隔离变压器的选型和应用

隔离变压器是变电站中不可缺少的设备之一，它主要的作用是将高压输电线路上的高电压、大电流通过降压后传递到低压配电系统中。隔离变压器是一种常见的电力设备，广泛应用于各种领域。隔离变压器可以将主电源与负载之间的电气连接隔离开来，从而实现电气安全、防雷防干扰等功能。

隔离变压器工作原理

隔离变压器在交流电源线（主电源）与用电设备之间提供电隔离。这意味着两个绕组之间没有直流路径。它们主要用于三个用途：

• 首先是将次级绕组与地面（接地）隔离

• 其次是提供线路（主）电压的升降操作

• 第三是减少从初级绕组传输到次级绕组的线路噪声，反之亦然

隔离变压器首先是变压器，它们具有变压器的共同特征（图1）。初级和次级绕组缠绕在一个共用的铁磁芯上。

       
图1：一款简单电源变压器的原理图，该变压器由共用铁磁芯上的一个NP匝初级绕组和一个NS匝次级绕组组成。

在图中，初级绕组绕铁磁芯NP匝，次级绕组绕NS匝。初级电压 (VP) 和次级电压 (VS) 之间的关系如公式1所示：

         
  公式 1

如果初级绕组的匝数多于次级绕组，则次级绕组上的电压将低于初级绕组上的电压。这是一个降压配置。如果初级绕组的匝数少于次级绕组，则次级绕组上的电压将高于初级绕组上的电压，从而导致升压配置。大多数隔离变压器的初级和次级绕组匝数相同，因此初级和次级电压也相同。

变压器中的能量是守恒的，因此，如果我们忽略损耗，则VP与初级电流 (IP) 的乘积将等于VS与次级电流 (IS) 的乘积。变压器的额定功率由初级绕组的RMS电压乘以RMS初级电流的乘积来确定。这是“视在功率”，度量单位为伏安或VA。

原理图上的点是定相点，表示初级和次级电流方向。如图所示，流入绕组初级点侧的电流会导致次级电流从绕组次级点侧流出。如果绕组要串联或并联放置，这一点很重要。不遵循绕组的定相可能会导致错误。

法拉第屏蔽是一种静电屏蔽，可减小初级绕组与次级绕组之间的电容，并且通常接地。该屏蔽可降低通过变压器的共模噪声和瞬变的幅度。

隔离变压器中的初级和次级绕组高度绝缘，以最大程度地减少彼此之间的直接电导。绝缘效果的衡量标准是漏电电流。大多数隔离变压器也使用高电势或耐压测试仪进行测试。当检查漏电电流时，这些仪器会在绝缘两端施加高电压。

隔离变压器的物理结构可以有多种形式，包括壳式结构（图2）。其中，初级绕组和次级绕组以同心方式包裹着绝缘层，法拉第屏蔽插入这两层之间。

       
图2：采用壳式结构的隔离变压器剖视图，其中初级绕组和次级绕组以同心方式包裹着绝缘层，法拉第屏蔽插入这两层之间。

法拉第屏蔽可以为箔层或密绕绕组，如图所示。接地通常位于初级侧，与大地相连。由于初级绕组和次级绕组已经使用了漆包线，因此这种结构称为“双绝缘”。

或者，绕组可以并排放置在磁芯上，这称为“多槽线架”结构，也可以绕在环形磁芯上。

商业隔离变压器

隔离变压器可采用开放式结构，也可封闭在屏蔽结构中（图3）。171E隔离变压器使用屏蔽壳体结构。端盖屏蔽罩包含变压器的磁场，还用于最大程度地减少变压器外部磁场的干扰。这款500VA的1:1变压器还包括引线、NEMA、三线接地输入和输出连接器，以及集成式过载断路器。

尽管接地线连接到次级输出连接器，但在大多数隔离变压器应用中不会使用该接地线。在额定输入电压下，该变压器初级和次级之间的漏电电流不到60微安 (µA)。

       
图3：端盖上装有屏蔽罩的隔离变压器示例。

下面是一款250VA隔离变压器，采用开放式结构，具有两组多抽头绕组。初级绕组和次级绕组各有两个（图4）。

       
图4是一款开放式隔离变压器，带有两组初级和次级抽头绕组。

初级和次级绕组的额定电压相同，分别为0、104、110和120伏。这样可允许在初级或次级绕组上进行串联或并联。因此，对于110或220伏输入，可以维持标称的1:1比例。而且，也可以配置从110伏到220伏的升压变压器，或从220伏到110伏的降压变压器。另外，多抽头绕组允许中间额定电压，例如208伏、214伏或230 伏（图5）。

该变压器的电源连接方式为螺纹端子。

       
图5：双绕组允许许多可能的接线配置，包括1:1、2:1、1:2电压比。

如果初级和次级绕组均为串联，则该变压器是220伏输入，1:1电压比。如果初级和次级绕组均为并联，则为110伏输入，1:1电压比，可用电流是单个绕组的两倍。如果初级绕组串联放置，而次级绕组为并联，则初级电压将降为二分之一。如果次级绕组为串联，而初级绕组为并联，则可实现2:1升压。