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本安技术用可靠隔离平面变压器的一种新型评定方法研究

2024-08-23 52 上传者：管理员

摘要：传统漆包线绕制变压器用作本质安全可靠隔离器件时，存在评定方法不足的问题，因此引出将平面变压器用作可靠隔离器件的思路，并针对平面变压器的特点，提出一种采用计算分析代替型式试验的新型评定方法，同时给出隔离间距的判定方法。理论分析表明，该种新型评定方法可用于判断平面变压器的可靠隔离性能。

关键词：
可靠隔离
平面变压器
本质安全
电子技术
电气绝缘耐热等级
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1、前言

随着基础材料和电力电子技术的飞速发展，变压器在满足功能性和可靠性的同时，具有集成度高、体积小的特点，在普通工业和消费类电子产品中已成为一种市场趋势。在隔离式电路拓扑结构中，变压器是制约产品体积的关键因素。多层印制线路板平面变压器（下文简称平面变压器）采用印制线绕组结构，具有较低的绕组电阻、漏感，以及较好的一致性，使同一系列平面变压器的寄生参数接近于定值，同时减少了高频条件下产生的电磁干扰，有效地缓解了功率密度与体积和质量之间的矛盾[1]。

另一方面，在爆炸性环境中使用的本质安全型产品，需要配接安装在安全区域的关联设备上，该设备往往通过隔离变压器实现本安侧与非本安侧的电气隔离。目前，隔离变压器以普通漆包线绕制结构居多。随着平面变压器在普通工业和消费类电子产品中的应用日趋成熟，人们也试图在本质安全关联设备电路中使用平面变压器，以达到减小体积和提高稳定性的目的。国家标准GB/T 3836.4规定，针对可靠隔离变压器，除应满足结构方面的要求外，还要对其进行包括绕组温升及介电强度在内的型式试验，这对于传统的漆包线绕制变压器来说费时费力。

与普通漆包线绕制变压器不同，平面变压器的绕组采用印制线替代漆包线，即通过在多层线路板的不同层上绘制印制线，满足初级和次级所需匝数，实现变压器的功能。针对平面变压器，除可采用试验的方法进行判定外，本文依据GB/T 3836.1/4—2021标准引入另一种思路，评定绕组铜箔温升是否满足相应材料的电气绝缘耐热等级，结合间距判定方法，进而判断其可靠隔离性能。

2、电气绝缘材料和耐热等级

通常，将具有可忽略不计的电导率或者由这类材料的简单组合，在电气装置中用以隔离不同电位的导电部件的固体材料称为电气绝缘材料。其耐热性表示方法为与电气绝缘材料/电气绝缘系统（EIM/EIS）相对应的最高使用温度（设施温度）的数值。

在电气设备中，通常情况下温度是作用于电气绝缘材料主要的老化因子，因此，国际上都认同可靠的基础性耐热分级是有用的。电气绝缘材料某一特定的耐热性等级，则表明与其相适应的最高使用摄氏温度[2]。GB/T 11021标准将电气绝缘材料按照其极限温度的不同，划分为多种绝缘等级，以表征各种材料的耐热性能。

3、两种可靠隔离变压器结构

3.1 可靠隔离变压器的应用

本质安全电路是指在正常工作和规定故障状态下，产生的任何电火花和热效应都不能引起规定的可燃性混合物爆炸的电路。实现这一目的的前提，是本质安全电路需要配接限流限压电路。GB/T 3836.4标准规定，限压可靠组件和限流可靠元件均应满足在故障条件下的最大功耗不能超过其额定值的2/3。基于这一限制，在限流限压电路前级所用的隔离式变压器输出功率容量有限，这使平面变压器在此类电路中的应用成为一种可能。

本质安全关联电路简化框图如图1所示。图中，T1为隔离变压器，F1为熔断器，属于本质安全关联设备的关键元器件。根据GB/T 3836.4标准要求，向本质安全电路供电的可靠变压器的输入电路，应采用符合规定的熔断器或用适当额定值的断路器来保护。

图1 本质安全关联电路简化框图

3.2 传统漆包线绕制变压器结构示例

漆包线绕制变压器结构示例如图2所示。传统漆包线绕制变压器由多槽或单槽骨架，磁芯或铁芯，初、次漆包线绕组，绝缘挡墙和绝缘胶带组成。在初、次级绕组线圈间采用固体绝缘材料（如绝缘挡墙、绝缘胶带、绝缘漆或浇封剂）进行绝缘，以满足GB/T 3836.4标准中表5的要求，实现结构上的可靠隔离。

图2 漆包线绕制变压器结构示例

3.3 平面变压器结构

平面变压器由绕组、排针式或贴片式引脚、磁芯及卡簧组成，如图3所示。

图3 平面变压器结构

图3中，绕组采用印制线替代漆包线，通常使用多层印制线路板，根据计算好的初、次级匝数比和所需匝数，通过在内部不同层上绘制印制线构成初次级绕组。

根据标准要求，成品变压器需要浸绝缘漆或在电路板上采用浇封剂进行整体浇封，以加强电气绝缘能力。其中，电气绝缘材料为印制线路板板材、绝缘漆或浇封剂。

4、传统漆包线绕制变压器温度试验方法

测试前，在实验室环境下应将被测变压器静置一段时间，避免环境因素对测试过程造成影响。测试步骤如下：

步骤1测量绕组在环境温度时的电阻，并记录测量时的环境温度。

步骤2将输入电压调整到变压器的额定电压，变压器初级电流的负载分量与次级负载电流成正比，通过提高二次绕组的负载，将输入电流调整到1.7倍的熔丝额定电流，之后测量绕组电阻，并记录测量时的环境温度。

