родившимися недоношенными. Для питания электроприборов в помещениях медицинских учреждений Гр 2 с целью обеспечения максимальной электробезопасности предписывается использование разделительных трансформаторов с системой контроля изоляции сети (режим изолированной нейтрали или IT – сеть).

Построение сети с изолированной нейтралью
Основным способом получения IT – сети является применение разделительного трансформатора (рис.1).

Рисунок 1 – Применение разделительного трансформатора.

Нагрузка подключается к силовым выходам трансформатора, а корпус прибора к заземляющей шине для предотвращения накопления статического заряда.
В случае применения трехфазного трансформатора выходное напряжение может быть как 220/380 В, 50 Гц, так и трехфазное 220 В, 50 Гц без использования нейтрали, где однофазная нагрузка подключается к линейному напряжению.

Цель использования и достоинства IT — сетей
Применение разделительных трансформаторов с системами контроля изоляции требует достаточно больших затрат и возникает законный вопрос о необходимости тратить такое количество средств.

Приведем ряд преимуществ, которые дает сеть с изолированной нейтралью.

1. Первичный пробой (фаза – корпус) в отличие от TN – S сетей не приводит к аварии (рис. 2)

Рисунок 2 – Сеть с изолированной нейтралью.

Результатом короткого замыкания любого из выходов трансформатора на заземление (корпус прибора) становится переход IT – сети в разряд сети типа TN – S.

При отсутствии устройства контроля изоляции данная ситуация может пройти незамеченной, поэтому для сетей с изолированной нейтралью обязательным является применение реле контроля изоляции (РКИ), обеспечивающего непрерывный контроль за состоянием изоляции выходной обмотки трансформатора и распределительной сети.

2. Одновременное касание заземленного, неизолированного элемента конструкции и любого из силовых выходов разделительного трансформатора является безопасным. В «идеальной сети» напряжение равно нулю. В реальных сетях токи утечки составляют микроамперы, что значительно меньше уровня токов безопасности и не представляет угрозы.

3. Разделительный трансформатор сам по себе является неплохим фильтром помех и хорошей защитой от импульсных, грозовых перенапряжений, что обеспечивает более надежную работу подключенной аппаратуры. Это свойство часто используется для обеспечения надежной работы цифровой аппаратуры на предприятиях в условиях высокого уровня помех от работы оборудования.

В результате, высокая надежность, электробезопасность и помехозащищенность IT – сетей определило их использование в нефтехимической отрасли, на шахтах, на транспорте и в медицине.

Применение разделительных трансформаторов и организация распределительной сети для питания медицинской аппаратуры имеет ряд специфических требований и правил.

Для сетей питания медицинского оборудования принят пороговый уровень сопротивления изоляции IT – сети в 50 кОм, что соответствует току утечки 4,4 мА.

Принцип организации питания медицинской аппаратуры
В основу организации сети питания для мед. аппаратуры в помещениях Гр 2 заложены три основных принципа:

• Использование устройств преобразования, передачи и распределения энергии обеспечивающих высокий уровень изоляции и надежности сети.
• Обеспечение непрерывности питания аппаратуры, как необходимого условия безопасности жизни пациентов.
• Непрерывный контроль персонала за состоянием IT – сети.

Требования к разделительному трансформатору

• Мощность разделительных трансформаторов ограничена диапазоном 0,5 — 10 кВА, как для однофазных, так и для трехфазных трансформаторов.

Данное требование связано с тем, что контроль за множеством потребителей в сильно разветвленной распределительной сети менее эффективен. Возникновение аварии или нарушения изоляции в любой из частей может привести к общей аварии сети и затрудняет поиск места неисправности. С этим связано требование нормативов, определяющее питание

каждой операционной от одного трансформатора

(РТМ — 42).

• Выходное напряжение трехфазного изолирующего трансформатора 3 ф 220В.

Наличие линейного напряжения 380В в помещении с медицинским оборудованием запрещено, так как является фактором, снижающим электробезопасность помещения (IEC 60364–7–710, Инструкция РТМ – 42).

Подключение потребителей к трехфазному трансформатору осуществляется по приведенной схеме на рис.3:

Рисунок 3 – Подключение потребителей к трехфазному трансформатору.

Применение трехфазного трансформатора требует соответствующей схемы организации распределительной сети, так как провод нейтрали не используется.

• Обязательное наличие экранирующей обмотки.

Данное требование уменьшает вероятность пробоя изоляции между первичной и вторичной сетями в случае аварии трансформатора и существенно уменьшает токи утечки вызванные «паразитной» емкостью между обмотками. В-третьих, разделительный трансформатор с экранирующей обмоткой является неплохим фильтром высокочастотных помех, что весьма положительно сказывается на работе аппаратуры.

• Повышенные требования к изоляции трансформатора соответствующие медицинским стандартам.

Например, испытательное напряжение между обмотками и обмотками и корпусом 4150 В.

• Система плавного старта.

Обязательное требование ГОСТ 30030. Пусковой ток обычного трансформатора составляет от 5 до 8 крат рабочего тока, что может вызывать срабатывание автоматов защиты стандартного исполнения со стороны питающей сети и влиять на работу стороннего оборудования, инициируя кратковременный провал напряжения питания.

• Отклонение выходного напряжения на холостом ходу и под нагрузкой не более 5 % от U_вх.

• Повышенная нагрузочная способность.
  

• Обязательный контроль температуры обмоток.

Благодаря измерению этих параметров персонал получает оперативную информацию о перегрузке сети и выполняет необходимые мероприятия (например, отключает неиспользуемые нагрузки).

• Система контроля изоляции (РКИ).
• Выход дистанционного контроля (сигнализации) о превышении уровня нагрузки и температуры.
• Пост дистанционного контроля трансформатора (ПДК).

Требования к посту дистанционного контроля

• Индикация состояния сопротивления изоляции «НОРМА» при R > 50 кОм, «ПРОБОЙ» при R < 50 кОм.
• Индикация превышения допустимой температуры трансформатора.
• Кнопки дистанционного тестирования системы контроля изоляции.
• Функция необходимая для периодической проверки системы контроля изоляции.
• Отключаемый звуковой сигнал при выходе любого из контролируемых параметров за пределы нормы.

Так как большинство медицинских приборов имеет собственную звуковую сигнализацию (например ритм биения сердца), то звуковая сигнализация от поста дистанционного контроля может мешать проведению операции. Персонал, получив информацию о перегрузке трансформатора или снижении сопротивления изоляции сети, отключает звуковую сигнализацию поста.

• Исполнение, допускающее обработку санитарными растворами.
• Напряжение питания и индикации не более 24 В.

Обеспечение бесперебойности электропитания.
Ввиду исключительной важности стабильного функционирования электрооборудования в медицинских учреждениях предусматривается питание электросети по категории 1. Наличие двух независимых источников питания является обязательным условием. Однако участившиеся в последнее время техногенные аварии зачастую приводят к обесточиванию целых районов города и для надежности электроснабжения в качестве третьего источника питания применяют дизельные станции с системой автоматического запуска и источники бесперебойного питания.

