醫用電氣設備網電源變壓器的檢測方法

耿燕，杜勝利，王月英（通信作者）

河北省藥品醫療器械檢驗研究院 （河北石家莊 050061）

醫用電氣設備的網電源變壓器將輸入端的電壓（一般為網電電壓）轉換為輸出電壓供醫用電氣設備的其他器件工作。目前，部分醫用電氣設備由于網電源變壓器的不合格導致產品無法正常使用，甚至存在安全風險。網電源變壓器作為醫用電氣設備非常關鍵的元器件，是醫用電氣設備電氣安全檢測中非常重要的項目，其是否合規直接關乎用械人的人身安全；此外，網電源變壓器的檢測流程復雜，部分檢測工程師或產品研發人員對檢測流程不熟悉，導致網電源變壓器檢測無法形成規程。本文以GB 9706.1-2007《醫用電氣設備 第1部分：安全通用要求》[1]為依據，對網電源變壓器主要檢測項目[過熱（短路、過載）、電介質強度、結構][2]的試驗要求、檢測方法進行了梳理和論述，并針對過熱項目不合格情況進行分析、提出整改意見，以期為醫用電氣設備檢測工程師及相關產品研發人員提供參考。

1 試驗前準備

（1）試驗儀器：帶電繞組溫升檢測儀（型號RDC2012）、交流電子負載（型號3250）、變壓器感應耐壓檢測機（型號AN96803）、數顯游標卡尺（型號0～150 mm）及交流變頻電源（型號6210）。（2）試驗環境：環境溫度25 ℃。（3）被測設備：需企業提供網電源變壓器的結構圖、電氣圖和電氣參數，其中電氣參數包括輸入端的電壓值、輸出端的電壓值、輸入端或輸出端的熔斷器的相關參數及輸出端各個次級的額定電流值，并需明確變壓器絕緣材料的等級（見表1）。（4）其他準備：依據變壓器的次級數量、過溫保護裝置是否能夠恢復來確定試驗次數，在試驗前將被測設備在環境實驗室放置1 h。

表1 環境溫度為25 ℃時網電源變壓器繞組過載和短路狀態下容許的最高溫度

2 試驗方法

2.1 過熱試驗

本檢測項目是當網電源變壓器的次級端項短路或次級端項過載，應能動作阻止其過熱。過熱檢測項目包括的試驗狀態分別是過載和短路，根據繞組絕緣的不同等級，在25 ℃環境溫度下其容許的最高溫度也不同（見表1）[1]。

網電源變壓器過熱試驗中溫升Δt（℃或K）由下式確定：

式中，Δt為試驗從開始到結束溫度升高的值，r2為試驗結束時線圈的阻值，r1為試驗剛進行時線圈的阻值，t0為試驗剛進行時的環境溫度，t1為試驗完成時的環境溫度，K表示銅繞組的溫度常數，為定值234.5。

因為被測設備在試驗前已經在環境實驗室中放置了1 h，所以我們認為實驗室的環境溫度與被測設備的線圈溫度相同。需要注意的是，為避免試驗進行中變壓器散發熱量干擾傳感器的溫度采集，應將溫度傳感器與被測設備保持較遠的距離（一般應>2 m）。

2.1.1 短路

將交流變頻電源（為被測設備供電）、帶電繞組溫升檢測儀（測量溫升）、被測設備按照圖1所示連接。在短路試驗中不用交流電子負載，交流變頻電源分別設置成輸出電壓為被測設備供電電壓的90%、110%，如設備初級供電電壓為220 V 時，交流變頻電源分別設置為198、242 V。帶電繞組溫升檢測儀按圖2所示連接，其電源輸入（ACINPUT）與交流變頻電源的電源輸出端相連，測量端（MEAS）用夾子線夾住樣機的輸入端口，注意在進入熱態電阻測量時先按面板上的熱態鍵即“hot”鍵，使設備處于熱態測量狀態，再將檢測電源即開關K 合上，也就是交流變頻電源的檢測電源輸出。帶電繞組溫升檢測儀檢測時，輪流短路每一個次級繞組，除初級繞組外的其他各繞組均按正常使用加載。試驗判定標準：在超出表1的最高溫度之前，次級繞組的保護裝置應動作或在熱穩態下，初級保護裝置未動作時應不超過表1給出的最高溫度。

圖1 檢測系統連接示意圖

圖2 帶電繞組溫升檢測儀與變壓器的連線示意圖

2.1.2 過載

網電源變壓器在規定的額定參數范圍內進行工作，將交流變頻電源、帶電繞組溫升檢測儀、被測設備、交流電子負載按照圖1所示連接。交流變頻電源分別設置成輸出電壓為被測設備供電電壓的90%、110%，如設備初級供電電壓為220 V 時，交流變頻電源輸出電壓分別設置為198、242 V。帶電繞組溫升檢測儀按圖2所示連接，其電源輸入（ACINPUT）與交流變頻電源的電源輸出端相連，測量端（MEAS）與被測變壓器的初級相連。注意在進入熱態電阻測量時先按熱態鍵即“hot”鍵，再將檢測電源即開關K 合上。通過交流電子負載與被測變壓器的次級相連，輪流對每一繞組或抽頭段進行過載試驗，去掉變壓器的熔斷裝置，通過交流電子負載的設置使該路徑的電流值符合表2[1]，其他繞組或抽頭段通過交流電子負載的其他模塊單元正常加載。試驗判定標準：被測設備工作達到熱穩態，其溫度不高于表1規定的限值，在表1的最高溫度被超出之前，保護裝置應動作或在熱穩態下，初級保護裝置未動作時應不超過表1給出的最高溫度。

