【电气干货】你不懂的隔离变压器的工作原理

一、隔离变压器原理及应用
基本原理
根据变压器的变比公式：U1/U2=N1/N2；I1/I2=N2/N1；可以知道，1：1隔离变压器一次侧和二次侧的电压，电流是相同的。
作用：电气隔离；消除部分谐波（根据结构的不同可以消除不同次的谐波）；有效的降低零地电压；通过磁饱和原理，可消除浪涌。
可以消除三次谐波（要求星三角变换隔离结构），高次谐波也是解决不了的。变压器只是变压的作用，并不起到变频的作用，只是在特殊结构的情况下，消除特定的谐波。
二、隔离变压器原理
我们用的交流电一根线和大地相连。另一根线与大地之间有220V的电位差。人接触会触电。隔离变压器的次级不与大地相连，它的任意两线与大地之间没有电位差。人接触任意一条线不会触电,所以比较安全。隔离变压器常用在有电子管和工作电压高的电子仪器上，如电子管扩音机，示波器等，也可用于维修电源。 如为了安全维修彩电常用1比1的隔离变压器。
三、隔离变压器的应用场合
适用于安全、隔离、漏电流小、净化电源、消除三次谐波及抑制共模干扰的场合。适用于交流50Hz至400Hz，电压1000V以下的电路中，广泛用于照明、机床电器、机械电子设备、医疗设备、整流装置等。
隔离变压器按用用途分为两类；一类是防止触电事故发生而对电源进行隔离的安全电源变压器。另一类隔离变压器是对电磁干扰信号进行隔离，它广泛用于电子电路中，抑制噪声和电磁干扰。
四、通用触电防护措施
1、安全电压
据欧姆定律，电压越高，电流也就越大。因此，可以把可能加在人身±的电压限制在某一范围之内，使得在这种电压下，通过人体的电流不超过允许的范围。这一电压就叫做安全电压，也叫做安全特低电压。应当指出，任何情况下都不要把安全电压理解为绝对没有危险的电压。具有安全电压的设备属于Ⅲ类设备。
安全电压限值
限值为任何运行情况下，任何两导体问不可能出现的最高电压值。我国标准规定工频电压有效值的限值为50V、直流电压的限值为120V。
一般情况下，人体允许电流可按摆脱电流考虑；在装有防止电击的速断保护装置的场合，人体允许电流可按30mA考虑。我国规定工频电压50V的限值是根据人体允许电流30mA和人体电阻1700Ω的条件确定的。
我国标准还推荐：当接触面积大于1cm2、接触时间超过1s时，干燥环境中工频电压有效值的限值为33V、直流电压限值为70V；潮湿环境中工频电压有效值的限值为16V、直流电压限值为35V。
安全电压额定值
我国规定工频有效值的额定值有42V、36V、24V、12V和6V。特别危险环境中使用的尹持电动工具应采用42V安全电压；有电击危险环境中使用的手持照明灯和局部照明灯应采用36V或24V安全电压；金属容器内、特别潮湿处等特别危险环境中使用的手持照明灯应采用12V安全电压；水下作业等场所应采用6V安全电压。当电气设备采用24V以上安全电压时，必须采取直接接触电击的防护措施。
2、安全隔离变压器
通常采用安全隔离变压器作为安全电压的电源。其接线如图3—8所示。除隔离变压器外，具有同等隔离能力的发电机、蓄电池、电子装置等均可做成安全电压电源。但不论采用什么电源，安全电压边均应与高压边保持加强绝缘的水平。

采用安全隔离变压器作安全电压的电源时，这种变压器的一次与二次之间有良好的绝缘；其间还可用接地的屏蔽隔离开来。安全隔离变压器各部绝缘电阻不得低于下列数值： 带电部分与壳体之间的工作绝缘 2MΩ
