醫療產品變壓器檢測的常見問題

李妍達，趙旭，康文杰

北京市醫療器械檢驗所 （北京 101111）

醫療產品的變壓器是產品的關鍵部件，它不僅能升降次級工作電壓，還能起到隔離網電源的作用，直接影響醫療產品的安全性和可操作性。因此，變壓器相關試驗在醫療產品電氣安全檢測中是至關重要的一個環節[1]。

目前，醫療產品分為醫用電氣設備和測量、控制實驗室設備兩種。醫用電氣設備執行的國家標準是GB 9706.1-2007《醫用電氣設備 第1部分：安全通用要求》，需要查驗變壓器結構，完成短路試驗、過載試驗和電介質強度試驗。測量、控制實驗室設備執行的國家標準是GB 4793.1-2007《測量、控制和實驗室用電氣設備的安全要求》，根據上述的要求，測量、控制實驗室設備內部電源變壓器需要完成短路試驗、過載試驗和電介質強度試驗。

本研究以符合GB 9706.1-2007要求的變壓器為例，對試驗中常見問題進行分類分析，探討解決方案，以期為相關人員提供參考。

1 變壓器的選取對檢測的影響

在選取變壓器時，要綜合考慮產品性能參數、生產成本以及安規試驗對變壓器的要求。

1.1 變壓器額定功率

在確定變壓器額定值時，為節約空間、控制成本，企業一般會選擇額定值略高于工作值的變壓器，忽視變壓器短路和過載試驗對變壓器額定值的要求，影響到變壓器試驗結果。以某產品變壓器參數及保護裝置額定值為例，見表1。

表1 某產品變壓器參數及保護裝置額定值

變壓器在進行過載試驗時，加載的試驗電流為熔斷器額定電流值與系數的乘積。以表1中的參數為例，變壓器次級輸出額定電流值為3 A，正常工作電流為2 A，次級繞組使用3 A 熔斷器，過載電流就要調到熔斷器額定電流值的2.1倍，即6.3 A，相當于輸出電流額定值的2.1倍。將次級輸出電流調至6.3 A后，過載1 h，變壓器溫度升到173.1 ℃，根據標準的要求，修正到環境溫度為25 ℃時所對應的溫度值，為198.1 ℃，而變壓器絕緣材料等級為B，標準規定最高溫度為175 ℃，變壓器繞組超溫，過載試驗不合格。

因此，在選擇變壓器時，需要綜合考慮熔斷器額定值、工作電流和設備運行總功率等因素，保證變壓器容量留有余地，遵循“大馬拉小車”的原則，避免在滿功率的情況下使用變壓器，防止試驗時變壓器繞組溫度出現超過標準限值的情況。

1.2 變壓器類型及安裝方式

根據變壓器的繞組方式，可以分為自耦變壓器、雙繞組變壓器和三繞組變壓器。其中自耦變壓器的初級繞組和次級繞組為同一繞組，只能調節電壓，不能起到隔離網電源的作用，所以，在使用自耦變壓器時，需要在前端安裝隔離變壓器，起到隔離網電源的作用。雖然自耦變壓器損耗少、成本低，看似更具優勢，但是由于需要增加隔離變壓器，不僅占據空間，增大設備體積，同時也提高了生產和后期維護成本，因此，不建議使用自耦變壓器。

此外，即使設備在前端設置了隔離變壓器，也要特別關注變壓器接線方式，初級繞組和次級繞組的地線應該相互獨立，避免初級、次級繞組共地造成隔離失效的情況。

2 變壓器結構對檢測的影響

GB 9706.1-2007中對變壓器的結構有相關要求。變壓器出線時，初級、次級繞組引線不要在同一層上，并且初級、次級繞組間要隔離；同時，需要測量初級、次級繞組之間的電氣間隙和爬電距離，其測量值要符合GB 9706.1-2007標準中57.10和57.9.4的要求。電氣間隙和爬電距離達不到標準值時，一般可以采用增加隔板高度和絕緣紙有效絕緣長度的方法，完成整改。

如果變壓器的絕緣類型為加強絕緣或雙重絕緣，其初級、次級繞組之間的絕緣層總厚度至少為1 mm，或兩層絕緣的總厚度不低于0.3 mm。

最后，接地的無孔隙保護屏蔽銅要求厚度不低于0.13 mm。若保護接地屏蔽只有一匝，它必須有不小于3 mm 長的絕緣重疊。屏蔽的寬度必須至少等于初級繞組的軸向長度。環形變壓器內部繞組的導線引出線必須有兩層符合雙重絕緣要求的，總厚度至少為0.3 mm的套管，并伸出繞組外至少20 mm。

3 變壓器保護裝置對檢測的影響

3.1 熔斷器對檢測的影響

3.1.1 熔斷器額定值及位置

如果變壓器在初級安裝一個額定值較大的熔斷器，并且變壓器的次級繞組功率較小，那么進行該路次級繞組短路故障試驗時，會出現初級熔斷器不動作的情況，在持續短路的狀態下，引起變壓器超溫，造成試驗結果不符合標準要求。

