使用正确的语言确保安全！
作者：Coilcraft高级技术员Len Crane
新的电力电子技术的发展使电能的危害比以往任何时候都更接近用户。目前正在开发的应用包括配备400V或800V电池的电动汽车、配备+/-400V机架的数据中心以及额定电压为650V或更高的更快开关设备。这些创新推动了危险电压在新的应用领域和环境中的使用增加。
你可能会问变压器设计师是否已经知道如何根据IEC和UL标准要求进行设计，答案当然是肯定的。然而，在太多重要的设计对话中似乎经常缺少重要信息，因为设计隔离变压器以正确满足IEC、UL等发布的安全标准需要详细了解变压器在应用中的使用方式以及各种预期的环境条件。
如果没有客户/应用设计师的良好和完整的沟通，变压器设计师将无法获得这些信息，为了进行最佳沟通，他们必须说安全标准的共同语言。过度设计变压器以满足安全要求会带来设计比实际需要更大、更昂贵、性能更低的风险。更糟糕的是，对绝缘要求的设计不足会造成电子设备对用户构成真正危险的可能性。
许多设计师熟悉爬电距离和间隙距离，但满足这些要求必须考虑许多因素。这并不难，但可能会让不熟悉的人感到困惑，在安全方面，不应该有犯错的空间。本文旨在阐明所有设计师需要考虑的重要概念。

安全标准
本文根据已发布的国际安全标准提供安全绝缘的一般概念教育。它并不打算根据任何特定的已发布标准提供确切的要求。始终与您的安全专家或直接与适当的安全机构确认您的设计。
本文引用了安全标准，如IEC 61558-1第3.0版“版权所有©2018 IEC瑞士日内瓦。www.IEC.ch”变压器、电抗器、电源装置及其组合的安全和IEC 62368-1第3版“版权©2018 EC瑞士日内瓦。www.c.ch”音频/视频、信息和通信技术设备。
 
爬电和间隙
爬电和间隙是一些最常用的术语，因此是一个很好的起点。作为一家变压器公司，我们可能会听到“我的变压器必须有10毫米的爬电距离”。这很可能是真的，但仅凭这一说法对设计师来说是非常不完整的。爬电距离要求始终取决于所使用的绝缘材料，因此，除非爬电要求与确切的变压器制造信息一起传达，否则在安全标准要求的背景下，它实际上没有实际意义。为了理解，我们从这些术语的真正含义开始。
如图1所示，间隙距离是两根导线之间的最短直线距离。这是一个非常简单的概念，但任何给定应用所需的间隙间距不仅取决于要隔离的电压差，还必须考虑导体之间的空气以及特定应用中的空气是否可能包含大量污垢/灰尘或湿度。 


图1：间隙是空间中导体之间的视距

爬电距离解决了待隔离导体不在空间中，而是具有共同绝缘表面的情况，这当然是变压器内部或pcb表面上的典型情况。图2（a）显示了连接到绿色绝缘表面的两根导体，该表面可以代表pcb或变压器线轴。爬电距离是沿着绿色绝缘表面测量的。
在这种简单的情况下，间隙=爬电距离。然而，这并不总是正确的，因为它们代表了相似但不同的量。例如，图2（b）和（c）显示了导体与绝缘表面不成直角时的差异。图2（b）显示了相互成角度的导体。这使得沿表面的爬电间距保持不变，但随着“空中”端部越来越近，其效果是减小了间隙间距。
在这种情况下，间隙<漏电。图2（c）有一个稍微令人惊讶的效果，与2（b）并不完全相反。爬电再次保持不变，但间隙没有增加，因此间隙=爬电再次。当爬电是沿表面的最短距离时，间隙是最短的视距，无论是否发生在表面上。
 

图2：间隙和爬电差异
 
设计最安全变压器的目标是实现尽可能小的变压器尺寸，同时在该小变压器尺寸内提供最大的有效爬电和间隙间距。图3显示，在变压器线圈架上添加详细的形状会增加爬电和间隙距离，而不一定会增加变压器的尺寸。
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图3：通过塑造绝缘层来增加间隙和爬电
 