Согласно IEC 60364–7–710. 2001 в зависимости от рода работ для помещений групп 1 и 2 установлены различные продолжительности времени переключения и работы резервного источника питания:

Время переключения менее 0,5 секунд для освещения операционных столов и другого необходимого осветительного оборудования с обеспечением бесперебойности электроснабжения при полной аварии по двум вводам на период не менее 3 ч.

Время переключения менее 15 секунд для аварийного освещения, медицинского оборудования группы 2, оборудования питания медицинского газа, пожарной сигнализации.

Время переключения более 15 секунд для оборудования поддержания больничных служб (стерилизаторы, холодильное, кухонное оборудование и т.д.).

В случае, если АВР на входе питания сети не удовлетворяет условию времени переключения (менее 0,5 сек), возможно локальное применение источников бесперебойного питания для части нагрузок.
Источник бесперебойного питания устанавливается до разделительного трансформатора.

Построения сети питания.
В настоящий момент не существует универсальной схемы электроснабжения для больниц и других учреждений здравоохранения. В каждом конкретном случае инженер проектировщик вынужден самостоятельно решать вопрос по структуре электроснабжения объекта. Использование типовых европейских схем представляется сомнительным, так как для первой категории электроснабжения по их стандартам достаточно иметь один ввод от трансформатора подстанции и дизельную станцию. Нагрузки делятся на две группы AV – рабочее электроснабжение и SV – резервированное электроснабжение соответственно. Дизельная станция, в случае аварии основного ввода, поддерживает лишь группу нагрузок SV (рис.4).

Рисунок 4 – Построения сети питания.

Опыт разделения нагрузок на две основные части имеет существенные преимущества, особенно для больших больничных комплексов:

1. Позволяет существенно уменьшить мощность дизельной станции, что в итоге сказывается на цене проекта.
2. Улучшает надежность работы ответственных нагрузок с точки зрения помех.

На рисунке 4 приведен пример структуры энергоснабжения, использующий именно этот принцип.
В нормальном режиме питание разделенных нагрузок осуществляется каждой от своего ввода. При аварии любого из вводов АВР автоматически переключает все нагрузки на рабочий ввод. В случае аварии обоих вводов автоматически запускается дизельная станция и обеспечивается подача питания на ответственные нагрузки (SV).
Создание АВР с подобной схемой и описанным алгоритмом работы на современном уровне элементной базы особых трудностей обычно не вызывает.

Размещение оборудования.
Принцип размещения электрооборудования достаточно стандартный, однако следует обратить особое внимание на расположение поста дистанционного контроля трансформатора (ПДК). Обязательно размещение его в зоне работы персонала, для оперативного получения информации о состоянии IT – сети и трансформатора.

При реконструкции больниц часто возникает проблема с установкой разделительных трансформаторов. В принципе, допустимо установить трансформатор в помещении операционной, но при выполнении следующего условия: трансформатор должен представлять собой закрытый электротехнический шкаф со степенью защиты IP 54 с возможностью обработки его санитарными растворами.

На рисунке 5 приведен пример типовой и проверенной на практике схемы подключения консолей жизнеобеспечения операционной к разделительному трехфазному трансформатору мощностью 6 кВА (перегрузочная способность до 10 кВА в течении 30 мин. ). Указанные номиналы автоматов обеспечивают стабильную работу системы и максимальную мощность нагрузки до 3,5 кВА на розетку.

Рисунок 5 – Размещение электрооборудования.

Светильники операционного стола.

К обеспечению электропитанием операционных светильников предъявляются самые жесткие требования. Согласно нормативам время прерывания напряжения питания должно составлять не более 0,5 сек и обеспечена бесперебойная подача напряжения не менее 3 ч при полном отключении электросети в случае аварии.
Средняя мощность светильников составляет 450 Вт. С напряжением питания возможны два варианта – 220 В, 50Гц или 24 В постоянного/переменного токов.
При первом варианте питание осуществляется от разделительного трансформатора (РТМ – 42 , пункт 2.3.7 ), запитанного в свою очередь от ИБП с соответствующей емкостью батареи.

Защитное заземление и выравнивание потенциалов.

Операционные помещения должны иметь защитную заземляющую шину из меди сечением не менее 80 мм², либо из другого материала с эквивалентным по проводимости сечением.
Удельное электрическое сопротивление для различных проводников дано в таблице 1.

Таблица 1.

Материал проводника	Удельное сопротивление мкОм х м	Коэффициент сопротивления по отношению к меди	Требуемое сечение для шины заземления, мм2
Медь	0,017	-	80
Сталь	0,1	5,88	470

Операционный стол, наркозный аппарат и вся электромедицинская аппаратура, выполненная по 01 и 1 классам электробезопасности, должны быть соединены с шиной заземления проводниками.
Выбор сечения заземляющего проводника см. таблице 2.

Таблица 2.

Сечение питающего проводника, мм2	Сечение заземляющего проводника, мм2
менее или равно 16	равно питающему
от 16 до 35	не менее 16
более 35	1/2 питающего

Минимальное сечение защитного заземляющего проводника, имеющего механическую защиту, должно быть 2,5 мм², а не имеющего механической защиты – 4 мм².
Все штепсельные розетки должны быть с заземляющими контактами с сечением проводников подключения 2,5 мм².
При расположении шины заземления по всему периметру операционной шину выравнивания потенциалов не устанавливают.
Шина заземления крепится к стене с плотным прилеганием. Щели недопустимы.
В случае если стены зашиты гипроком, то шина заземления должна проходить по капитальной стене, а в гипроке располагаются специальные розетки заземления, соединенные с основной шиной заземления проводником сечением 4 мм².

Рисунок 6 – Защитное заземление.

При согласовании готового проекта в Энергонадзоре, как правило, возникает довольно серьезный и конфликтный вопрос о заземлении розеток, питающихся от разделительного трансформатора. Дело в том, что в ПУЭ присутствует пункт 1.7.85 о подключении нескольких нагрузок к разделительному трансформатору в режиме изолированной нейтрали. Приведем дословно содержание:
«…Допускается питание нескольких электроприемников от одного разделительного трансформатора при одновременном выполнении следующих условий:
2) открытые проводящие части отделяемой цепи должны быть соединены между собой изолированными, незаземленными проводниками местной системы уравнивания потенциалов, не имеющей соединений с защитными проводниками и открытыми проводящими частями других цепей;
3) все штепсельные розетки должны иметь защитный контакт, присоединенный к местной незаземленной системе уравнивания потенциалов…»

Теперь, для наглядности, нарисуем рекомендуемую данным пунктом схему (рис. 7)

Рисунок 7 – Рекомендуемая схема подключения.

К сожалению, требования данного пункта пытаются распространить и на подключение аппаратов в операционных.