表2 電源變壓器試驗電流

此外，對于部分變壓器的過熱防護措施設計在外側的情況應考慮其他部件不工作時其仍能起到防熱的作用。

2.2 電介質強度

網電源變壓器初級繞組和其他繞組、屏蔽及鐵芯之間的電氣絕緣，若在組裝的設備中已按GB 9706.1-2007中第20章規定進行過電介質強度試驗，則不應重復該試驗。

網電源變壓器初級和次級繞組的匝間和層間絕緣的電介質強度，應在潮濕預處理（見 GB 9706.1-2007中4.10）后，通過下列試驗：對于變壓器輸入端的額定電壓小于 500 V，耐壓試驗電壓要給到其電壓的5倍，對于變壓器的試驗頻率要給到其頻率的5倍，如對于供電電壓220 V、頻率50 Hz 的變壓器，試驗電壓應為1 100 V，試驗頻率應為250 Hz[3]。試驗判定標準：試驗時，任何絕緣部分不應發生閃絡或擊穿；試驗后，不應有可覺察到的變壓器損壞現象；當試驗電壓暫時降低到比基準電壓（U）高的較低值時，如果在變壓器的電介質強度試驗過程中出現了不明顯的放電又立即消失的現象，可判定為通過試驗[4-5]。

2.3 結構

2.3.1 級間隔離

對于初級繞組與對應用部分或未保護接地的可接觸金屬部分有導電連接的次級繞組之間的隔離，應通過下列方式來實現：繞在分開的繞線管筒或是繞在線圈架上；繞在同一個線管筒或線圈架上，線圈之間應該用無孔隙的絕緣層隔開；同心地繞在同一個繞線管筒或線圈架上，線圈之間應該用無孔隙的、厚度不低于0.13 mm 的保護銅來進行屏蔽；有些變壓器的結構是初級線圈和次級線圈是都纏在了一個繞芯，則對于這種結構初級線圈和次級線圈之間應該采取絕緣措施分離開，對此項目，需要將變壓器的線圈解剖開，來檢查驗證。

2.3.2 其他結構項目（1）端部線匝的固定要求為，應有防止端部線匝移動到繞組間絕緣之外的措施。（2）屏蔽層的絕緣：若保護接地屏蔽只有一匝，則其應有不小于3 mm 長的絕緣重疊，屏蔽的寬度應至少等于初級繞組的軸向長度。（3）初級和次級繞組之間的絕緣：初級和次級繞組之間絕緣應是總厚度至少為1 mm 的絕緣層或總厚度至少不低于0.3 mm 的兩層絕緣或三層絕緣，因此，必須通過耐高壓試驗來驗證每層之間的絕緣是否滿足以上要求。（4）爬電距離：用游標卡尺或鋼直尺測量樣品的輸入端和輸出端之間的爬電距離，其限值是GB 9706.1-2007中的57.10條款表16A-e 的要求，因大部分變壓器的表面為浸漆，所以爬電距離測量時可以認為浸漆的部分為1 mm 的長度。（5）環形鐵芯變壓器引線：環形鐵芯變壓器內部繞組的導線引出線，應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。

2.4 試驗中的典型問題

在上述試驗中，過熱項目是變壓器檢測不合格概率最高的項目，影響變壓器過熱檢測項目不合規格的一個重要因素是過熱保護裝置的安裝位置。在短路和過載狀態下，變壓器溫度會升高，當變壓器的溫度高于熱保護裝置的允許值時，熱保護裝置會動作，斷開電路，從而起到保護的作用，但是部分變壓器在進行短路和過載試驗時，其溫度超過表1 所規定的溫度限值后，熱保護裝置仍然沒有動作，即沒有斷開電路。造成以上現象的一個重要原因是熱保護裝置的安裝位置不合理。熱保護裝置安裝在變壓器繞組的外層會造成變壓器內部溫度已經超過熱保護裝置的額定溫度，但是熱保護裝置所在位置并未達到額定溫度，這就造成了熱保護裝置未動作致使變壓器溫度過高，過熱項目不合格的情況。因此，應合理考慮變壓器熱保護裝置的安裝位置，規范做法是應將保護裝置安裝在繞組的內層。

3 小結

醫用電氣設備網電源變壓器的檢測項目較多，檢測方法復雜，因此本文對醫用電氣設備網電源變壓器檢測項目試驗方法進行了詳細地論述，為醫用電氣設備，尤其是對具有網電源變壓器的醫用電氣設備的監管、檢測提供了有效的依據，提高了對網電源變壓器檢測試驗的效率。需要提出的是，醫用電氣設備安全通用要求的標準已被更新，目前雖尚未實施，但醫療器械檢測人員要時時關注對網電源變壓器的檢測要求和方法的變化，不斷提高專業能力，更好地服務行業。