绝缘穿透距离
为了创建绕组之间具有良好耦合的有效变压器，最好使这些绕组非常接近，并且在大多数情况下与其他绕组直接接触。为了保持绕组之间的电压隔离，最常见的是在绕组之间放置薄绝缘带。此类绝缘带层的要求在安全标准中定义为“绝缘距离”。图4显示了这种绝缘方式的一个常见挑战。胶带绝缘可以完美地适用于绕组之间，但挑战在于绕组的末端，在那里，一个绕组的端匝与另一个绕组端匝之间几乎没有爬电或间隙。为了在绕组之间提供间隙和爬电，必须找到某种方法将绝缘层延伸到绕组末端之外。如果不巧妙地做到这一点，可能会浪费空间，导致变压器效率降低。 


图4：变压器绕组之间的间隙和爬电

是什么决定了特定设计需要多少间隙和爬电？
现在我们来谈谈这个重要的问题，以及为什么在任何需要隔离变压器的项目开始时讨论它如此重要。如上所述的间隙和漏电被视为相对简单的概念，但确定任何项目的间距都需要良好的沟通。需要考虑许多因素，所有这些因素都在安全标准中定义。在确定所需的间隙和爬电间距时，必须在相应的标准表中查找。
绝缘等级
这可能是最令人困惑的考虑因素之一，因为答案在于应用。确定所需的绝缘等级取决于变压器连接的电路类型。一般来说，最重要的是保护用户免受危险电压的接触，因此当然，危险电压和用户可触摸电路之间通常需要最高等级的绝缘。与两个初级侧绕组之间或两个次级侧绕组之间相比，初级和次级变压器绕组之间通常需要更高水平的绝缘。
功能绝缘是最低级别的，通常不需要特定的爬电和间隙间距，而只需要电路运行所需的任何绝缘。需要间隔的第一级保护绝缘被恰当地称为基本绝缘。顾名思义，它是一种单层绝缘，提供了对带电电路的基本保护。当需要更多的绝缘时，会添加一个称为补充绝缘的单独保护级别。基本和补充一起构成双重绝缘。 
由基本和补充组成的双重绝缘可以（而且最常见的是）被称为加强的单一等效绝缘水平所取代。图5总结了这种关系，其中基本和强化是最常用的。


图5：绝缘等级

工作电压
工作电压是指设备在正常工作条件下以额定电压供电时，任何特定绝缘层上的电压。重要的是要记住，工作电压不包括浪涌电压等意外事件，而是正常运行期间绝缘层上预期的最高电压应力。
过压范围
为了正确设计和评估变压器，必须确定在应用寿命期间可能预期的过电压类型。当然，这在很大程度上取决于电源电压，无论是电池连接还是并网，如果并网，它将在电网的哪个位置连接。指定了过电压分类，从1级到最受保护且预期无过电压，例如具有特殊保护装置或电路以减轻潜在过电压发生的建筑物或安全柜。标尺另一端的4级是直接安装在电网发电端附近的设备，因此受到最大的过电压变化。
污染程度
污染程度将应用空气环境分为三类。污染等级1适用于没有空气/灰尘/湿度污染预期的环境，例如在密封良好的盒子里，而污染等级3代表预期导电污染水平最高的环境。
海拔
海拔高度特别影响所需的净空距离。在高海拔地区，电子在碰撞前有更长的自由移动路径，因此电火花更容易流动。由于间隙间距旨在防止故障和电流通过空气，因此标准要求在海拔2000米以上的任何预期用途中增加间隙间距。
保温材料组
由于爬电距离旨在消除表面上的击穿或电流，因此需要针对不同的表面材料调整所需的爬电距离。绝缘材料由制造商使用比较跟踪指数（CTI）进行评级，并分配到绝缘组1、2或3，其中组1材料具有最高的CTI，因此允许最小的爬电距离。


图6：绝缘要求和变压器细节总结
 
总结
设计变压器需要将变压器结构细节与适当的应用要求相匹配（图6）。读者会注意到，这篇文章没有提到具体的爬电/许可号，也没有显示具体的安全标准表。这在很大程度上仍然是变压器设计师的任务。然而，提供高效和安全的设计需要所有利益相关者传达正确的应用要求，而讲安全语言是第一步。 
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