Результатом включения при данной схеме будет следующее:

1. Системы контроля изоляции, как отечественного, так и импортного производства не смогут обнаружить первичный пробой.
2. Появляется возможность накопления статического электричества на корпусах приборов, находящихся во взрывопожароопасном помещении операционной (мед. газы)

Пункт 1.7.85 противоречит пункту 1.7.104 того же ПУЭ, где даются расчеты заземления для сетей с изолированной нейтралью, пункту 2.4.4 РТМ–42, а заодно и европейским стандартам.

С точки зрения здравого смысла, в данном случае, для обеспечения безопасной и надежной работы электроаппаратов оптимально использовать подключение на выделенное технологическое заземление.

Нейтраль трансформатора, назначение заземления нейтрали

Силовые трансформаторыСиловые трансформаторы, Устройство трансформаторовНет комментариев для Что такое нейтраль трансформатора

Содержание:

Нейтраль трансформатора — это точка соединения фазных обмоток при схеме подключения «звезда». Разность потенциалов в этой точке равна нулю. Разность потенциалов между концами фаз и нейтралью соответствует линейному напряжению между фазами.

При замыкании на землю изменяется симметрия электрической системы; изменяется значение напряжения между землей и фазами; образуются токи замыкания на землю, возникает перенапряжение в сети. Степень искажения симметрии зависит от выбранного режима присоединения нейтрали.

Выбранный режим должен обеспечивать безопасность обслуживающего персонала, экономичность электроустановки, бесперебойность электроснабжения потребителей и надежность работы.

Трансформаторы имеют нейтрали, режим работы или способ рабочего заземления которых обусловлен:

• требованиями техники безопасности и охраны труда персонала,
• допустимыми токами замыкания на землю,
• перенапряжениями, возникающими при замыканиях на землю, а также рабочим напряжением неповрежденных фаз электроустановки по отношению к земле,
• пределяющих уровень изоляции электротехнических устройств,
• необходимостью обеспечения надежной работы релейной защиты от замыкания на землю,
• возможностью применения простейших схем электрических сетей.

Заземление нейтрали трансформатора

Используются следующие режимы нейтрали:

• глухозаземленная нейтраль,
• изолированная нейтраль,
• эффективно заземленная нейтраль.

Выбор режима нейтрали в электрических сетях определяется бесперебойностью электроснабжения потребителей, надёжностью работы, безопасностью обслуживающего персонала и экономичностью электроустановок. при однофазном замыкании на землю нарушается симметрия электрической системы:

• изменяются напряжения фаз относительно земли, появляются токи замыкания на землю, возникают перенапряжения в сетях.
• Степень изменения симметрии зависит от режима нейтрали.

Глухозаземленная нейтраль

Глухозаземленная нейтраль трансформатора

Если нейтраль обмотки трансформатора присоединена к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, то такая нейтраль называется глухозаземлённой, а сети, подсоединённые к ней, соответственно, — сетями с глухозаземлённой нейтралью.

Изолированная нейтраль

Нейтраль, не соединённая с заземляющим устройством называется изолированной нейтралью.

Компенсированная нейтраль

Сети, нейтраль которых соединена с заземляющим устройством через реактор (индуктивное сопротивление), компенсирующий ёмкостной ток сети, называются сетями с резонанснозаземлённой либо компенсированной нейтралью.

Сети, нейтраль которых заземлена через резистор (активное сопротивление) называется сеть с резистивнозаземлённой нейтралью.

Электроустановки в зависимости от мер электробезопасности разделяются на 4 группы:

• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективнозаземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю),
• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю),
• электроустановки напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью,
• электроустановки напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью.

Режимы нейтрали трехфазных систем

Напряжение, кВ	Режим нейтрали	Примечание
0,23	Глухозаземленная нейтраль	Требования техники безопасности. Заземляются все корпуса электрооборудования
0,4
0,69	Изолированная нейтраль	Для повышения надежности электроснабжения
3,3
6
10
20
35
110	Эффективно заземленная нейтраль	Для снижения напряжения незамкнутых фаз относительно земли при замыкании одной фазы на землю и снижения расчетного напряжения изоляции
220
330
500
750
1150

Общее назначение нулевого провода в обмотках трансформатора

Режим работы нейтрали

Режим нейтрали оказывает существенное влияние на режимы работы электроприемников, схемные решения системы электроснабжения, параметры выбираемого оборудования.

Назначение заземления нейтрали трансформатора для повышения чувствительности защиты от однофазных замыканий на землю.

В нормальном режиме высокоомный резистор, и при необходимости дугогасящий реактор (ДГР) подключаются к нейтрали специального трансформатора заземления нейтрали (ТЗН).

Чтобы обеспечить чувствительность и селективность защиты от ОЗЗ необходимо кратковременно увеличить ток через устройство защиты. Обоснование возможности кратковременного индуктивного заземления нейтрали специальным трансформатором заземления нейтрали. При возникновении на линии ОЗЗ трансформатор через 0,5 с кратковременно подключается выключателем к сборным шинам. Благодаря глухому заземлению нейтрали создается ограниченный индуктивностью ТЗН ток однофазного короткого замыкания, достаточный для обеспечения чувствительности от ОЗЗ и создания условия гашения дуги.

Защита действует без выдержки времени на отключение линии. Выключатель с заданной выдержкой времени отключается. Отключение линии предотвращает двойные замыкания на землю (ДЗЗ) и многоместные замыкания на землю (МЗЗ), неизбежные в сетях напряжением 6-10 кВ с высокой изношенностью кабелей и оборудования.

Такой режим отключения поврежденных кабельных линий несколько лет проходит опытную эксплуатацию в ОАО «Пятигорские электрические сети». Однако, отключение линий возможно только при наличии надежного резервирования и в случаях, оговоренных правилами устройств электроустановок.

Предотвращения перехода ОЗЗ в ДЗЗ или МЗЗ осуществляется резистором Rн (см. рисунок 1), подключенным к нейтрали ТЗН. В нормальном режиме выключатель Q3) в цепи ТЗН отключен. При ОЗЗ срабатывают реле контроля изоляции KSV1 и (или) реле тока КА1, или устройство определения поврежденной фазы (см. рисунок 1).

После замыкания контактов срабатывает реле времени КТ1, замыкающиеся контакты которого включают выключатель Q3. Выключатель Q3 шунтирует сопротивление Rн и ДГР.

Рис.1 — Поясняющая схема и схема автоматического заземления нейтрали

Замыкающиеся контакты реле КТ1 с выдержкой времени 0,3 с отключают выключатель Q3. При замыкании этих контактов срабатывает промежуточное реле KL1. Размыкающие контакты реле разрывают цепь КТ1. Возврат схемы осуществляется дежурным с помощью ключа SА. При этом реле К13 замыкает свои контакты в цепи реле КТ1. После отключения выключателя Q3 сеть вновь переходит в режим с заземленной нейтралью через высокоомное сопротивление и при необходимости через ДГР.

