Когда электрик по обслуживанию в больнице Сингапура подключил портативный дефибриллятор к обычной розетке для проведения теста после ремонта, техник не полагался на автоматический выключатель, присутствующий в здании, для защиты от электрического удара, вызванного внутренним замыканием в дефибрилляторе. Он полагался на изоляционный трансформатор — специально разработанное устройство, которое обеспечивало электрическую изоляцию между цепью ОР и основным источником питания в здании, обеспечивало плавающую вторичную цепь без соединения с землей и было оснащено монитором изоляции линии (LIM), который непрерывно контролировал цепь и выдавал сигнал тревоги в случае, если импеданс к земле опускался ниже безопасного значения. Единичный сбой в распределительном щите не вызывал срабатывания автоматического выключателя; в изолированной системе он не генерирует высокий ток короткого замыкания — единственное, что происходит, это соединение одной точки плавающей системы с землей; функционирование остальной части системы продолжается без помех. Роль LIM заключается в том, чтобы обнаружить это состояние и предупредить персонал, чтобы завершить процедуру без резкой потери питания в процессе операции. Это основной принцип работы изоляционных трансформаторов — дело не только в повышении или понижении напряжения. Изоляционный трансформатор обеспечивает электрически изолированную цепь, в которой возникновение единственного сбоя не причиняет вреда никому и не вызывает прерывания работы оборудования. Знания о необходимости использования изоляционных трансформаторов и их принципах работы, а также спецификациях и установке этих устройств должны быть у любого электротехника, управляющего объектами или подрядчика, работающего в медицинской или промышленной сфере.
Изоляционный трансформатор можно описать как трансформатор с соотношением витков 1:1 (или любое соотношение, при котором напряжения между первичной и вторичной сторонами различны), который обеспечивает гальваническую изоляцию первичных и вторичных обмоток. Вторая обмотка электрически изолирована от первой (замкнутой цепи нет) и обычно находится в плавающем состоянии (не заземлена) или подключена к земле через высокое сопротивление. Это позволяет выполнять две основные функции безопасности. Во-первых, это обеспечивает безопасность персонала от электрического удара: стоя на заземленной поверхности, человек, касающийся одного из проводов изолированной плавающей вторичной обмотки, не ощущает электрического удара, потому что замкнутой цепи через землю обратно к источнику напряжения нет. Электрический удар возникает только тогда, когда человек касается обоих проводников одновременно или когда происходит второй замыкание на землю на другом проводнике. Во-вторых, это защищает оборудование от токов замыкания на землю. В изолированной системе только одно замыкание на землю не вызывает слишком высокого токового замыкания, и цепь не срабатывает. Ключевые требования к проектированию и установке изоляционного трансформатора — это диэлектрическая прочность обеих обмоток (которая должна выдерживать как минимум рабочее напряжение плюс некоторый запас; например, 1500 В для системы 120 В), электростатический экран, предотвращающий возможное емкостное соединение первичной и вторичной сторон, заземление корпуса и сердечника (с требованием, что сердечник должен быть подключен к заземляющему проводнику на стороне питания) и использование монитора изоляции линии (LIM) на вторичной стороне трансформатора. Согласно NEC 517, изолированные источники электрической энергии (которые состоят из трансформаторов, LIM и незаземленных вторичных проводников) должны использоваться в операционных и зонах, где проводятся влажные процедуры в медицинских учреждениях. Эта концепция также может быть применена в системах управления и лабораториях.
