Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор – это устройство, обеспечивающее не только гальваническую развязку первичной и вторичной цепи, но и развязку по переменному току, и имеющее среди своих конструктивных особенностей усиленную изоляцию между обмотками. Иногда разделительными называются трансформаторы совершенно обыкновенной конструкции, чтобы подчеркнуть их назначение.

Назначение

В отечественной литературе мало внимания уделяется разделительным трансформаторам, поэтому составители Википедии передрали выдержки из ПУЭ и ГОСТ Р 50571.11. Но понимания пользователям интернета это принесло мало. Начать следует с основных терминов:

  • Под двойной изоляцией обычно понимаются меры безопасности, когда наряду с защитой проводников корпус, либо отсек выполняется также из изоляционного материала, что исключает поражение током, например, в случае ненамеренного попадания брызг. Весь ручной электроинструмент обычно изготавливается в таком исполнении.
  • Усиленной изоляцией оборудуются те приборы, у которых по каким-то причинам корпус металлический, либо рабочие токопроводящие части могут оказаться под током. Например, электродрель.
  • Защитным экраном называется заземлённая обмотка (сеть, спираль и пр.), включённая между первичным и вторичным контуром. Иногда её называют щитом Фарадея, и предназначение этой меры в том, чтобы устранить между цепями ёмкостную связь по переменному току.

Швартовка судов

Казалось бы, в задачу трансформатора и входит передача переменного тока. Но только полезного. Обмотки сконструированы так, чтобы пропускать частоту 50 Гц. Ёмкостная связь может нарушить это правило, и во вторичную цепь отправятся помехи. Если их уровень велик, то это может замкнуть ток на землю и представлять угрозу жизни людей, либо целостности оборудования. Так например, швартовка судна и питание от земли идут преимущественно через трансформаторы с экраном Фарадея. Это нужно для того, чтобы предотвратить коррозию корпуса, вызванную электролитическими токами, идущими сквозь воду на дно.

Они текут, вызванные разницей потенциалов между нейтралью суши и нижними слоями залива. Чтобы устранить этот эффект, также применяются резисторы NGR. Это небольшие сопротивления, рассчитанные на ток порядка 5 А (при напряжении до 5 кВ) и снимающие потенциал с корпуса судна, который замыкается на контур через очень низкое сопротивление. Образующийся резистивный делитель исключает занос сюда потенциала, образованного токами нейтрали. Что, в свою очередь, вызывается неравномерной нагрузкой фаз.

Помимо прочего это вредоносное явление легко может вызвать искру. Поэтому если обычный сухогруз подключается через разделительный трансформатор без экрана, то танкеры и газовые хранилища подобным образом питать запрещается в любом случае. Иначе нельзя заранее предсказать, где форма корпуса и повышенное напряжение смогут создать искру, которая приведёт с большой степенью вероятности к печальным последствиям.

Из схемы видно, что заземлённая нейтраль трансформатора швартуется на корпус танкера, чтобы уравнять потенциалы. Эта мера блокирует течение тока через воду, а разделительный трансформатор исключает прочие опасности. Следует иметь в виду, что в этом случае «заботятся» о корпусе судна и содержимом танков, поскольку предполагается, что рабочий персонал в курсе, как нужно себя вести на опасном объекте.

Система NGR выгодно отличается от изолированной или глухозаземлённой нейтрали отсутствием большой величины токов на нулевом проводнике в районе контура и относительной безопасностью. Кроме того появляется возможность простыми средствами контролировать превышение токов утечки над допустимым уровнем и даже коммутировать (разрывать и воссоединять) при помощи реле связь нейтрали с грунтом, если появляется такая необходимость.

В случае со швартовкой судна резистор в цепи заземления позволяет простыми методами избежать проблем с разрушением корпуса, описанных выше.

Читайте также:  Электромагнитный пускатель

Человек и вода

На аналогичном же принципе построена и защита человека, находящегося в контакте с водой. Если в зонах ванны и близ неё разрешается использовать только оборудование со сверхнизким безопасным напряжением, неспособным причинить вред в силу малых значений, то розетки (например, на стиральную машину) ставятся через разделительный трансформатор. Экран Фарадея не является обязательной мерой, поскольку лёгкий укус тока не повредит человеку и вряд ли вызовет коррозию ванны. Запрещается лишь любую точку вторичной обмотки заземлять.

В чем здесь смысл? Идея почерпнута из методик трёхфазных цепей с заземлённой нейтралью. В них считается, что зануление корпуса является самой надёжной защитой. Потому что где-то, в районе земли этот провод контачит со всеми фазами. А потенциал на одной из них в любой момент времени ниже грунта. Следовательно, ток пойдёт туда, а не к человеку, неосторожно взявшемуся за оголённый металл, где не ожидал найти высокое напряжение. А заземление рассматривается в качестве дополнительной меры.

Аналогичным образом, если бы одна из точек вторичной обмотки была заземлена, то ток замкнулся бы через человека, водопровод и грунт на эту точку. Результат такого мероприятия зависит от отношения сопротивлений всех составляющих этой цепи, но укус тока лёгким уже никак не назовёшь. Возможны смертельные исходы.

После разделительного трансформатора должен стоять хотя бы предохранитель, либо автомат защиты, но только не дифференциальный. Потому что самый опасный вариант замыкания может произойти между двумя точками обмотки без участия заземления.

Потенциал высоты

С ростом высоты над уровнем грунта потенциал атмосферы увеличивается. Уже на уровне макушки человека он составляет приличное значение. Но нас не бьёт током потому, что поверхность кожи, одежда также проводят электрический заряд. В результате у любого стоящего на земле показатель выравнивается с почвой, а огибающие поля приподнимаются. Фактически мы представляем собой бугорок.