При увеличении тока через реле срабатывает защита от ОЗЗ с действием на сигнал с выдержкой времени 0,2 с. Отключение выключателя выполняется с выдержкой времени 0,2 с. Сеть вновь переходит в режим с нейтралью, заземленной через резистор.

Заземление нейтрали трансформатора 110 кв

В современных энергосистемах сети 110 кВ и выше эксплуатируются с эффективным заземлением нейтралей обмоток силовых трансформаторов. Сети напряжением 35 кВ и ни­же работают с изолированной нейтралью или заземлением через дугогасящие реакторы.
Каждый вид заземления имеет свои преимущества и недостатки.

В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к короткому замыканию. В месте замыкания проходит небольшой ток, обусловленный емкостью двух фаз на землю. Значительные емкостные токи обычно компенсируются полностью или частично включением в нейтраль трансформатора дугогасящего реактора.

Остаточный в результате компенсации малый ток не способен под­держивать горение дуги в месте замыкания, поэтому поврежденный участок, как правило, не отключается автоматически.

Металлическое однофазное замыкание на землю сопровождается повышением напряжения на неповрежденных фазах до линейного, а при замыкании через дугу возможно появление перенапряжений, распространяющихся на всю электрически связанную сеть, в которой могут находиться участки с ослабленной изоляцией. Чтобы уберечь трансформаторы, работающие в сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, от воздействия повышенных напряжений, изоляцию их нейтралей выполняют на тот же класс напряжения, что и изоляцию линейных вводов.

При таком уровне изоляции не требуется применение никаких средств защиты нейтралей, кроме вентильных разрядников, включаемых параллельно дугогасящему реактору.

 

Однофазное короткое замыкание в сети с эффективным заземлением нейтрали.

В сетях с эффективным заземлением нейтрали (рис. 1.19) однофазное замыкание на землю приводит к короткому замыканию. Ток короткого замыкания (КЗ) проходит от места повреждения по земле к заземленным нейтралям трансформаторов Т1 и Т2 распределяясь обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. Поврежденный участок выводится из работы действием защит от замыканий на землю. Через трансформаторы (ТЗ и Т4), нейтрали которых не имеют глухого заземления, ток однофазного КЗ не проходит.
С учетом того, что однофазное КЗ является частым (до 80% случаев КЗ в энергосистемах приходится на однофазные КЗ) и тяжелым видом повреждений, принимают меры по уменьшению токов КЗ. Одной из таких мер является частичное разземление нейтралей трансформаторов.

Нейтрали автотрансформаторов не разземляются, так как они рассчитаны для работы с обязательным заземлением концов общей обмотки.

Число заземленных нейтралей на каждом участке сети устанавливается расчетами и принимается минимальным. При выборе точек заземления нейтралей в энергосистеме руководствуются как требованиями релейной защиты в части поддержания на определенном уровне токов замыкания на землю, так и обеспечением защиты изоляции разземленных нейтралей от перенапряжений. Последнее обстоятельство вызвано тем, что все трансформаторы 110-220 кВ отечественных заводов имеют пониженный уровень изоляции нейтралей. Так, у трансформаторов 110 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой уровень изоляции нейтралей соответствует стандартному классу напряжения 35 кВ, что обусловлено включением со стороны нейтрали переключающих устройств с классом изоляции 35 кВ.

Трансформаторы 220 кВ имеют также пониженный на класс уровень изоляции нейтралей. Во всех случаях это дает значительный экономический эффект, и тем больший, чем выше класс напряжения трансформатора.

Выбор указанного уровня изоляции нейтралей трансформаторов, предназначенных для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, технически обосновывается значением напряжения, которое может появиться на нейтрали при однофазном КЗ. А оно может достигнуть почти 1/3 линейного напряжения (например, для сетей 110 кВ около 42 кВ — действующее значение). Очевидно, что изоляция класса 35 кВ разземленной нейтрали нуждается в защите от повышенных напряжений. Кроме того, при неполнофазных отключениях (или включениях) ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью переходный процесс сопровождается кратковременными перенапряжениями. До­статочно надежной защитой нейтралей от кратковременных перенапряжений является применение вентильных разрядников. Нейтрали трансформаторов 110 кВ защищаются разрядниками 2хРВС-20 с наибольшим допустимым действую­щим напряжением гашения 50 кВ.

Однако практика показывает, что на нейтрали трансформаторов могут воздействовать не только кратковременные перенапряжения. Нейтрали могут оказаться под воздействием фазного напряжения промышленной частоты (для сетей 110 кВ 65-67 кВ), которое опасно как для изоляции трансформатора, так и для разрядника в его нейтрали. Такое напряжение может появиться и длительно (десятки минут) оставаться незамеченным при неполнофазных режимах ком­мутации выключателями, разъединителями и отделителями ненагруженных трансформаторов, а также при некоторых аварийных режимах.

Видео: Режимы работы нейтрали сетей 0,4 10 кВ

Видео: Виды заземления нейтрали

Изолирующий трансформатор

. Что вам нужно знать

Изолирующий трансформатор. Что вам нужно знать

tonyb 07 апреля 2017 г.

Отмечен в официальном документе по разделительному трансформатору

Что такое изолирующий трансформатор?

Изолирующий трансформатор — это трансформатор, используемый для передачи электроэнергии от источника переменного тока к некоторому оборудованию или устройству при изоляции питаемого устройства от источника питания, обычно по соображениям безопасности. Разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку и используются для защиты от поражения электрическим током, для подавления электрических помех в чувствительных устройствах или для передачи энергии между двумя цепями, которые не должны быть соединены. Трансформатор, продаваемый для изоляции, часто имеет специальную изоляцию между первичной и вторичной обмотками и рассчитан на то, чтобы выдерживать высокое напряжение между обмотками.

Википедия — Изолирующий трансформатор

Типовая электрическая схема

Возможно, вы этого не знаете, но ваше электропитание, скорее всего, обеспечивается через изолирующий трансформатор. В электрической подстанции, которая питает ваш дом, скрывается огромный кусок меди и железа (трансформатор), который потребляет электрическую мощность относительно высокого напряжения и преобразует ее в наше общепризнанное напряжение 230-240 В, которое мы все знаем. В вашем доме есть кабель от этого трансформатора, который имеет две жилы. Один из них является проводником под напряжением, а другой представляет собой комбинированный проводник защитного заземления и нейтрали (PEN). (Это известно как система TN-C-S, которая является наиболее распространенной в Великобритании. Доступны и другие системы.)