Как работает изоляционный трансформатор — и чем он отличается от стандартного трансформатора
Трансформатор изолирует свои два обмотки тем, что между двумя цепями нет прямого соединения, и передача энергии происходит через магнитное поле сердечника. Но обычный трансформатор сделан так, чтобы обеспечить заземление вторичной обмотки. Основная причина заземления заключается в том, чтобы обеспечить путь с низким сопротивлением для токов короткого замыкания, так что любое заземляющее замыкание приведет к большому току, который немедленно отключит устройство защиты от перегрузки. Этот метод эффективен и безопасен во многих случаях, но у него есть один недостаток. Когда человек касается под напряжением цепи, находясь на заземленном объекте, он становится частью цепи короткого замыкания, и даже если ток очень низкий, это все равно может стоить ему жизни. Однако изоляционный трансформатор работает иначе. Обеспечивая плавающую вторичную обмотку, которая не соединена с землей и подключена через высокое сопротивление, не существует пути с низким сопротивлением между проводниками вторичной обмотки и землей. Таким образом, даже если человек касается одного из проводников, находясь на заземленной поверхности, он не разрывает цепь, потому что вторичная обмотка не имеет заземления. Опасный ток может пройти через человека только в том случае, если этот человек одновременно контактирует с обоими проводниками вторичной обмотки или если второе заземляющее замыкание происходит на втором проводнике, в то время как первое замыкание все еще существует. Этот принцип (который указывает на то, что одно заземляющее замыкание не может вызвать удар током и, следовательно, не приводит к отключению цепи) является причиной, по которой изоляционные трансформаторы используются в местах, где внезапная остановка электроснабжения может привести к несчастному случаю, и где удары током от заземления могут происходить из-за воды, проводящих жидкостей или присутствия пациентов, которые не могут покинуть это место.
Физические различия между обычным трансформатором и изоляционным трансформатором не велики, но они все же могут быть значительными. Изоляционный трансформатор обычно содержит электростатический экран, который представляет собой заземленную проводящую фольгу (экран), размещенную между первичными и вторичными обмотками и предотвращающую емкостное соединение обмоток. Электростатический экран подключен к заземляющему проводнику со стороны питания, что позволяет отводить емкостный ток на землю до того, как он достигнет вторичной цепи. Изоляционная система трансформатора должна иметь возможность выдерживать полное напряжение между первичной и вторичной катушками, плюс некоторый коэффициент безопасности (на практике требуется выдерживать 1,500 В переменного тока или более для системы 120 В и 2,500 В переменного тока или более для системы 240 В). Для просмотра полного ассортимента изоляционных трансформаторов и специализированных трансформаторов, доступных для различных приложений, смотрите каталог продукции на Субиан Электрик.
Где требуются изоляционные трансформаторы — и где они рекомендуются
Таблица ниже суммирует наиболее распространенные применения для изоляционных трансформаторов, конкретные требования к безопасности или эксплуатации, которые решает трансформатор, и применимый стандарт или код, регулирующий установку.
| Применение | Что предоставляет изолирующий трансформатор | Применимый стандарт или код |
|---|---|---|
| Операционные комнаты больниц и места проведения влажных процедур | Изолированная, не заземленная электрическая система, которая предотвращает возникновение удара или прерывание питания из-за одиночного заземляющего короткого замыкания. Монитор изоляции линии (LIM) постоянно проверяет импеданс к земле и подает сигнал тревоги при возникновении первого короткого замыкания. Система позволяет безопасно продолжать хирургическую процедуру, пока неисправное оборудование идентифицируется и удаляется. | Статья NEC 517 (Учреждения здравоохранения), NFPA 99 (Кодекс учреждений здравоохранения). NEC требует изолированные электрические системы в операционных и других местах проведения влажных процедур, если только учреждение не спроектировано в соответствии с положениями “существенной электрической системы”, которые допускают альтернативный подход. |
| Промышленные панели управления и машины | Гальваническая изоляция управляющего цепи от силовой цепи, которая защищает ПЛК, датчики и интерфейс оператора от скачков напряжения, шумов заземляющего контура и заземляющих коротких замыканий на силовой стороне. Изолирующий трансформатор также позволяет заземлять управляющий цепь или оставлять его плавающим независимо от силовой системы. | Статья NEC 409 (Промышленные панели управления), NFPA 79 (Электрический стандарт для промышленного оборудования). UL 508A является стандартом для конструкции промышленных панелей управления и требует, чтобы управляющие трансформаторы обеспечивали изоляцию между силовыми и управляющими цепями. |
