محول أحادي الطور ذو قدرة عالية على تحمل الصدمات الكهربائية الناتجة عن البرق

1 مقدمة

لضمان التشغيل الآمن للسكك الحديدية وتقليل خطر الأضرار الناجمة عن الصواعق لنظم التحكم في الاتصالات السكك الحديدية، قام المؤلف ببحث وتصميم محول أحادي الطور متسلسل مع مستوى تحمل عالي للجهد النبضي، برقم الطراز D10 - 1.2 - 30/10. يتم تجهيز هذا المحول بمصعد زيت ويستخدم بنية مغلقة بالكامل (يمكن تصميمه كهيكل جاف حسب الحاجة الفعلية). هذه السلسلة من المحولات هي جهاز خاص لرسائل التحكم في السكك الحديدية ويمكن أيضًا استخدامها في سيناريوهات التوزيع الكهربائي الصغيرة للمشروعات الصناعية والزراعية، ولديها درجة معينة من الاستخدام المتعدد.

2 تحليل الصواعق وأخطارها
2.1 الخصائص الفيزيائية للصواعق

الصواعق هي أساساً موجة صدمة غير دورية. الجزء الأمامي من الموجة يرتفع بسرعة كبيرة ثم ينخفض ببطء. بسبب الانحدار الحاد الكبير لموجة الصاعقة، يمكن أن تسبب أضرارًا خطيرة جدًا للأجهزة الكهربائية.

2.2 تصنيف وأسباب الصواعق

تنقسم الصواعق بشكل أساسي إلى نوعين: الصواعق المباشرة والصواعق المستحثة. الصواعق المباشرة هي شكل من الصواعق التي تعمل مباشرة على الخطوط أو الأجهزة. رغم أن درجة الأذى التي تسببها كبيرة جدًا، فإن احتمالية حدوثها فعليًا منخفضة نسبيًا. ومع ذلك، فإن معظم حوادث الأضرار الناجمة عن الصواعق تحدث بسبب الصواعق المستحثة. تنقسم الصواعق المستحثة إلى صواعق مستحثة كهروستاتيكية وصواعق مستحثة كهرومغناطيسية: الصواعق المستحثة الكهروستاتيكية تنتج عن الجهد الزائد المستحث بواسطة المجال الكهربائي للغيوم الرعدية بين الخط الجوي والأرض. الصواعق المستحثة الكهرومغناطيسية تنتج عن الجهد الزائد الذي يظهر على الخط نتيجة تأثير الاستحثاء الكهرومغناطيسي عند تصريف الغيوم الرعدية القريبة من الخط. ومع ذلك، فإن تأثيرها أقل بكثير من تأثير الصواعق المستحثة الكهروستاتيكية.

2.3 أعراض الأضرار التي تسببها الصواعق للمحولات

خلال عملية التشغيل الفعلية، تحدث حوادث تضرر المحولات بسبب الصواعق من وقت لآخر. مثل هذه الحوادث لا تسبب فقط ضررًا للمحول نفسه، بل تسبب أيضًا ضررًا للمعدات الثانوية عبر تأثير الموجة الصادمة، مما يؤدي إلى تأثيرات أعطال أوسع نطاقًا.

2.4 آلية تضرر المحولات بسبب موجات الصواعق

يأتي تضرر المحولات بسبب موجات الصواعق بشكل أساسي من عاملين: الأول، قيمة الجهد النبضي مرتفعة جدًا، حيث تصل إلى ما يصل إلى 8-12 مرة من الجهد الطوري. ثانيًا، ستسبب موجة الصاعقة تركيزًا عاليًا للحقل الكهربائي، مما يؤدي إلى تلف أداء العزل للمحول. تحت تأثير الموجة الصادمة، قد يتعرض العزل الرئيسي للمحول للتلف. هذا لأن موجة الصاعقة لها تردد عالٍ وواجهة موجة حادة، مما يجعل تدرج الجهد في بداية ملفات التفتيش يصل إلى القيمة القصوى، مما يجعل العزل الطولي سهل التلف للغاية.

2.5 نقل الجهد لموجات الصواعق في ملفات المحولات

عندما تعمل موجة الصاعقة على ملف التفتيش الأساسي للمحول، سيزداد جهد الملف بسرعة، وهو ما يعادل تطبيق جهد عالٍ بتردد非常高频率的高压。在这种情况下，二次侧也会相应地产生过电压。由于一次侧和二次侧绕组之间存在静电容耦合和磁场耦合，尽管二次侧产生的过电压与变比有关，但并不是简单的变比关系。 在某些特定情况下，这种过电压可能会大大超过二次绕组及其所带电气设备的绝缘水平，最终导致连接到二次绕组的电气设备损坏。作用于二次绕组的过电压由静电分量和电磁分量组成。电磁分量可以通过公式me/n计算（其中n是变比，e是一次侧电压，m是耦合系数，近似值为1）。 变压器的一次侧-二次侧绕组之间以及绕组与地之间存在杂散电容。当在一次绕组与地之间施加冲击电压时，二次侧的静电冲击电压取决于绕组与地之间的分布电容，而不是匝数比。二次绕组与地之间的传递电压t₂为t₂ =&t₁(&：传递/电压传递系数；t₁：一次-地冲击电压)。 **3 高冲击电压耐受单相变压器** 电力变压器的电压传递系数（t₂/t₁）通常在0.2-0.9之间；测试过的变压器为0.25。 变压器根据电压等级/国家标准进行额定雷电冲击耐受电压测试。该产品（10 kV电网，测试电压15 kV）未受损。特别设计的高冲击电压耐受变压器最大限度地减少了二次过电压，抵抗雷击，阻挡干扰电流，并提高电气性能。经铁路科学研究院测试，其电压传递系数≤1/200，将从一次侧到二次侧的冲击波传输降低到1/200以下。 有效保护低压设备免受雷击，需要可靠的接地（雷击期间的电位差会损坏设备；接地外壳可以平衡电位，减少冲击电压）。冲击电压侵入低压设备的路径复杂（一次侧/二次侧/地侧；单独或同时）。可靠的接地至关重要。 **4 结论** 单相系列变压器（带油枕，高冲击电压耐受）摒弃了传统的油枕结构，实现了材料节约、易于加工和美观的设计。单相油浸系列（带油枕/全密封）具有高雷电冲击耐受性，减少过电压，保护二次设备，并减少电源线噪声以实现防雷保护。 自20世纪90年代以来，许多这样的变压器已在各铁路局运行（水电/信号/供电段等），覆盖了大多数车站，特别是在雷电多发地区。经过雷暴考验，它们具有低损耗、节省材料、节能和可靠性，确保电气设备的安全。随着铁路现代化和技术进步，这些变压器将得到更广泛的应用。