带电部分与壳体之间的加强绝缘 输入回路与输出回路之间 输入回路与输入回路之间 输出回路与输出回路之间 7MΩ 5MΩ 2MΩ 2MΩ
Ⅱ类变压器的带电部分与金属物体之间 2MΩ
Ⅱ类变压器的金属物件与壳体之间 5MΩ
绝缘壳体上内、外金属物件之间 2MΩ
安全隔离变压器的额定容量，单相变压器不得超过10kVA、三相变压器不得超过16kVA、电铃用变压器的额定容量不应超过100VA、玩具用变压器的额定容量不应超过200VA；安全隔离变压器的额定电压，交流电压有效值不得超过50V、脉动直流电压不得超过50V、电钤用变压器的分别不应超过24V和24V、玩具用变压器的分别不应超过33V和33V。 安全电压回路的带电部分必须与较高电压的回路保持电气隔离，并不得与大地、保护导体或其他电气回路连接，但变压器一次与二次之间的屏蔽隔离层应按规定接地或接零。如变压器不具备加强绝缘的结构，二次边宜接地或接零，以减轻一次与二次短接的危险。对于普通绝缘的电源变压器，一次线长度不得超过3m、并不得带入金属容器内使用。
安全电压的配线最好与其他电压等级的配线分开敷设。否则，其绝缘水平应与共同敷设的其他较高电压等级配线的绝缘水平一致。
3、电气隔离
电气隔离是采用电压比为1：1，即一次边、二次边电压相等的隔离变压器实现工作回路与其他电气回路电器上的隔离。
应用电气隔离须满足以下安全条件：
1、隔离变压器必须具有加强绝缘的结构，其温升和绝缘电阻要求与安全隔离变压器相同，这种隔离变压器还应符合下列要求：
(1)最大容量单相变压器不得超过25kVA、三相变压器不得超过40kVA。
(2)空载输出电压交流不应超过1000V、脉动直流不应超过1000V、负载时电压降低一般不得超过额定电压的5％～15％。
(3)隔离变压器具有耐热、防潮、防水及抗振结构；不得用赛璐珞等易燃材料作结构材料；手柄、操作杆、按钮等不应带电；外壳应有足够的机械强度，一般不能被打开，并应能防止偶然触及带电部分；盖板至少应由两种方式固定，其中，至少有一种方式必须使用工具实现。
(4)除另有规定外，输出绕组不应与壳体相连；输入绕组不应与输出绕组相连；绕组结构应能防止出现上述连接的可能性。
(5)电源开关应采用全极开关，触头开距应大于3mm；输出插座应能防止不同电压的插销插入；固定式变压器输入回路不得采用插接件；移动式变压器可带有2～4m电源线。
(6)当输入端子与输出端子之间的距离小于25mm时，则其间须用与变压器连成一体的绝缘隔板隔开。
(7)Ⅰ类变压器应有保护端子，其电源线中应有一条专用保护线；R类变压器没有保护端子。

2、二次边保持独立，即不接大地，不接保护导体，不接其他电气回路。如图3—9所示，如果变压器的二次边接地，则当有人在二次边单相电击时，电流很容易流经人体和二次边接地点构成回路。因此，凡采用电气隔离作为安全措施者，还必须有防止二次回路故障接地及窜连其他回路的措施。因为一旦二次边发生接地故障，这种措施将完全失去安全作用。对于二次边回路线路较长者，还应装设绝缘监视装置。

图3—9 变压器二次边接地的危险
3、二次边线路电压过高或副边线路过长，都会降低回路对地绝缘水平，增大故障接地的危险，并增大故障接地电流。因此，必须限制电源电压和二次边线路的长度。按照规定，应保证电源电压U≤500V、线路长度L≤200m、电压与长度的乘积UL≤100000V·m。


4、等电位联结