Другое дело, когда на стальной высокой мачте стоит антенна. Дело здесь даже не в самой антенне, а тех огнях, которые предназначены дать пилоту авиалайнер понять, что впереди препятствие. Металлические части, арматура светильников сами действуют в качестве приёмной антенны. И высотный потенциал вместе с радиосигналом начинают уходить в цепь питания. Понятно, что такие помехи внизу никому не нужны, это полностью негативный эффект.

Чтобы избежать этого, применяют разделительный трансформатор с коэффициентом передачи равным единице. Нет разницы, где ставить прибор, потому что он всегда изолирован от грунта. Максимум, что может произойти – стекание статического заряда по изоляции. Но этот процесс постепенный и никому вреда не причиняет. Трансформатор отсекает:

  1. Постоянную составляющую, текущую по медной жиле провода питания. Эффект тот же самый, который даёт высотная антенна за счёт высотной разницы потенциалов. Многих, наверное, било током при неосторожной стыковке разъёма с видеомагнитофоном или телевизором.
  2. Переменные составляющие также плохо проходят через обмотку, потому что её параметры рассчитаны на частоты 50 Гц (собственная ёмкость трансформатора не блокируется экраном Фарадея, и образуется резонансный контур). Амплитуда этой части невелика, но может создавать помехи оборудованию, включённому в ту же сеть питания.

На мачте потенциал относительно почвы может составлять 300 кВ. Питать сигнальные огни напрямую нет никакой возможности. В целях защиты оборудования целенаправленно применяют разделительные трансформаторы Артура Остина. Будущий изобретатель какое-то время работал инспектором по изоляции коммуникаций в Pacific Gas & Electric Co и хорошо изучил вопрос. Так, что после даже организовал свою собственную компанию.

Читайте также:  Нагревательный кабель

Импульсные цепи

Разделительные трансформаторы в этом случае являются термином нарицательным. В цифровой технике применяются для развязки цепей и нормализации уровней сигнала (0 и 1). Если постоянная составляющая начинает уплывать, то использование трансформатора является самым простым способом вернуть логические уровни на место. При этом одна из точек вторичной обмотки непременно заводится на нейтраль вторичной цепи. А соединяется ли она с корпусом, зависит от реализации конкретной схемы.

Импульсный разделительный трансформатор идеален для инвертирования сигнала и смены логического уровня. Это достигается встречным включением катушек и изменением коэффициента передачи. В цифровой технике логический уровень измеряется лишь по напряжению, а величина тока в большинстве случаев не играет роли. Лишь бы хватило для переключения микросхем (минимальный порог указывается в технических характеристиках).

Импульсные трансформаторы имеют малые габариты в силу высоких частот используемых сигналов. Это могут быть гигагерцы, в которых измеряется тактовая частота процессора. В результате заметить эту микросхему среди прочих можно только по маркировке. Например, счетверённый трансформатор (muRata) 1600 С имеет длину корпуса порядка 2 см.

Одновременно обеспечиваются потрясающие разделительные качества. Сопротивление изоляции напряжению 500 В постоянного тока составляет 10 ГОм (почти как в высоковольтных цепях), а включать изделие можно как в прямом, так и обратном направлении. Вторичная и первичная обмотки идентичны. Это важно при преобразовании уровней: разделительный трансформатор может работать как на повышение, так и понижение напряжения.

В спецификации указываются собственные ёмкости изделий, что прямо указывает на отсутствие экранов Фарадея. За ненадобностью исключение этого громоздкого элемента помогает экономить место.

Тестирование электрического оборудования

Часто новые изделия могут быть не до конца продуманными в конструктивном плане. Это вызывает появление высокого напряжения там, где оно быть не должно. И если заземлить источник питания в одной точке, то наверняка произойдёт несчастный случай при прикосновении. Разделительный же трансформатор, ни одна из точек вторичной обмотки которого не соединена с грунтом, является надёжной защитой по соображениям, изложенным выше.

При тестировании происходит всестороннее изучение объекта, и дефект наверняка будет замечен, а опасность – устранена внесением поправки в электрические схемы или технологический процесс.

Ранее присутствовали схемы, где несущее алюминиевое или даже стальное шасси могло служить нулевым проводником. Это касается электронных ламп. В таком случае на модуле обязательно присутствовал высокий потенциал, и это совершенно нормальный режим, потому что в составе оборудования корпус блока недоступен прикосновению человека. А значит, при тестировании разделительный трансформатор просто необходим. Экран Фарадея в этом случае не является обязательной частью.

Измерения

В силу своих особенностей аналоговые измерители чувствительны к питающему напряжению. Это касается оценки ёмкостных и омических сопротивлений, а также некоторых других параметров. Для повышения точности можно обеспечить развязку по постоянному току или даже высокочастотной составляющей. А в некоторых случаях нужно сдвинуть фазу опорного напряжения на 180 градусов. Проще всего это сделать при помощи разделительного трансформатора. Для этого первичная и вторичная обмотки включаются навстречу.

Отдельным отрядом идут измерительные трансформаторы для снятия значений параметров высоковольтных цепей. Но этот класс приборов разделительными обычно не называют в силу очевидных причин. Так например, трансформатор тока позволяет обнаружить короткое замыкание в цепи заземления NGR. Изделие это может настраиваться на резисторы под ток 5, 10 и 15 А, что соответствует примерно цепям 5 (6,6), 10 и 15 кВ. Переключатель позволяет гибко привести параметры трансформатора к нужному значению.