步骤3温升计算公式[3]如下：

式中：t为温升，K;r为绕组在环境温度t1时的电阻，Ω；R为在试验电流条件下绕组的最大电阻，Ω；t1为测量r时的环境温度，℃；t2为测量R时的环境温度，℃；k为在0℃时绕组电阻温度系数的倒数。对于铜，该值为234.5 K。

当温升变化不超过2 K/h时，认为已达到最终稳定温度。结合GB/T 3836.4标准中10.10条款，试验应连续进行不少于6 h，或直到不可复位的热断路器动作。当使用自动复位热断路器时，试验周期至少应为12 h。该方法需要在规定的时间内，多次记录温升数据才能确定温升是否稳定，之后判断绕组最终温度是否超过GB/T 11021—2014给出的绝缘等级，才能评价电路中所使用变压器是否符合防爆标准的要求。

可以看出，以上方法虽能测试出漆包线绕组的温度，但过程较为复杂，同时供电设备内阻、工装夹具、引出线直流内阻及试验时的环境条件对最终测试结果的稳定性均有一定的影响。

5、平面变压器隔离性能评定方法

5.1 耐热性能评定

研究表明，利用平面变压器绕组为多层印制线的这一特点，依据GB/T 3836.4中印制线路板印制线的温度组别与允许通过的电流之间的关系，在特定条件下，可对平面变压器中印制线绕组直接进行温度评定。为方便描述该评定方法，将图1中涉及的关键元器件参数规定如下：

(1）平面多层印制线路板的板厚至少为1.6mm，单层铜箔厚度至少为33µm。

(2）印制线最小宽度为0.254 mm，温度组别为T4，该关联设备最高使用温度为60℃。

(3)F1熔断器额定电流In为0.125 A。

(4）多层线路板材绝缘耐热等级为F级，即155℃，绝缘漆耐热等级为H级，即180℃。

在最不利条件下进行评定，将变压器绕组一端串联在一起，因F1额定电流为0.125 A，则印制线线圈输入电流为1.7In(1.7为保险丝熔断系数），即为0.212 5 A，根据GB/T 3836.4表4标准评判如下：

(1）印制线最小宽度为0.254 mm，对应表格中取0.200 mm，则T4温度组别所对应的最大允许电流为1.8 A。

(2）该变压器印制线电路板为多层板，对于该多层印制线路板，根据注5中的最大允许电流值除以2，此条件下最大允许通过电流为0.9 A。

(3）变压器最高使用环境温度为60℃，根据表中注10的环境温度达到60℃时，最大允许电流值除以1.2，此条件下最大允许通过电流为0.75 A。

印制线线圈实际通过的最大电流仅为0.212 5 A，未超过0.750 0 A。根据GB/T 3836.1标准，T4温度组别下，最高环境温度为135℃，因此认为该平面变压器在最高使用环境温度60℃情况下，其绕组最高温度不超过135℃，即绕组最高温度不超过印制线路板板材和绝缘漆的耐热等级。

5.2 间距评定

由图3可知，平面变压器中间层1和中间层6设计为本安侧绕组，1、2、3脚为本安侧端子；中间层2、3、4、5为非本安侧绕组，4、5、6脚为非本安侧端子，顶层和底层均未布置铜箔。

假定Um电压定义为250 V,8层线路板的中间层的1与2之间、中间层5与6之间，以及中间层2、3、4、5与磁芯之间固体绝缘厚度至少1 mm，最小线宽为6 mil,铜箔厚度为35μm，印制线路板板材Tg耐热温度≥150℃，相对漏电起痕指数（comparative tracking lndex,CTI）≥175。评定方法如下：

(1）当非本安侧输入端电压Um=250 V时，评定电压选375 V，并考虑浸漆的因素，可判断满足标准要求。

(2）在评定电压为375 V时，非本安侧输入端和向本安电路供电绕组，通过固体绝缘的间距要求为1 mm，因此每层印制线之间均不应小于1 mm,才可满足标准要求。

(3）根据GB/T 3836.4中表5，在ia/ib保护等级下印制线路板CTI为175，满足要求。

6 、结语

本文介绍了用于本质安全关联设备的两种可靠隔离变压器绕组的不同形式、影响本质安全性能的电气绝缘材料及耐热等级的定义、要求及判断方法。对于平面变压器可靠隔离性能的判定，提出了一种无需型式试验，仅采用计算评定的方法，同时给出了间距评定的方法。理论分析表明，该方法切实可行，可获得与试验判定同样的结论。

参考文献:

[1]宋佳伦.基于PCB变压器的DC/DC变换器设计[D].沈阳:沈阳工业大学,2020.

[2]国家质量监督检验检疫总局.电气绝缘耐热性和表示方法:GB/T 11021—2014[S].北京:中国标准出版社,2014.

[3]国家质量监督检验检疫总局.爆炸性环境第4部分由本质安全型“i”保护的设备:GB 3836.4—2010[S].北京:中国标准出版社,2010.

[4]赵北.铜包铝线绕组温升测量K值的计算方法[J].安全与电磁兼容,2012(4):28-29.

[5]刘亚丽,郭振岩,陈昊.电气绝缘耐热性和表示方法:GB/T11021—2014[S].北京:机械工业北京电工技术经济研究所,2016.

[6]韩强,黄柱锋,陈镜亮.电阻法测量绕组温升数据处理的方法及应用[J].家电科技,2013(8):40-42.