图3—10中的虚线是等电位联结线。如果没有等电位联结线，当隔离回路中两台相距较近的设备发生不同相线的碰壳故障时，这两台设备的外壳将带有不同的对地电压。如果有人同时触及这两台设备，则接触电压为线电压，电击危险性极大。因此，如隔离回路带有多台用电设备(或器具)，则各台设备(或器具)的金属外壳应采取等电位联结措施。这时，所用插座应带有等电位联结的专用插孔。
五、净化电源、消除三次谐波及抑制共模干扰
隔离变压器在交流电源输入端的特点:vvv1、若电网三次谐波和干扰信号比较严重，采用隔离变压器，可以去掉三次谐波和减少干扰信号。vvv2、采用隔离变压器可以产生新的中性线，避免由于电网中性线不良造成设备运行不正常。vvv3、非线性负载引起的电流波形畸变（如三次谐波）可被隔离而不污染电网。
隔离变压器在交流电源输出端的特点：
1、防止非线性负载的电流畸变影响到交流电源的正常工作及对电网产生污染，起到净化电网的作用。 2、在隔离变压器输入端采样,使得非线性负载电流的畸变不影响取样的准确性，得到能反应实际情况的控制信号。 3、若负载不平衡，也不影响稳压电源的正常工作。
六、漏电保护器
电气线路或电气设备发生单相接地短路故障时会产生剩余电流，利用这种剩余电流来切断故障线路或设备电源的保护电器称之为剩余电流动作保护器即通常所称的漏电保护器。由于漏电保护器动作灵敏、切断电源时间短，因此正确选用、安装与使用漏电保护器具有重要作用。
1．漏电保护方式
电流型RCD保护方式，通常有下列四种。
(1)全网总保护。是指在低压电网电源处装设保护器，总保护有三种方式：
①保护器安装在电源中性点接地线上。
②保护器安装在总电源线上。
③保护器安装在各条引出干线上。
通常，对供电范围较大或有重要用户的低电电网，采用保护安装在各条引出干线上的总保护方式。
(2)对于移动式电力设备，临时用电设备和用电的家庭，应安装末级保护。
(3)较大低压电网的多级保护。随着用电的不断增长，较大低压电网单单采用总保护或末级保护方式，已不能满足对低压电网供电可靠性和安全用电的需要，因此，较大电网实行多级保护是电气化事业发展的必然要求，图3—11所示为三级保护方式的配置图。

上述三种保护方式，漏电保护器动作后均自动切断供电电源。
(4)对于保护器动作切断电源会造成事故或重大经济损失的用户，其低压电网的漏电保护可由用户申请，经供电企业批准，而采取漏电报警方式。此类单位应有固定值班人员，及时处理报警故障，并应加强绝缘监督，减少接地故障。
2、漏电保护装置的选用、安装使用及运行维护
(1)漏电保护装置选用
①漏电保护器设置的场所有：手握式及移动式用电设备；建筑施工工地的用电设备；用于环境特别恶劣或潮湿场所(如锅炉房、食堂、地下室及浴室)的电气设备；住宅建筑每户的进线开关或插座专用回路；由TT系统供电的用电设备；与人体直接接触的医用电气设备(但急救和手术用电设备等除外)。
②漏电保护装置的动作电流数值选择：手握式用电设备为15mA；环境恶劣或潮湿场所用电设备为6～10mA；医疗电气设备为6mA；建筑施工工地的用电设备为15～30mA；家用电器回路为30mA；成套开关柜、分配电盘等为100mA以上；防止电气火灾为300mA。 ③根据安装地点的实际情况，可选用的型式有：漏电继电器，可与交流接触器、断路器构成漏电保护装置，主要用作总保护。漏电开关，将零序电流互感器、漏电脱扣器和低压断路器组装在一个绝缘外壳中，故障时可直接切断供电电源。因此末级保护方式中，多采用漏电开关。漏电插座，把漏电开关和插座组合在一起的漏电保护装置，特别适用于移动设备和家用电器。
