变压器在电源中的可靠性

首席菜鸟

引言

搞好产品的可靠性，同时能带动企业产品的质量，提高企业的产品信誉，为开辟企业的产品市场打好扎实的基础，为此对产品提高可靠性作为头等大事。必须要做好以下三个方面的工作：一是设计方面；二是工艺方面；三是检验手段。

1 设计方面

如何设计出适销对路的高质量的变压器，而且物美价廉，这是每一个设计者都在追求的目标。因此在对产品进行设计前，先到广大用户中去作市场调查，亲自倾听用户对产品使用后的反映并着手如何改进，使产品在设计中不断完善。在设计过程中，设计者在选定参数时必须以本厂的工艺水平为基础，如选取铁蕊迭片系数、损耗以及磁通密度等参数。同时在设计中应尽量选用可以控制的操作工艺来生产，不用或少用易受操作工人技术水平高低而影响产品质量的产品设计（尤其是线圈外径要有一定余量）。此外，在设计时还要考虑一些具体问题，如消除绝缘介质中的局部过高场强；消除任何结构中的局部过热现象；采用良好的绝缘结构；选用合适的绝缘材料和绝缘距离等等。

1.1选择符合安全性要求的材料

从一些资料可以看到，有国外标准，如美国UL1411标准则要求耐压3.5Kv 50Hz 1min；从日本田渊株式会社的产品样品上了解到IEC65标准要求电视机电源变压器耐压3 KV 50Hz 1min；而德国VDE标准则要求耐压4KV 50Hz 1min，另外关于产品阻燃问题UL1411中规定变压器进行15天异常工作试验，不得发生着火和击穿，而UL1410则规定变压器进行明火燃烧试验应在15秒内自熄，因此我们首先要采用标准化可靠性高的另部件和原材料。
变压器用料主要有三类：
（1）导电材料
（2）磁性材料
（3）绝缘材料
在选用上述材料时，应当考虑的安全性要求，安全性要求主要是防触电和防着火一般变压器选用的材料在耐压和阻燃方面均谨慎选择，其数据见表1所示，以上海双灯照明电器有限公司优质产品DB—34—463型电源变压器为例。

材料在使用中,主要部位必须采用耐压高,阻燃性能好的材料,例为骨架材料、线圈外包材料、浸材料以及焊片套管等，而非主要部位的地方可不必苛求。

1.2 防触电设计

产品在使用中发生触电事故是一种致命缺陷，是不允许的。因此，防触电设计是必要的，应周密考虑，做到“万无一失”，避免给人民带来损失。
1.2.1抗电强度
抗电强度是电源变压器的一个重要安全指标。IEC65和UL1411安全标准上分别规定初级对次级及铁心之间的抗电强度为3KV及3.5KV 50Hz 1min的要求设计的.在生产上,工艺规定成品检验以4KV50Hz 5s试验,合格品入库。
DB—34—463型电源变压器的抗电强度设计从下列2点考虑：
A．骨架结构设计
骨架采用王字形结构，初、次级绕组分为两段绕制。骨架壁厚在1.4mm以上,中间隔板厚为2.5mm。线圈绕好后应套上绝缘护罩，骨架采用PBT301G20塑料，根据该塑料特性，其抗电强度为19KV/mm，因此，1.4mm厚度可承受耐压约26.6KV,考虑到塑料注塑\绕线时所受压力以及在热态情况下耐压下降等,设计对耐压按50%计算,也能耐压13.3KV,从耐压3.5KV的要求来说,骨架的抗电强度是有足够余量的。
B．绝缘距离
为了达到3.5KV耐压的要求，除线圈骨架由绝缘性能良好的PBT301G20塑料来保证外，线圈外部引出头与铁心之间的耐压则要求有6.4mm以上的表面爬电距离,以防空间耐压击穿.所以本变压器在抗电强度设计上是经过全面考虑的。初级级间表面爬电距离为11mm（无凹槽引出时仅为5.5mm）。引出端与铁心之间的爬电距离达8mm,且整机装接时线与引出端焊接处还要加上套管,保证手不会摸到带电体。
本变压器由于采用王字形结构骨架，隔板上有凹槽增大爬电距离，又留有足够的绝缘距离，因此，在耐压及绝缘电阻方面有很大改善，现结构试验深知，本变压器的绝缘电阻大于500KMΩ，潮热后大于3.8KMΩ(要求大于30MΩ),耐压在常态下可达6000V1min, 潮热后在箱内试验能承受3.5KV 50Hz1min而无击穿和飞弧现象。 　

