电气隔离,就是将电源与用电回路作电气上的隔离,即将用电的分支电路与整个电气系统隔离,使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统,以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。

1.电气隔离不同方式

1、变压器

变压器靠磁通量互相耦合,一次侧和二次侧的线圈之间没有导体使电流可以直接流过(自耦变压器的一次侧和二次侧是相连的,因此没有电气隔离的功能),依照工业标准,二个线圈之间的电压差可以高达数千伏特(隔离电压),而不会有绝缘破坏的情形。磁放大器也是依类似的原理运作。变压器一般会用来改变交流电压的大小,而匝数比1:1的隔离变压器则用在安全相关的应用上。

若二个电气系统有共同的地点,这二个电气系统之间就没有电气隔离。共同地点一般来说不会(也不应该)连接到机能性的端子上,不过常常会连接到端子上。因此隔离变压器不会提供GND/earth的端子。

2、光电耦合元件

光电耦合元件利用光(或是红外线)来传递资讯。传收端(光源)及接收端(光感测器)在电气上是不相连的,一般会放在一个透明、绝缘的塑胶基材中。

3、机械式

继电器是用较小电流来控制较大电流的开关,小电流部分的电路通路时会启动电磁铁,使大电流部分电路电导通或是断开,二部分的电路也是隔离的,一般而言继电器的输出端允许电流较光电耦合元件要大,但其反应时间比较慢。
接触器的原理和继电器类似,而大电流(某些型别可达800安培)部分一般会有多组接点,可以控制交流与直流主回路,一般会连接电器或是马达等大型设备。

4、电容器

电容器可以允许交流电通过,但是会阻隔直流电,因此可以在不同直流电压的电路中传递交流信号,不过若电压差过大,电容器也可能会失效,变成二端直接短路的情形。

5、霍尔效应

霍尔效应传感器透过电感器,将磁场变化的资讯传换为电压。光电耦合元件中的光源寿命是有限的,而霍尔效应传感器无此问题,霍尔效应传感器也不用像变压器一样要考虑直流电压平衡的问题。

6、磁致电阻

耦合器(Magnetocouplers)利用了巨磁阻效应(GMR)将交流讯号转换为直流讯号。

电气隔离不同方式

2.电气隔离的作用

电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰。例如,某个实际电路工作的环境较差,容易造成接地等故障。如果不采用电气隔离,直接与供电电源连接,一旦该电路出现接地现象,整个电网就可能受其影响而不能正常工作。采用电气隔离后,该电路接地时就不会影响整个电网的工作,同时还可通过绝缘监测装置检测该电路对地的绝缘状况,一旦该电路发生接地,可以及时发出警报,提醒管理人员及时维修或处理,避免保护装置跳闸停电的现象发生。

隔离变压器要根据电源和实际设备的电压等级选定,若实际设备与电源电压等级相同,可以采用变压比为1的变压器。但是必须注意,隔离变压器不能采用自耦变压器(因为自耦变压器的一、二次绕组之间本身就存在直接的电气联系,也就是说是不绝缘的,因此不能用来作为电气隔离用)。对于安全性能要求较高的场合,可以采用专门的隔离变压器。

电气隔离的作用

3.电气隔离应用

光电耦合元件常用来将控制电路和输电网络或是其他高电压电路隔离,原因可能是因为安全或是保护设备。例如功率半导体多半是用低压的电路来控制,并透过光电耦合元件来驱动功率半导体,因此低压电路可以和功率半导体的输出隔离。

变压器可以产生一组输出,其参考点相对于接地点的电压是浮动的,以避免可能出现的接地回路。功率级的隔离变压器可以提升设备的安全性,人员碰到设备后,不会有电流经由人体流到大地。例如电胡刀专用的插头需要隔离变压器,这様若电胡刀掉到水中的话,也不会有触电的情形。

电气隔离应用