Оказавшись внутри вашего дома, PEN-проводник разделяется на нейтраль и землю внутри вашего потребительского блока/распределительного щита, также известного как щит предохранителей. Обратите внимание, что здесь нейтраль и земля соединены вместе, что означает, что напряжение между фазой и нейтралью такое же, как между фазой и землей — номинальное значение 230 В, а напряжение между нейтралью и землей равно нулю (поскольку они соединены вместе). Также обратите внимание, что проводник под напряжением через предохранитель на электрическом щите разделен на каналы для различных цепей, каждая из которых защищена автоматическим выключателем или предохранителем. Для дополнительной защиты также может быть установлено устройство защитного отключения (УЗО). В то время как для срабатывания предохранителя или автоматического выключателя обычно требуется много ампер тока, УЗО срабатывает при токе около 30 мА на землю (фактически дисбаланс между током под напряжением и током нейтрали, который при нормальной работе одинаков). Он используется для обеспечения дополнительной защиты при контакте с водой или других потенциально опасных ситуациях. Помните об этом!

Идея этого устройства заключается в обеспечении электробезопасности. Если проводник, находящийся под напряжением, отсоединится внутри части оборудования и коснется заземленного шасси, тогда потечет сильный ток и перегорит предохранитель или отключит автоматический выключатель. Тот же результат будет получен, если в оборудовании возникнет короткое замыкание между током и нейтралью. Если электрический душ имеет оголенный проводник, с которым соприкасается вода, то будет меньший электрический ток, который будет течь от напряжения к земле, и это будет обнаружено УЗО, которое отключит и отключит электропитание неисправного оборудования. (и все остальное на той же схеме). Удобно, если вы голый в заземленной ванне.

Итак, теперь у нас есть три проводника в розетке. Если предположить, что мы подключены к земле (поскольку мы стоим на ней), то мы получим удар током, если случайно коснемся проводника под напряжением, но мы будем в безопасности, если коснемся нейтрального проводника (так как нейтраль к земле). напряжение равно нулю). Если мы изолированы от земли (например, резиновыми сапогами), то можем коснуться проводника под напряжением и не получить удара током. Если мы коснемся как живого, так и нейтрального проводника, то, конечно, получим удар током.

Изолирующий трансформатор для обеспечения безопасности

Так как же можно использовать изолирующий трансформатор для обеспечения электробезопасности? Все сводится к тому, что на самом деле представляет собой трансформатор. Проще говоря, это две катушки проволоки вокруг железного сердечника. Входящая катушка, называемая первичной, преобразует электрическое поле в магнитное. Затем это магнитное поле индуцирует электрическое поле во второй катушке, и, следовательно, на выходе этой катушки (называемой вторичной) появляется напряжение. Изменяя количество витков в катушках, можно повышать или понижать напряжение, но в нашем случае количество витков одинаково, поэтому выходное напряжение такое же, как и входное. Однако здесь следует уяснить, что между входом и выходом нет электрической связи. Связь осуществляется магнетизмом. Это означает, что выход «изолирован» от входа и, следовательно, термин «изолирующий трансформатор»!

Выход изолирующего трансформатора по-прежнему имеет номинальное выходное напряжение 230 В между его выходными проводниками, но отсутствует заземление. Это означает, что вы можете безопасно прикасаться к любому проводнику без риска поражения электрическим током. Однако вы все равно получите удар током, если прикоснетесь к обоим проводникам!

Важно отметить, что с изолирующим трансформатором устройство, которое может иметь замыкание на землю, которое может привести к срабатыванию автоматического выключателя или перегоранию предохранителя , будет работать нормально. Фактически, изолирующие трансформаторы используются именно по этой причине в некоторых приложениях, где внезапное отключение питания из-за замыкания на землю может привести к еще большей опасности (например, на химических заводах или в операционных). В таких случаях обычно обеспечивается мониторинг, так что в случае возникновения такой ситуации подается аварийный сигнал.

На приведенной выше схеме при установке без разделительного трансформатора видно, что устройство имеет замыкание на землю (например, проводник под напряжением закоротил корпус). Поскольку нейтраль и земля соединены в потребительском блоке, система воспринимает это как короткое замыкание, и поэтому будет протекать большой ток, который приведет к перегоранию предохранителя или срабатыванию автоматического выключателя. Это также приведет к срабатыванию УЗО, если оно установлено.

Когда в цепь включается изолирующий трансформатор, ничего не происходит. Это потому, что вторичные живые и нейтральные больше не являются живыми и нейтральными. Их действительно следует называть фаза 1 и фаза 2, поэтому я взял их в кавычки. Поскольку они больше не находятся под напряжением и нейтральны, нет связи с входящей землей, и, следовательно, ток короткого замыкания не может протекать. В этом случае, поскольку имеется замыкание «фазы» на землю, эта «фаза» фактически становится эквивалентом нейтрали, а «нейтраль» фактически становится фазой. На приведенной выше диаграмме у вас будет 230 В между «фазой» и «нейтралью», 230 В между «нейтралью» и землей и ноль вольт между «фазой» и землей.

Однако в основном изолирующий трансформатор используется для обеспечения безопасности, когда люди работают под напряжением: случайное прикосновение к токоведущему проводнику не приведет к поражению электрическим током или существует риск повреждения кабелей и т. д., например, на строительных площадках.

Другим последствием этого является устранение «утечки на землю», т. е. струйки тока от фазы к земле, вызванной сетевыми фильтрами. Поскольку прямого заземления нет, то и утечки на землю некуда течь. Это может быть полезно при применении рядом с пациентом или для уменьшения утечки на землю от нескольких устройств, чтобы избежать ложных срабатываний УЗО.

Использование изолирующего трансформатора для снижения электрических помех.

Трансформатор, представляющий собой катушку, имеет так называемую индуктивность. Индуктивность является барьером для высокочастотных сигналов. Электрический шум представляет собой высокочастотный сигнал, поэтому трансформатор действует как блок для него. Другие проблемы с питанием также могут быть уменьшены, особенно если в конструкции трансформатора имеется электростатический экран, соединенный с землей. С помощью этого метода можно эффективно уменьшить любые электрические переходные процессы между силовыми проводниками и землей.

Помехи между силовыми проводниками можно уменьшить с помощью индуктивности, но не устранить. Вот почему в специализированных устройствах кондиционирования питания, которые включают в себя изолирующие трансформаторы, дополнительная фильтрация размещается на вторичной стороне трансформатора, чтобы еще больше уменьшить это.

Вместо того, чтобы вдаваться в подробности, эта статья отлично подходит для чтения перед сном.

Или вы можете просто поверить мне на слово.

Повторное соединение N-E

В сложных электрических установках или в некоторых местах, где проводка может быть старой, иметь плохие соединения или иным образом иметь избыточное полное сопротивление, напряжение между нейтралью и землей может увеличиваться, особенно в самых удаленных точках от распределительного щита и особенно там, где есть большие токи. Это может или не может быть проблемой для вашего электрооборудования. Вы можете просто снова соединить нейтраль с землей, но электрические нормы не позволяют этого. Однако, поскольку вторичная обмотка изолирована от первичной, вы можете безопасно получить новую нейтраль и землю, соединив их вместе на вторичной обмотке изолирующего трансформатора. Это также делается для устранения шума между «нейтралью» и землей — так как вы его закорачиваете.