④根据使用目的由被保护回路的泄漏电流等因素确定。一般RCD的功能是提供间接接触保护。若作直接接触保护，则要求I△N≤30mA，且其动作时间t≤0.1s。因此根据使用目的不同，在选择RCD动作特性时要有所区别。
此外，在选用时，还必须考虑到被保护回路正常的泄漏电流，如果RCD的I△N小于正常的泄漏电流，或者正常泄漏电流大于50％I△N，则供电回路将无法正常运行，即使能投入运行也会因误动作而破坏供电的可靠性。
(2)漏电保护装置安装使用
①安装前必须检查漏电保护器的额定电压、额定电流、短路通断能力、漏电动作电流、漏电不动作电流以及漏电动作时间等是否符合要求。
②漏电保护器安装接线时，要根据配电系统保护接地型式，按表3—8所示的接线图进行接线。接线时需分清相线和零线。
③对带短路保护的漏电保护器，在分断短路电流时，位于电源侧的排气孔往往有电弧喷出，故应在安装时保证电弧喷出方向有足够的飞弧距离。
④漏电保护器的安装应尽量远离其他铁磁体和电流很大的载流导体。
⑤对施工现场开关箱里使用的漏电保护器须采用防溅型。
⑥漏电保护器后面的工作零线不能重复接地。
⑦采用分级漏电保护系统和分支线漏电保护的线路，每一分支线路必须有自己的工作零线；上下级漏电保护器的额定漏电动作电流与漏电时间均应做到相互配合，额定漏电动作电流级差通常为1．2～2．5倍，时间级差0．1～0．2s。
⑧工作零线不能就近接线，单相负荷不能在漏电保护器两端跨接。
⑨照明以及其他单相用电负荷要均匀分布到三相电源线上，偏差大时要及时调整，力求使各相漏电电流大致相等。
⑩漏电保护器安装后应进行试验，试验有：用试验按钮试验3次，均应正确动作；带负荷分合交流接触器或开关3次，不应误动作；每相分别用7kΩ试验电阻接地试跳，应可靠动作。
(3)漏电保护装置运行维护
由于漏电保护器是涉及到人身安全的重要电气产品，因此在日常工作中要按照国家有关漏电保护器运行的规定，做好运行维护工作，发现问题要及时处理。
①漏电保护器投入运行后，应每年对保护系统进行一次普查，普查重点项目有：测试漏电动作电流值是否符合规定；测量电网和设备的绝缘电阻；测量中性点漏电流，消除电网中的各种漏电隐患；检查变压器和电机接地装置有无松动和接触不良。
②电工每月至少对保护器用试跳器试验一次，每当雷击或其他原因使保护动作后，应作
一次试验。雷雨季节需增加试验次数。停用的保护器使用前应试验一次。
③保护器动作后，若经检查未发现事故点，允许试送电一次。如果再次动作，应查明原因，找出故障，不得连续强送电。
④严禁私自撤除保护器或强迫送电。
⑤漏电保护器故障后要及时更换，并由专业人员修理。
⑥在保护范围内发生人身触电伤亡事故，应检查保护器动作情况，分析未能起到保护作用的原因，在未调查前要保护好现场，不得改动保护器。
一些听音响的人常会在电源上加一颗功率容量不小的隔离变压器，HP的SKVA或国内有厂商推出IKVA等。有的用220v的冷气插座转降110V，有的则是110V变110V的1：1方式，而其作用就是要把电源中的杂讯减小，提高电源之S／N比。在国内尤其是普通的110V及220V，因为家家户户都有电器在使用，像微波炉、电磁炉。开关、马达运转等，在电源上会以倍频或突波的方式传至各电源插，因此电源受到污染的情形相当严重.除非你能不计一切代价用各种方式自己发电，否则就要想办法改善电源中的噪讯。