| Лабораторные испытательные стенды и исследовательское оборудование | Изолированное, плавающее питание, которое защищает чувствительные инструменты от электрического шума и заземляющих контуров, а также защищает персонал от удара при работе с открытыми, под напряжением проводниками во время испытаний и разработки. Изолирующий трансформатор позволяет экспериментатору подключать заземленный щуп осциллографа к плавающей цепи без создания заземляющего короткого замыкания. | Нет единого обязательного стандарта, применимого ко всем лабораториям, но принципы NFPA 70E (Электрическая безопасность на рабочем месте) и соответствующие стандарты IEC для лабораторного оборудования применимы. Многие университеты и исследовательские учреждения требуют изолирующие трансформаторы для всех источников питания испытательных стендов. |
| Морские и оффшорные электрические системы | Изоляция от системы заземления берегового питания, которая предотвращает гальваническую коррозию корпуса судна и подводных металлов из-за берегового заземляющего тока. Изолирующий трансформатор разрывает металлическую связь между заземляющим проводником береговой стороны и системой заземления судна, при этом обеспечивая заземленную вторичную обмотку для электрической системы судна через собственную заземляющую ссылку судна. | Стандарт E-11 Американского совета по лодкам и яхтам (ABYC) (AC и DC электрические системы на лодках), ISO 13297 (Малые суда — Электрические системы — Установки переменного тока). Морские изолирующие трансформаторы являются специфической категорией продуктов, разработанных для влажной, коррозионной и подверженной вибрации морской среды. |
| Аудио-, видео- и вещательное оборудование | Устранение гудения и шума от заземляющего контура путем изоляции источника питания оборудования от заземляющей системы здания. Изоляционный трансформатор разрывает заземляющий контур, который в противном случае позволил бы току 60 Гц проходить через экраны аудио- или видеокабелей, что привело бы к появлению гудения в сигнале. | Нет обязательного электрического кодекса, требующего изоляционные трансформаторы для аудиооборудования, но они являются стандартной практикой в профессиональных студиях звукозаписи, вещательных учреждениях и системах живого звука. Общество аудиоинженеров (AES) публикует рекомендуемые практики для заземления и интерфейса, которые ссылаются на изоляционные трансформаторы. |
Как правильно указать и установить изоляционный трансформатор
Правильная спецификация и установка изоляционных трансформаторов требуют соответствия электрических свойств изоляционного трансформатора нагрузке и соответствующей схеме защиты, а также соблюдения соответствующих требований к заземлению и соединению. Среди ключевых спецификаций — номинальная мощность в кВА (которая должна учитывать подключенную нагрузку — правило непрерывной нагрузки 80% должно применяться для обеспечения достаточного теплового запаса и учета будущего увеличения нагрузки), первичное и вторичное напряжение (напряжение может быть одинаковым на первичной и вторичной сторонах — например, 120 В на входе, В на выходе, в случае чистой изоляции — или различным, если необходимо преобразовать напряжение), электростатический экран (особенно во время установки в приложениях, где электрический шум, скачки напряжения или общий ток на первичной стороне могут негативно повлиять на работу оборудования на вторичной стороне — экран должен быть подключен к заземлению источника питания и должен быть способен выдерживать испытательное напряжение между первичной и вторичной сторонами), а также тип корпуса и условия окружающей среды (изоляционный трансформатор в электрической комнате может быть установлен в открытом стиле, в то время как изоляционный трансформатор на заводе или в лаборатории или в среде требует корпуса с соответствующим рейтингом — NEMA 1 предназначен для сухих внутренних помещений, NEMA 3R — для наружного использования, NEMA 4X — для мытья, а NEMA 12 — для пылезащитных промышленных корпусов.
Требования к установке важны для безопасности и хорошего функционирования изолированной системы. Корпус и сердечник трансформатора должны быть в контакте с проводником заземления оборудования на стороне питания в соответствии с требованиями NEC для всех трансформаторов, включая изоляционные трансформаторы, чтобы устройство защиты от перегрузки на входе отключило неисправность, возникающую из-за короткого замыкания между первичной обмоткой и сердечником. Вторичная цепь должна быть подключена и организована как изолированная цепь, заземление должно быть выполнено только в случае, если это указано для конкретного применения (например, в морских приложениях, когда нейтраль вторичной обмотки необходимо заземлить к заземляющему шине судна). С другой стороны, монитор изоляции линии (LIM) для системы изолированного питания в здравоохранении должен быть установлен на вторичной стороне, подключен между вторичными проводниками и землей, и оснащен сигнализацией, срабатывающей при заданном пороге — практически 50 кΩ.
Часто задаваемые вопросы
В чем разница между изоляционным трансформатором и стандартным трансформатором?