Однако при этом необходимо соблюдать меры безопасности. Если, например, оборудование находится в зонах, которые могут соприкасаться с водой (например, в лабораториях), желательно защитить эту цепь устройством защитного отключения. Это связано с тем, что вода является довольно плохим проводником электричества, и в случае забрызгивания части оборудования водой не будет протекать ток, достаточный для перегорания предохранителя, но может протекать достаточный ток, чтобы дать кому-то, кто может находиться в контакте с водой, и землю неприятный электрический удар. Обратите внимание, что для нарушения сердечного ритма требуется всего несколько миллиампер тока.

Возьмем сценарий выше. Для защиты операторов, работающих на оборудовании с риском попадания воды на токоведущие проводники, цепь была оснащена УЗО. Если вода прольется на оборудование и соприкоснется с проводниками под напряжением, возникнет ток утечки, что приведет к срабатыванию УЗО. Это отключит питание от оборудования и оставит оператора в безопасности.

В следующем сценарии был установлен изолирующий трансформатор, который питает оборудование. Если сейчас прольется вода, любой контакт с проводниками под напряжением приведет только к заземлению проводников. Ток не будет течь, и, следовательно, оператор будет в безопасности, а оборудование продолжит работу.

В последнем сценарии изолирующий трансформатор имеет заземление, подключенное к одной из вторичных фаз, что создает новую эффективную связь между нейтралью и землей. Если теперь вода прольется на оборудование и коснется проводников под напряжением, ток потечет от конца фазы трансформатора к оборудованию, через воду на землю и затем обратно к трансформатору. Поскольку этот путь тока содержится во вторичной обмотке трансформатора, УЗО не обнаружит дисбаланс и, следовательно, не сработает. Оператор теперь находится в небезопасной среде с возможностью поражения электрическим током, поскольку они могут стать точкой с наименьшим сопротивлением для тока утечки.

Такие опасности могут существовать не только в воде. Я помню, как мне рассказали о случае с незадачливой кассиршей в крупной сети продуктовых магазинов. Она не знала, что электрический кабель, питающий какое-то оборудование, запутался в механизме ее кресла. Когда она повернулась в кресле, это привело к порезу изоляции кабеля, который затем коснулся проводника под напряжением. Эта цепь не была защищена УЗО, а только автоматическими выключателями. Следовательно, для отключения выключателя потребуется неисправность, такая как ток. В этом случае кресло имело плохое соединение с землей, поэтому кресло и несчастный оператор теперь находились под напряжением. Каждый раз, когда она прикасалась к чему-то заземленному, например, к кассе или механизму конвейера, она получала удар током. Если бы цепь была защищена УЗО, то это не предотвратило бы поражение электрическим током, но тяжесть поражения уменьшилась бы, и это произошло бы только один раз, а не несколько раз, как с этой бедной женщиной, пока не отключили питание. Задним действием действительно была установка УЗО (и делать это во всех магазинах). Если бы они были оборудованы изолирующим трансформатором, то оператор вообще не получил бы удара током. Никакая неисправность не будет очевидна — за исключением визуального осмотра. Если бы они установили изолирующий трансформатор с соединением N-E на вторичной обмотке, то это свело бы на нет эффект УЗО, создавая еще одну опасную ситуацию для оператора.

Регламент трансформатора

Трансформаторы не идеальны, и в них существует полное сопротивление, которое вызывает падение напряжения внутри трансформатора при протекании тока. Чем больше ток, тем больше падение напряжения и, следовательно, выходное напряжение падает. Регулировка трансформатора представляет собой разницу между напряжением холостого хода и напряжением полной нагрузки, выраженную в процентах. Плохая регулировка может вызвать другие проблемы в цепи. Например, если нагрузка нелинейна и потребляет ток большими порциями, например, в выпрямителях, то плохое регулирование может вызвать искажение формы сигнала и внести гармоники напряжения в систему. Другие проблемы включают слишком низкое падение напряжения и срабатывание систем защиты от пониженного напряжения.

ИБП и изолирующие трансформаторы

Прежде чем перейти к ИБП с изолирующими трансформаторами, вероятно, стоит упомянуть, что происходит с бестрансформаторными системами ИБП в случае замыкания на землю, как описано выше. Утечка на землю не устраняется с помощью ИБП. На самом деле он является кумулятивным, поэтому утечка на землю ИБП добавляется к утечке на землю подключенных нагрузок. Это касается подключаемых ИБП, но это тема другой статьи. Если происходит утечка на землю, которая отключает УЗО, то питание ИБП будет отключено, и ИБП будет делать то, для чего он предназначен, то есть продолжать подавать питание на подключенную нагрузку, даже если в ней есть неисправность. Примечание. Здесь я предполагаю, что это неисправность порядка десятков миллиампер — достаточно, чтобы отключить УЗО, но недостаточно, чтобы перегореть предохранитель или отключить автоматический выключатель. Это вы почувствуете опасность. Однако, когда ИБП работает от батареи, он будет иметь (подключаемые системы — не всегда имеет место в проводных системах) реле обратного питания. То, что это делает, является открытым, чтобы предотвратить присутствие выхода инвертора на входных штырях питания на ИБП. Фактически это то же самое, что и изоляция. Нагрузка теперь изолирована от источника, поэтому ток утечки на землю не будет продолжаться, и, следовательно, не будет опасности.

Если в ИБП есть разделительный трансформатор, это обеспечивает дополнительную защиту питания, но требует определенных соображений. Во-первых, он требует добавления большого количества меди и железа, что существенно увеличивает его вес и физический размер. Как описано выше, создание соединения нейтрали с землей на вторичной обмотке ИБП приводит к тому, что любая защита УЗО становится избыточной, поэтому предпочтительно, чтобы трансформатор был плавающим. В проводных системах ИБП, если требуется соединение N-E, оно может быть легко добавлено установщиками на месте, и любая защита RCD устанавливается после ИБП. Кроме того, где в цепи ИБП должен стоять трансформатор? Должен ли он быть на входе или на выходе?

Если он находится на входе, то ИБП имеет дополнительное преимущество защиты, обеспечиваемой трансформатором. Это означает, что утечка на землю ИБП (и подключенного оборудования) равна нулю при измерении на входе ИБП.

Если он находится на выходе, то выход ИБП всегда будет стабильным независимо от того, работает ли он от батареи или работает в обычном режиме. Это было бы особенно важно, если требуется связь N-E.

На мой взгляд, мы считаем, что входной трансформатор является лучшим вариантом в сочетании с действительно плавающим выходом. Это самая безопасная конфигурация, которую мы включили в наши системы ИБП серии TX.

Редактировать — Плавающие напряжения

Добавление к исходной статье, чтобы подробно объяснить, почему выходные напряжения относительно земли такие, какие они есть.

Если взять наш изолирующий трансформатор, на котором выходные вторичные обмотки не соединены с землей. Как бы мы ни старались, всегда будет некоторая паразитная емкость между выходными фазами на землю, импеданс которой мы обозначим Z _p .

