Разделительный трансформатор

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

Назначение

В российской литературе мало внимания уделяется разделительным трансформаторам, составители Википедии скопировали выдержки из ПУЭ и ГОСТ Р 50571.11. Начнём с основных терминов:

• Под двойной изоляцией понимаются меры безопасности, когда наряду с защитой проводников корпус либо отсек выполняется из изоляционного материала, что исключает поражение током, к примеру, в случае ненамеренного попадания брызг. Ручной электроинструмент изготавливается в подобном исполнении.
• Усиленной изоляцией оборудуются приборы с металлическим корпусом либо рабочие токопроводящие части оказываются под током. К примеру, электродрель.
• Защитным экраном называется заземлённая обмотка (сеть, спираль и пр.), включённая между первичным и вторичным контуром. Иногда её называют щитом Фарадея, предназначение меры – устранить между цепями ёмкостную связь по переменному току.

Швартовка судов

Казалось бы, в задачу трансформатора входит передача переменного тока. Причём полезного. Обмотки сконструированы так, чтобы пропускать частоту 50 Гц. Ёмкостная связь способна нарушить правило, и во вторичную цепь отправятся помехи. Если уровень велик, происходящее способно замкнуть ток на землю и представлять угрозу жизни людей либо целостности оборудования. К примеру, швартовка судна и питание от земли идут преимущественно через трансформаторы с экраном Фарадея, чтобы предотвратить коррозию корпуса, вызванную электролитическими токами, идущими сквозь воду на дно.

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

Помимо прочего это вредоносное явление легко вызывает искру. Если обычный сухогруз подключается через разделительный трансформатор без экрана, танкеры и газовые хранилища подобным образом питать запрещается. Иначе нельзя заранее предсказать, где форма корпуса и повышенное напряжение создадут искру, приводящую 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. В указанном случае «заботятся» о корпусе судна и содержимом танков, предполагается, что рабочий персонал в курсе, как 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. 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 необходимость.

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

Человек и вода

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

Идея почерпнута из методик трёхфазных цепей с заземлённой нейтралью. Считается, что зануление корпуса – надёжная защита. В районе земли указанный 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. Заземление рассматривается в качестве дополнительной меры.

Аналогичным образом, будь одна точка вторичной обмотки заземлена, ток замкнулся бы через человека, водопровод и грунт на указанную точку. Результат мероприятия зависит от отношения сопротивлений множества составляющих цепи, но укус тока лёгким уже не назовёшь. Возможны смертельные исходы.

После разделительного трансформатора ставится предохранитель либо автомат защиты, исключая дифференциальный. Опаснейший 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 составляет приличное значение. Людей не бьёт током потому, что поверхность кожи, одежда проводят электрический заряд. В результате у стоящего на земле показатель выравнивается с почвой, а огибающие поля приподнимаются. Фактически мы представляем бугорок.

Иное дело, когда на стальной высокой мачте стоит антенна. Дело даже не в антенне, а огнях, предназначенных дать пилоту авиалайнера понять, что впереди препятствие. Металлические части, арматура светильников действуют в качестве приёмной антенны. И высотный потенциал вместе с радиосигналом начинают уходить в цепь питания. Понятно, что подобные помехи внизу не нужны, это негативный эффект.

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

1. Постоянную составляющую, текущую по медной жиле провода питания. Эффект схож с эффектом высотной антенны за счёт высотной разницы потенциалов. Случалось, людей било током при неосторожной стыковке разъёма с видеомагнитофоном или телевизором.
2. Переменные составляющие плохо проходят через обмотку, её параметры рассчитаны на частоты 50 Гц (собственная ёмкость трансформатора не блокируется экраном Фарадея, образуется резонансный контур). Амплитуда этой части невелика, но способна создавать помехи оборудованию, включённому в общую сеть питания.

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

Импульсные цепи

Разделительные трансформаторы в этом случае становятся термином нарицательным. В цифровой технике применяются для развязки цепей и нормализации уровней сигнала (0 и 1). Если постоянная составляющая начинает уплывать, использование трансформатора считается простым способом вернуть логические уровни на место. При этом одна точка 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 удаётся лишь по маркировке. К примеру, счетверённый трансформатор (muRata) 1600 С имеет длину корпуса 2 см.

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

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

Тестирование электрического оборудования

Часто новые изделия не до конца продуманными в конструктивном плане. Это вызывает появление высокого напряжения в неподобающих местах. Если заземлить источник питания в одной точке, произойдёт несчастный случай при прикосновении. Разделительный трансформатор, ни одна из точек вторичной обмотки которого не соединена с грунтом, становится надёжной защитой по соображениям, изложенным выше.

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

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

Измерения

В силу особенностей аналоговые измерители чувствительны к питающему напряжению. Это касается оценки ёмкостных и омических сопротивлений, ряда прочих параметров. Для повышения точности можно обеспечить развязку по постоянному току либо высокочастотной составляющей. В отдельных случаях нужно сдвинуть фазу опорного напряжения на 180 градусов. Проще это сделать при помощи разделительного трансформатора, когда первичная и вторичная обмотки включаются навстречу.

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