C．采用保护罩和安全盖
本变压器设计时除了耐压高、不漏电、不麻人的考虑外，还注意到保护人身不能及带电体，因此，把线圈绕好后，用保护罩套好，引出端焊在焊片内端，用安全盖盖上，人们就不会碰到焊片焊头了。而焊片伸出的上端供用户焊线，焊接之后也应套上绝缘管，这样，整个变压器就处在绝缘之中，使用安全。初级线圈和限温熔断器相连接绕焊在中间一个焊片上，在出厂前应加有套管，只有当维修需要时才用此焊片，一般情况下是不准使用的。
由于妥善处理了抗电强度，绝缘距离及防触电措施这样电源变压器就能安全使用了。
此外，关于耐压试验时应有判定电流问题也说明一下。四机安全标准规定耐压为3KV50Hz 1min，而判定电流为10mA，经整机需要参考UL1411标准，确定耐压为3.5KV 50Hz1min,而判定电流在常态下定为1mA,潮湿试验后立即进行耐压试验时, 判定电流为5mA,这是比较适当的。此处所讲的判定电流是指漏电流，也就是释放电流，美国有人试验，男人的平均释放电流是16mA，女人的平均释放电流为10.5mA，试验时男人134个，女人28个当释放电流为10mA时，男人有99%是安全的，而有1%会中电死亡；女人则有60%是安全的，有40%会中电死亡。
电源变压器进行耐压试验，若判定电流定为1mA，按前面所说，男女均100%安全；若判定电流定为5mA，则仅有1%的女人会中电死亡。这种可能性是极其微小的。
1.2.2电涌试验
电涌试验是在1000PF电容器上充电到10KV然后将此电压加到电源变压器的初级和铁心及次级之间，等效于雷击时在电网上产生浪涌过电压但保持时间仅几微秒，本变压器所用的绝缘材料是可承受此冲击电压，而且采用的Qz-2型高强度漆包线，按GB/T6109.7—09本准，其耐压为3000V，浪涌过电压仅在初级线圈的端匝上最大，完全可达到要求。
1.2.3绝缘设计
根据电源变压器的绝缘电阻在常态下应大于5000MΩ，电涌标准规定试验后应大于2MΩ，湿热试验后应大于50MΩ，温升试验后热态电阻应大于50MΩ。
由于本变压器采用了良好的绝缘材料，如PBT塑料的体积电阻Rv≥5×1015Ω·cm，表面电阻Rs=1015Ω，因此，采用该塑料做骨架绝缘性能甚好，本变压器在常态下的绝缘电阻实则可达750KMΩ～5000KMΩ，远远超过了标准指标，而热态绝缘电阻实测为40KMΩ～300KMΩ，也远远大于50MΩ的要求，湿热试验后的绝缘电阻实测为3KMΩ～150KMΩ，也大于50MΩ的要求，试验表明采用PBT塑料注塑而成的王字形结构骨架具有很高绝缘电阻，能满足安全性的要求，与过去纸质底筒的绝缘电阻相比有很大提高，因为纸质吸潮性大而PBT塑料吸潮性很小，这是个很大的改进。


1.3 防着火设计


一个安全的变压器，不仅外来火苗燃烧到变压器时具有阻燃性能，而变压器自身若因过载或短路失效而引起着火时也应该有温度保险丝TF的保护装置和选用的材料，具有自熄性而防止着火，这就是要求安全性设计应考虑选用合适的阻燃材料和保护装置。
1.3.1 十五天异常工作试验
根据UL1411安全标准规定，电源变压器要经过15天的异常工作试验时，变压器次级应在过载或短路情况下进行负载电流的大小共分为A、B、C、D、E、F、G、H、I九级，在试验时只要其中一项能连续负载15天，且无着火和击穿，试验就判为合格。
本变压器的负载电流为1.2ADC,当换算到次级线圈时的电流按下式计算:
I2=1.1×IDC=1.1×1.2=1.32A
通过计算,在过载情况下,即按UL1411规定的条件,线圈的温度及温度保险丝TF熔断时间见表2所示。
表2
由于在设计时巳考虑至到在异常工作情况下线圈温度升高而不致引起线圈着火,所以在线圈外层紧贴着装一只温度保险丝,并串联在初级线圈上它的限制温度为144±5O℃,当达到此温度时,温度保险丝即自动切断初级电路,从而确保变压器的安全。 　

按D项过载25%时，线圈温度可达126℃，如果环境温度再有变化，就很有可能达到熔断温度，尚不甚安全，而在E项过载20%时，线圈温度还在110℃以下，维持15天异常工作试验有可能会通过。
另外，所用的漆包线、PBT塑料及外包簿膜等绝缘材料的耐温均在130℃以上，线圈内部也未发生过短路和击穿而损坏保险丝的故障发生，符合UL1411安全标准的15天异常工作试验的要求。
1.3.2 防着火
电源变压器在电视机内使用时，如遇到异常现象，不仅要求变压器自身能在异常状态下不自燃，而且若由于变压器附近的无器件或结构着火危害变压器时变压器也应具备阻燃能力。
根据UL1411《电视接收机和视频产品标准》规定，变压器在阻燃试验时，用明火燃烧变压器线圈的边缘部位，每施加火焰的时间为15秒钏，离火后应在10秒钟内自熄，共进行五个循环，均应符合要求，
本变压器在设计时考虑到上述要求，从而选用PBT阻燃塑料作为骨架材料，选用HB4507环氧型阻燃绝缘漆作为表面涂复材料，这些材料的阻燃性能良好，当变压器进行燃烧试验时，均能达到UL1410和电源变压器质量评比实施办法的要求。