Затем мы измеряем (используя вольтметр с высоким импедансом) между фазой 1 и фазой 2 и получаем выходное напряжение Vo. Теперь измеряя расстояние между Фазой 1 и Землей, что мы ожидаем найти? Измеряем напряжение на паразитном импедансе Z _стр . Предполагая, что это то же самое между фазой 1 и землей, что и между фазой 2 и землей, тогда измеренное напряжение будет V _m = V _o (Z _p / (Z _p + Z _p ) ), или V _m = V _o /2, например, мы измеряем половину выходного напряжения. Таким образом, для трансформатора на 230 В мы ожидаем измерить около 115 В.

Если мы подключим к трансформатору оборудование, содержащее входной фильтр, то обнаружим, что между входными фазами и землей намеренно подключены конденсаторы. Игнорирование Z _p (как Z _c ≪ Z _p ), тогда V _m = V _o (Z _c /(Z _c + Z _{c 20 E )) снова.}

Вот почему измеренное напряжение между фазой и землей, как правило, составляет около половины выходного напряжения трансформатора. Я понимаю, почему на первый взгляд это может вызвать беспокойство, поскольку кажется, что у нас есть высокое напряжение на землю даже через наш изолирующий трансформатор. Однако ток не будет течь (и, следовательно, это безопасно), если мы соединим любую фазу с землей. Все, что мы сейчас делаем, это соотносим эту фазу с землей.

Другие посты

Изолирующие трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку

Традиционная однофазная силовая проводка состоит из провода под напряжением, нейтрального провода и провода заземления. Когда несколько физически разделенных устройств используют общую линию питания, возможно создание контуров заземления из-за того, что устройства имеют разные потенциалы заземления. Эти контуры заземления особенно проблематичны в медицинских устройствах и могут создавать проблемы во время тестирования устройства. Разработчикам сложно измерять контуры заземления с помощью устройств, использующих выпрямленное линейное напряжение. Заземленное тестовое оборудование, такое как осциллографы, может непреднамеренно вызвать короткое замыкание в источниках питания этих устройств. Кроме того, высокочастотный шум может распространяться по линиям электропередачи переменного тока, вызывая проблемы с чувствительными датчиками и инструментами.

Всех этих проблем можно избежать, правильно установив разделительные трансформаторы между входом питания и устройством.

Изолирующие трансформаторы обеспечивают отделение от заземления линии электропередачи, чтобы исключить контуры заземления и непреднамеренное заземление испытательного оборудования. Они также подавляют высокочастотный шум источника питания.

В этой статье обсуждаются характеристики, критерии выбора и применение изолирующих трансформаторов на примерах устройств от Hammond Manufacturing, Bel/Signal Transformer и Triad Magnetics.

Как работают изолирующие трансформаторы

Изолирующие трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку между линиями питания переменного тока (сетью) и питаемым устройством. Это означает, что между двумя обмотками нет пути постоянного тока. Они служат трем основным целям:

• Первая — изоляция вторичной обмотки от земли (земли)
• Второй – обеспечить повышение или понижение линейных (сетевых) напряжений
• В-третьих, уменьшить линейный шум, передаваемый от первичного устройства к вторичному или наоборот

Изолирующие трансформаторы, прежде всего, являются трансформаторами и имеют общие характеристики трансформаторов (рис. 1). Первичная и вторичная обмотки намотаны на общий ферромагнитный сердечник.

Рисунок 1: Схема простого силового трансформатора, состоящего из первичной обмотки из витков N _P и вторичной обмотки из витков N _S на общем ферромагнитном сердечнике. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

На рисунке первичная обмотка имеет N _P витка намотано на сердечник и вторичная обмотка имеет N _S витка. Соотношение между первичным (V _P ) и вторичным напряжением (V _S ) показано в уравнении 1:

 Уравнение 1

вторичное будет меньше, чем первичное. Это ступенчатая конфигурация. Если количество витков на первичной обмотке меньше, чем количество витков на вторичной, то напряжение на вторичной обмотке будет выше, чем на первичной, что приведет к повышающей конфигурации. Большинство изолирующих трансформаторов имеют одинаковое количество первичных и вторичных витков, поэтому первичное и вторичное напряжения одинаковы.

Энергия сохраняется в трансформаторах, поэтому, если мы игнорируем потери, произведение V _P и первичного тока (I _P ) будет равно произведению V _S и вторичного тока (I _S ). Трансформаторы рассчитаны на произведение среднеквадратичного напряжения первичной обмотки на среднеквадратичное значение первичного тока. Это «полная мощность», и она измеряется в вольт-амперах или ВА.

Точки на схеме обозначают фазировку, которая показывает первичное и вторичное направления тока. Ток, протекающий в первичную точечную сторону обмотки, приводит к вторичному току, выходящему из точечной стороны обмотки, как показано на схеме. Это важно, если обмотки должны быть расположены последовательно или параллельно. Несоблюдение фазировки обмотки может привести к ошибкам.

Экран Фарадея представляет собой электростатический экран, уменьшающий емкость между первичной и вторичной обмотками и обычно заземленный. Экран снижает амплитуду синфазных помех и переходных процессов через трансформатор.

Первичная и вторичная обмотки изолирующего трансформатора имеют надежную изоляцию для минимизации прямой проводимости между ними. Мерой эффективности этой изоляции является ток утечки. Большинство изолирующих трансформаторов также проверяются с помощью тестеров с высоким потенциалом или высоким потенциалом. Они подают высокое напряжение на изоляцию, проверяя утечку тока.

Физическая структура изолирующего трансформатора может иметь несколько форм, в том числе корпусную структуру (рис. 2). Здесь первичная и вторичная обмотки концентрически обернуты изолирующим слоем, а экран Фарадея вставлен между двумя слоями.

Рис. 2: Вид в разрезе изолирующего трансформатора с кожуховой конструкцией, в которой первичная и вторичная обмотки концентрически обернуты изолирующим слоем, а экран Фарадея вставлен между двумя слоями. (Источник изображения Digi-Key Electronics)

Экран Фарадея может быть выполнен в виде слоя фольги или в виде близко расположенной обмотки, как показано на рисунке. Заземление обычно на первичной стороне, на землю. Поскольку в первичной и вторичной обмотках уже используется эмалированный провод, такая конструкция называется «двойной изоляцией».

В качестве альтернативы обмотки могут быть размещены рядом на сердечнике, что называется конструкцией «раздвоенной катушки», или намотаны на тороидальный сердечник.

Коммерческие изолирующие трансформаторы

Изолирующие трансформаторы могут быть распределены с открытыми рамами или могут быть заключены в экранированную конструкцию (рис. 3). В изолирующем трансформаторе 171E компании Hammond Manufacturing используется экранированный корпус. Экраны торцевых крышек сдерживают магнитное поле трансформатора, а также служат для минимизации наводок от полей, внешних по отношению к трансформатору. Этот трансформатор мощностью 500 ВА, 1:1 также оснащен пигтейлом, NEMA, трехпроводными заземленными входными и выходными разъемами и встроенным автоматическим выключателем перегрузки.