其实隔离变压器的原理很简单，主要就是针对这些杂讯都是中高周波的特性而设计。因为我们知道，中高周波在我们的硅钢片型的变压器耗损相当大。不大会从一次线圈感应到二次线圈输出，因此就可以达到我们要干净电源的目的。但有些人不免担心会影响到动态范围、音场音色等问题，其实要看这个隔离变压器本身的制作水准和功率容量而定，究竟是EI型的好，或是环型的好？我们只能说。环型好的很贵，EI型的很笨重。
使用时，我们仍要建议你做好隔离变压器本身接地的回路 ，往往使用者忽视这个重要性，变压器会产生磁漏及电磁干扰.如果没有把外壳金属导电的部位接到大地或电源配置好接地线路，既使做再多的隔离效果也是有限的。还有要注意的，如果变压器本身空载就发烫。这样子功率容量会减小。如果变压器会振动的话，那劝你还是换一个。不然它的杂音就会盖过许多音乐细节了。
七、隔离变压器的特性
具有电压变换功能
有滤波抗干扰功能
ＴＮ－Ｃ－Ｓ系统被广泛应用于工程中，几乎所有变压器不在建筑物内的配电系统都是这种。
我们在执行规范时，在建筑物电源进线开关前将保护中性线（ＰＥＮ线）进行重复接地。
从重复接地的概念可知：变压器中性点已经接地．通过中性点接地、重复接地和地形成一个与中性线并联的返回回路（以下称为重复回路），大家知道：
Ｎ线中有电流流过（三相不对称时），所以重复回路中也有电流通过，此电流称为杂散电流． 杂散电流对我们来说是有危害的。
那么，我们为什么还要采用这种有危害的系统供电呢？
我认为只有在讨论同一建筑物内配电时才有意义，即同一建筑物内的PEN线只能进行一点接地。
ＴＮ－Ｃ－Ｓ系统被广泛应用于工程中，几乎所有变压器不在建筑物内的配电系统都是这种。
一、采用TN-C-S的优点
1、与TN-S系统比较节省一根专用的PE线。
2、由于TN-C-S系统的中性线和PE线一般在进入建筑物总配电箱时才分开，因此与TN-S系统比较，他们之间的电位差相对来说比较小了，对信息技术设备引起共模干扰的可能较小。 共模干扰的通路是：干扰信号从传输线路传输，并通过地线返回的通路。干扰电压、电流从L线路传入再从PE线返回接地，这是电源线路共模干扰的路径。在进入建筑处设电涌保护器等措施可钳制共模干扰，可以保护信息设备的电源部分。TN-C-S系统在建筑进线处作了重复接地，电涌保护器等接地点更近于地电位，对抑制电源线上的共模干扰有好处。 上面是我从网上学的，不知是否正确，只做参考。
这个杂散电流出现在那个地方？是怎么出现的？
当与变压器中性点接地相近的地方重复接地，变压器中性点向重复点杂乱散发电流，有什么危害呢？剩余断路器跳闸。当然这是理论上的，实际上在交流回路中，就是变压器中性点接地的地方和重复接地的接地地方相近也不会有不规则的不定方向的杂乱电流，对于变压器出现杂散电流导致剩余断路器跳闸现象更是不会存在的。
两个接地点应当绝对足够远了，还存在杂散电流吗？
现在在交流变配电所中有人大提杂散电流，可能是一种误导，它与地铁中的杂散是两种概念。
由于TN-C-S系统的中性线和PE线一般在进入建筑物总配电箱时才分开，因此与TN-S系统比较，他们之间的电位差相对来说比较小了，对信息技术设备引起共模干扰的可能较小。为什么呢？
共模干扰的通路是：干扰信号从传输线路传输，并通过地线返回的通路。干扰电压、电流从L线路传入再从PE线返回接地，这是电源线路共模干扰的路径。在进入建筑处设电涌保护器等措施可钳制共模干扰，可以保护信息设备的电源部分。TN-C-S系统在建筑进线处作了重复接地，电涌保护器等接地点更近于地电位，对抑制电源线上的共模干扰有好处。