首席菜鸟

2 工艺方面


对于设计好的变压器，各项性能指标均能满足要求，因此产品质量的好坏基本上取决于工人操作水平。所以在工人操作前必须做好生产前的技术准备，包括在施工前作好质量规划，对技术工人进行有关产品结构、性能的技术培训，提供给相关工人以明确的蓝图、操作说明等。同时在蓝图上设计人员必须标明“关键”处，使之在生产过程中引起有关人员的重视，工艺人员在编制工艺文件时也要相应注明。工人在产品制造过程中必须严格按工艺文件进行操作，严格遵守工艺纪律，做到文明生产，合理的制作工艺是与变压器可靠安全运行有着体戚与共的关系。除了常规制作工艺要求外还有下列几点要求：
2.1绕线工艺


2.1.1绕组的层间和匝间绝缘完全靠漆层的绝缘


在制作过程中，绝对不允许有损伤漆层，应考虑绕线机对漆包线的张力和磨擦因素。
2.1.2交*绝缘（组间绝缘）
在初级绕线的始末端必须要交*绝缘，常用涤纶胶带包二层～三层。
2.1.3温度保险丝的安放
温度保险丝必须放在初级绕组始端（里层）或末端（外层）上，DB—34—463型电源变压器用的温度保险丝是安放在初级绕组末端上，在温度保险丝上下各填二层聚酰亚胺薄膜，安装时应注意以下几点：
（1）焊点应在离温度保险丝（限温熔断器）主体部分15mm以外的引线上，且焊接牢固，本工艺采用鸡心型安装。

并在引出线上套上套管，这样保证了引线长度及安装的平整度。
（2）若用电烙铁焊接，电烙铁功率不能在于25W；若用槽焊（搪锡缸）槽温不得高于270℃；
（3）焊接时间不大于3秒钟；
（4）焊接后，为防止引线短路，应在引线上套上绝缘套管；
（5）不能猛力碰撞，引线应尽量少弯折，用力不要超过1N；
（6）引出线的张力消除，要求每根引线受到应力时，它不应输入到变压器内部，可以通过焊片，等方法或引线板作为固定方法。
（7）外层保护：一般外层用聚酯胶带或涤纶胶带外包2～3层，但对王字形骨架结构其外层往往在上下各增加一块绝缘层外包从线圈腰部往引出端包（如2层半胶带的长度在引出端处就能包到3层）这样保证了绝缘层的厚度。


2.2装配工艺


2.2.1插片：


装配第一道工序是插片，首先要保证硅钢片的质量，硅钢片在冲剪时必须严格按标准操作，尤其是毛刺大小及电性能必须控制在允许的范围内，对于剪下的矽钢片必须尽快组织迭装，若较长时间不用时，则必须进行除锈处理。经插片后的产品整形时不得用铁锤直接敲打在铁蕊上，应填上填块整形，整形时不能用力过猛，不应损伤骨架。 　


2.2.2总装配


在变压器装配时，线圈与铁蕊之间必须撑紧，变压器上各绝缘距离必须满足图纸要求。


3 在检查中提高产品质量


这里的检查指的是在生产过程中的检查，它包括“自检、互检、专检”。技术人员必须在生产前把产品质量标准、自检项目等提供给相关人员，同时配备一些必备的检测工具，在生产过程中给操作者以足够的自检时间。自检合格后，同班组各操作人之间进行互检，最后由检验部门专检。产品的各零部件必须经“三检”合格后方能流入下一道工序。技术人员对较为关键的部位进行重点监督和检查，及时处理在生产检查中发现的问题，并作相应记录，同时制订合理的检查方法和检验程序，因为无论何种产品，如果没有进行严格的科学的试验是无法检测其质量的。然而，如果试验方法和试验程序不合理，产品即使通过那些试验，也不足以保证产品质量。因此制订合理的试验方法和试验程序对于提高变压器质量有着十分重要的意义。
产品质量的好坏，是企业质量管理水平的综合反映，要使企的业产品质量上台阶，就要加强质量管理，要大力开展质量管理教育和培训工作。有条件的可由几个人组成质量控制点，开展活动。此外可定期 开展岗位练兵活动。这样使变压器的可靠程度不断提高。