Хотя заземление подключено к вторичному выходному разъему, оно не используется в большинстве приложений с изолирующими трансформаторами. Этот трансформатор имеет ток утечки менее 60 микроампер (мкА) между первичной и вторичной обмотками при номинальном входном напряжении.

Рис. 3: Пример изолирующего трансформатора с экранирующими крышками на торцевых крышках трансформатора. (Источник изображения: Hammond Manufacturing)

DU1/4 от Bel/Signal Transformer представляет собой изолирующий трансформатор мощностью 250 ВА, в котором используется открытая конструкция с двойным набором обмоток с несколькими ответвлениями. Имеются две первичные и две вторичные обмотки (рис. 4).

Рис. 4: Бел/сигнальный трансформатор DU1/4 представляет собой развязывающий трансформатор с открытым корпусом и двойным набором первичных и вторичных обмоток с ответвлениями. (Источник изображения: Bel/Signal Transformer)

Первичная и вторичная обмотки одинаково рассчитаны на 0, 104, 110 и 120 вольт. Это позволяет последовательное или параллельное соединение как на первичном, так и на вторичном контуре. Таким образом, номинальное соотношение 1:1 может поддерживаться для входов на 110 или 220 вольт. Также можно настроить повышающий трансформатор со 110 вольт до 220 вольт или понижающий трансформатор с 220 вольт до 110 вольт. Кроме того, обмотки с несколькими ответвлениями допускают промежуточные значения напряжения, такие как 208 вольт, 214 вольт или 230 вольт (рис. 5).

Силовые соединения для этого трансформатора осуществляются с помощью винтовых клемм.

Рис. 5: Двойная обмотка DU1/4 допускает множество возможных конфигураций проводки, включая соотношения напряжений 1:1, 2:1, 1:2. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Если первичная и вторичная обмотки соединены последовательно, коэффициент напряжения трансформатора составляет 1:1 для входного напряжения 220 вольт. Если первичная и вторичная обмотки соединены параллельно, результатом будет отношение напряжения 1:1 для 110 вольт с удвоенным доступным током по сравнению с одной обмоткой. Если первичные обмотки соединены последовательно, а вторичные параллельно, первичное напряжение уменьшается в два раза. Если вторичка подключена последовательно, а первичка параллельно, то реализуется повышение 2:1.

Медицинская изоляция

Изолирующие трансформаторы, предназначенные для медицинского применения, должны соответствовать более строгим требованиям в отношении токов утечки. Существуют спецификации максимального тока утечки для утечки на землю или землю, утечки корпуса и утечки через пациента. Утечка на землю относится к токам утечки в заземляющем проводе устройства. Токи в корпусе описывают токи, которые текут от открытой проводящей поверхности к земле через проводник, отличный от провода заземления. Утечка через пациента — это ток, который протекает через пациента на землю при нормальном подключении к устройству. Большинство устройств этой категории сертифицированы по UL/IEC 60601-1.

Модель MD-500-U компании Triad Magnetics представляет собой изолирующий трансформатор мощностью 500 ВА, предназначенный для медицинского применения (рис. 6). Этот трансформатор сертифицирован Underwriters Laboratories (UL) по спецификации UL 60601-2 и имеет типичный ток утечки 10 мкА и максимальный ток менее 50 мкА.

Рис. 6: MD-500-U — это изолирующий трансформатор мощностью 500 ВА, предназначенный для медицинских применений. Он имеет ток утечки 10 мкА (типовой) и использует тороидальный трансформатор, чтобы сделать его компактным и свести к минимуму поля рассеяния. (Источник изображения: Triad Magnetics)

В MD-500-U используется тороидальный трансформатор, который сводит к минимуму поля рассеяния и увеличивает эффективность при минимальных размерах. Как и большинство автономных медицинских трансформаторов, он надежно заключен в стальной корпус со встроенными предохранителями и термовыключателем.

Типичное применение разделительного трансформатора

Наиболее распространенным применением разделительного трансформатора является изоляция устройства от заземления линии переменного тока. В качестве примера того, почему это может быть необходимо, рассмотрим импульсный источник питания (SMPS). Типичный SMPS с питанием от сети представляет несколько проблем, связанных с безопасностью (рис. 7).

Рисунок 7: Схема SMPS, показывающая области схемы, которые связаны с землей, и те, которые не связаны с землей. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Это блок питания с питанием от сети, использующий топологию обратного хода. Первичная сторона схемы, выделенная желтым цветом, двухполупериодная выпрямляет линейный (сетевой) вход и подает его на первичные шины. Это означает, что уровни напряжения, возникающие между шинами высокого и низкого напряжения, составляют около 170 вольт для линии 120 вольт и около 340 вольт для линии 240 вольт. Это выпрямленное линейное напряжение сохраняется в первичном накопительном конденсаторе C2.

Обратите внимание, что первичная и вторичная части источника питания электрически изолированы трансформатором обратного хода L2 и оптически изолированным соединителем Q4. В то время как вторичная секция подключена к земле на отрицательной (-) выходной клемме, первичная часть не заземлена. Это условие становится проблематичным при использовании заземленных входных приборов, таких как осциллографы, для устранения неполадок. Подключение заземления щупа осциллографа к компонентам на первичной стороне источника питания может привести к короткому замыканию с сопутствующим повреждением первичных компонентов, а также осциллографа.

Нижняя первичная шина питания подключена к нейтрали линии переменного тока. Хотя нейтральная линия подключена к земле на служебном входе, к тому времени, когда она достигает входа SMPS, она может быть на несколько вольт выше земли, что делает ее небезопасной точкой подключения для заземления зонда осциллографа.

Разделительный трансформатор предназначен для электрической изоляции первичной части ИИП. После изоляции можно подключить заземляющую сторону пробника в любом месте первичной цепи. Это размещает ссылку на землю в любой точке, к которой подключен зажим заземления, исключая возможность короткого замыкания первичной обмотки.

Эта же способность изоляции заземления делает изолирующие трансформаторы полезными при диагностике и устранении контуров заземления, когда несколько устройств, каждое из которых имеет свой собственный путь заземления, соединены вместе.

Трансформатор(ы) позволяет изолировать заземление, чтобы увидеть, какие устройства являются источником тока утечки на землю.

Изолирующие трансформаторы также уменьшают высокочастотный шум, передаваемый либо от линии к подключенному устройству, либо от устройства обратно в линию. Это происходит из-за последовательной индуктивности трансформатора и заземленного экрана Фарадея, который уменьшает емкостную связь через трансформатор.

Заключение

Изолируя устройства, подключенные к его вторичной обмотке, от источника переменного тока на первичной обмотке, изолирующие трансформаторы позволяют переопределить базовую плоскость на вторичных устройствах.