因此，當存在變壓器次級功率較小的情況時，可采用在次級繞組設置熔斷器的方法，提高變壓器試驗的通過率。

3.1.2 熔斷器的相應預飛弧時間/電流特性

因開機或使用中設備會產生瞬間電流沖擊，為了不使熔斷器熔斷，大多數企業選用標稱額定電流值較大的熔斷器，但過載時，過載試驗電流是按照熔斷器額定電流值的相應倍數加載，過高的電流值將導致變壓器過熱，超過溫度限值。這時可以選用具有抗浪涌、慢熔等特性的熔斷器作為網電源變壓器的保護裝置。

3.1.3 熔斷器熔量

如果變壓器短路電流大于35 A 或者大于10倍輸入電流，使用低熔量的熔斷器會增大熔斷器爆炸等安全風險，因此，優先選用高熔量的熔斷器。

3.2 用熱斷路器做保護裝置

熱斷路器是網電源變壓器的常見保護裝置。當設備過載或者短路的時候，產生的熱量使變壓器升溫，溫度達到熱斷路器的動作額定值時，熱斷路器會斷開電路，起到斷電保護、防止超溫的作用。在使用熱斷路器時，要特別注意其額定值和埋放位置對試驗結果的影響。

當選用的熱斷路器動作溫度過高時，變壓器故障試驗不合格的概率將增大。如A 級材料的變壓器，允許變壓器最高溫度為150 ℃，使用的熱斷路器動作溫度為135 ℃，如果熱斷路器埋的位置太淺，變壓器內部溫度很高，已超過允許的溫度限值，但其表面散熱較塊，其溫度還不至于使熱斷路器動作。因此，選用的熱斷路器動作溫度要合理，并且盡量將其埋在變壓器最高溫度點處。

3.3 多種保護裝置的聯合應用

具有多個次級輸出的變壓器，如果某路輸出功率較小，在做此路試驗時，即使次級已經短路了，雖然局部溫度很高，已超過溫度限值，但由于熱傳導因素的影響，熱斷路器所處位置的溫度未達到熱斷路器動作溫度，熱斷路器不動作時就需要在此路上加熔斷器，而不能只靠初級的熱斷路器保護。

總之，保護裝置選用的原則為既要保證設備的正常工作，同時又要避免額定電流值偏大，達到有效保護的目的，可以同時運用多重保護形式，降低保護失效的風險。

3.4 無保護裝置的變壓器

網電源變壓器的次級無保護裝置，特別是當初級保護裝置取值偏大的時候，短路過載故障試驗中，初級保護裝置不動作，唯有變壓器依靠自身達到熱穩態的狀態才能通過試驗。因此，如果變壓器次級沒有保護裝置，最好選用固有耐短路變壓器。

4 變壓器絕緣強度對檢測的影響

4.1 變壓器初級、次級繞組、屏蔽、鐵芯之間的絕緣強度

網電源變壓器的初級、次級繞組、屏蔽及鐵芯之間，要按照GB 9706.1-2007中的規定進行以下電介質強度試驗：（1）對于雙重絕緣或加強絕緣的變壓器，即屏蔽銅不接地時，初級、次級繞組之間應滿足試驗電壓為4 000 V（基準電壓220 V）的絕緣要求；（2）初級繞組對屏蔽及鐵心應滿足試驗電壓為1 500 V（基準電壓220 V、基本絕緣）的絕緣要求；（3）次級繞組對屏蔽及鐵心應滿足試驗電壓為2 500 V（基準電壓220 V、輔助絕緣）的絕緣要求。

4.2 變壓器匝間、層間的絕緣強度

網電源變壓器初級繞組和次級繞組的匝間和層間還需在潮濕預處理后做下列試驗（歷時1 min）；試驗時，絕緣的任何部分不得發生閃絡和擊穿，試驗后不得有可覺察到的變壓器損壞現象。

（1）沒有任一繞組額定電壓超過500 V 的變壓器，用其繞組額定值電壓的5倍或其繞組額定電壓范圍上限值的5倍，而頻率不低于額定頻率5倍的電壓加在繞組的兩端；（2）有任一繞組額定電壓超過500 V 的變壓器，用其繞組額定值電壓的2倍或其繞組額定電壓范圍上限值的2倍，而頻率不低于額定頻率2倍的電壓加在繞組的兩端。在上述兩種情況下，如果該繞組的額定電壓被認為是基準電壓U 時，變壓器任何繞組的匝間和層間絕緣的電應力必須使得有最高額定電壓的繞組上出現的電壓，不超過GB 9706.1-2007中20.3條表5中對基本絕緣規定的電應力，為此，初級繞組上的試驗電壓必須相應減低。試驗頻率可采用讓鐵心中產生約為正常使用時所有的磁感應值的頻率。

4.3 變壓器絕緣層間的絕緣強度

當加強絕緣或雙重絕緣的網電源變壓器有三層絕緣，并且初級繞組和次級繞組之間的絕緣層總厚度小于1 mm 時，每兩層絕緣組合需要滿足加強絕緣的電介質強度試驗。

5 小結

電氣產品中的變壓器扮演著極其重要的角色，各類電氣安規中都對變壓器有詳細的規定和要求[2]。隨著我國醫療電氣產品行業的不斷發展，對產品內部變壓器的認識水平也要相應提高，希望相關人員能不斷吸取前期的檢測工作經驗，不斷提高變壓器設計的科學性和合理性，為我國醫療電氣產品行業發展起到積極的推動作用。