Традиционный распределительный трансформатор создает вторичную цепь с заземленной нейтральной линией. В этом случае нейтраль находится в прямом контакте с землей, так что инцидент с заземляющим коротким замыканием приводит к большому току, который вызывает срабатывание устройства защиты от перегрузки. Отдельный тип трансформатора, называемый изоляционным трансформатором, обеспечивает незаземленную или плавающую линию, в то время как другие типы изоляционных трансформаторов создают заземленную линию с высоким сопротивлением (т.е. высоким импедансом). Таким образом, в случае неисправности высокий ток короткого замыкания не генерируется, и не происходит удара током или срабатывания цепи. Оба типа трансформаторов помогают обеспечить гальваническую изоляцию первичной цепи от вторичной.
Нужен ли мне монитор изоляции линии с изоляционным трансформатором?
Согласно NEC, когда изоляционный трансформатор используется в медицинском учреждении в рамках изолированной системы питания, требуется наличие монитора изоляции линии (LIM). Однако в случае промышленных, лабораторных и морских приложений это не всегда обязательно согласно кодексу, хотя установка его во всех ситуациях, где важно обеспечить бесперебойное питание во время однофазного заземляющего короткого замыкания, настоятельно рекомендуется.
Может ли изоляционный трансформатор также использоваться для преобразования напряжения?
Это верно. Изоляционный трансформатор может иметь любое отношение витков, независимо от того, повышает он или понижает напряжение, и при этом обеспечивает гальваническую изоляцию. Трансформатор с отношением витков 2:1 обеспечит изоляцию и понизит напряжение с 240 В до 120 В. Задачи изоляции и преобразования напряжения независимы друг от друга, и, таким образом, трансформатор может выполнять любую из этих задач или обе.
Что такое электростатический экран в изоляционном трансформаторе?
Электростатический экран состоит из проводящего заземленного экрана, обычно в виде медной фольги или сетки, который располагается между первичными и вторичными обмотками. Его цель — минимизировать емкостное соединение между обмотками, тем самым блокируя высокочастотные электрические помехи, скачки напряжения и общие токи, создаваемые на первичной стороне, от достижения вторичной стороны через емкость между обмотками. Экран подключен к заземляющему проводнику на стороне питания в соответствии с большинством стандартов изоляционных трансформаторов, применимых в медицинской, лабораторной и промышленной области управления.
Ссылки
- NFPA 70 (NEC) — Статья 517 (Медицинские учреждения) и Статья 250 (Заземление и соединение). Требования Национального электрического кодекса для изолированных энергетических систем в здравоохранении и требования к заземлению и соединению для трансформаторов и отдельно полученных систем.
- NFPA 99 — Кодекс медицинских учреждений. Всеобъемлющий стандарт для электрических систем, включая изолированные энергетические системы, в больницах и других медицинских учреждениях.
- UL 60601 — Стандарт безопасности медицинского электрического оборудования. Стандарт, который определяет требования к проектированию, испытаниям и производительности для изоляционных трансформаторов, используемых в медицинских приложениях, включая пределы диэлектрической прочности и утечки тока.
- ABYC E‑11 — AC и DC электрические системы на лодках. Стандарт Американского совета по лодкам и яхтам, который требует установки изоляционных трансформаторов или гальванических изоляторов на береговых соединениях для предотвращения гальванической коррозии и защиты персонала от удара током в морской среде.
Изоляционный трансформатор занимает исключительное положение в области электрической безопасности. В отличие от других продуктов, где автоматический выключатель срабатывает при возникновении замыкания на землю, трансформатор вообще не вызывает замыкания на землю. В случае обнаружения опасности устройство не останавливает свою работу автоматически, вместо этого оно подает сигнал тревоги и позволяет людям в помещении действовать на основе полученной информации. Кроме того, вместо того чтобы просто разделять две цепи, изоляционный трансформатор создает плавающий электрический остров с другими свойствами по сравнению с остальной частью здания. Из вышесказанного легко понять, почему для операционной, промышленной панели управления, лабораторного стола или корабля использование изоляционного трансформатора является не опцией, а обязательством в соответствии со стандартами безопасности. Поэтому компания Subian Electric производит изоляционные трансформаторы для медицинской, промышленной, лабораторной и судостроительной сфер.