Еднофазен трансформатор с висока устойчивост към ударни напрежения от молнии

1 Въведение

За да се осигури безопасната работа на железопътните линии и намалено рисковете от повреди, причинени от мълнии в системите за телекомуникационно управление на железниците, авторът е специално изследвал и разработил единнофазен серийен трансформатор с относително високо ниво на устойчивост към импулсни напрежения, с моделен номер D10 - 1.2 - 30/10. Този трансформатор е оборудван с маслен резервоар и използва изцяло герметична конструкция (може да бъде проектиран и като суха конструкция, според реалните нужди). Тази серия трансформатори е специализирано устройство за железопътни сигнали за управление и може да бъде приложена и в малкомащабни сценарии за разпределение на енергията в промишлените и селскостопанските мрежи, като има известна степен на универсалност.

2 Анализ на мълнията и нейните опасности
2.1 Физически характеристики на мълнията

Мълнията по същество е непериодична ударна вълна. Началната част на вълната се увеличава много бързо, а след това бавно намалява. Поради изключително голямото увеличение на вълната, мълнията може да причини сериозни повреди на електрическото оборудване.

2.2 Класификация и причини на мълнията

Мълнията се дели главно на два типа: директна мълния и индуктивна мълния. Директната мълния е форма на мълния, която действа директно върху линиите или оборудването. Въпреки че степента на вредата, която причинява, е изключително голяма, реалната вероятност за събитие е относително ниска; обаче, повечето повреди, причинени от мълния, са поради индуктивна мълния. Индуктивната мълния се подразделя още на електростатична индуктивна мълния и електромагнитна индуктивна мълния: Електростатичната индуктивна мълния се генерира от прекомерното напрежение, индуцирано от електрическото поле на грозовата облачна маса между въздушната линия и земята; Електромагнитната индуктивна мълния се причинява от появата на прекомерно напрежение в линията, поради ефекта на електромагнитната индукция, когато грозовата облачна маса в близост до линията разтоварва. Обаче нейното влияние е много по-малко от това на електростатичната индуктивна мълния.

2.3 Манифестации на вредата от мълнията върху трансформаторите

В процеса на реална експлоатация, се случват от време на време аварии, в които трансформаторите са повредени от удари на мълния. Такива аварии не само ще причинят вреда на самия трансформатор, но и ще доведат до повреди на вторичното оборудване чрез въздействието на ударната вълна, водейки до по-широка зона на дефектите.

2.4 Механизъм на повредата на трансформаторите от мълниеви вълни

Повредата на трансформаторите от мълниеви вълни идва основно от два фактора: Първо, стойността на импулсното напрежение е много висока, достигайки максимум 8-12 пъти фазното напрежение; Второ, мълниевата вълна ще предизвика висока концентрация на електрическото поле, което ще повреди изолационните свойства на трансформатора. Под действието на ударната вълна, основната изолация на трансформатора може да бъде повредена. Това е така, защото мълниевата вълна има висока честота и стръмен вълнов формат, което ще направи потенциалния градиент в началото на обмотката да достигне максималната стойност, правейки продължителната изолация много лесна за пробив.

2.5 Предаване на напрежението от мълниеви ударни вълни в обмотките на трансформаторите

Когато мълниева ударна вълна действа върху первичната обмотка на трансформатор, напрежението в обмотката ще се увеличи бързо, което е еквивалентно на прилагане на високо напрежение с много висока честота. В този случай,

на вторичната страна също ще се генерира прекомерно напрежение. Поради наличието на електростатична емисионна взаимовръзка и магнитно поле между первичната и вторичната обмотка,

въпреки че прекомерното напрежение, генерирано на вторичната страна, е свързано с кофициента на преобразуване, то не е проста връзка на кофициента на преобразуване.

В някои конкретни ситуации, това прекомерно напрежение може значително да надвиши изолационното ниво на вторичната обмотка и електрическото оборудване, което тя носи, в крайна сметка водейки до повреда на електрическото оборудване, свързано с вторичната обмотка. Прекомерното напрежение, действащо върху вторичната обмотка, се състои както от електростатичен компонент, така и от електромагнитен компонент. Електромагнитният компонент може да бъде изчислен с формулата me/n (в формулата, n е кофициента на преобразуване, e е напрежението на первичната страна, m е коефициентът на взаимодействие, и приблизителната стойност е 1).

Емисионни капацитети съществуват между первичната и вторичната обмотка на трансформатора и между обмотките и земята. Когато импулсно напрежение се приложи между первичната обмотка и земята, електростатичното импулсно напрежение на вторичната страна зависи от разпределените капацитети между обмотките и земята, а не от броя на витките. Преходното напрежение t₂ между вторичната обмотка и

земята е t₂ =&t₁ (&: коефициент на преход/преходно напрежение; t₁: импулсно напрежение между первичната обмотка и земята).

3 Единнофазни трансформатори с високо ниво на устойчивост към импулсни напрежения

Коефициентът на преход на напрежението на електроенергиен трансформатор (t₂/t₁) обикновено варира от 0.2 до 0.9; тестираният трансформатор имаше 0.25.

Трансформаторите се подлагат на стандартизирано тестирование за устойчивост към импулсни напрежения в съответствие с нивата на напрежението/националните стандарти. Този продукт (мрежа на 10 кВ, тестиран при 15 кВ) не пострада. Специално проектиран, трансформаторът с високо ниво на устойчивост към импулсни напрежения минимизира вторичното прекомерно напрежение, устойчивостта към удари на мълния, блокира интерференционните токове и подобрява електрическите качества. Тестирани от Академията на Железните пътища, неговият коефициент на преход на напрежението ≤ 1/200, намаляващ прехода на ударната вълна от первичната към вторичната страна под 1/200.

Ефективен за защита на нисконапреженното оборудване от мълнии, той изисква надеждно заземяване (потенциалните разлики по време на мълния могат да повредят оборудването; заземяването на корпуса балансира потенциалите, намалявайки импулсното напрежение). Пътищата за проникване на импулсното напрежение в нисконапреженното оборудване са сложни (первична/вторична/странична към земята; едновременно или последователно). Надеждното заземяване е ключово.

4 Заключение

Единнофазният серийен трансформатор (с маслен резервоар, високо ниво на устойчивост към импулсни напрежения) отказва от традиционната конструкция с маслен резервоар, постигайки спестяване на материали, лесна обработка и привлекателен дизайн. Единнофазната маслена серия (с маслен резервоар/изцяло герметична) има висока устойчивост към мълниеви импулси, намалява прекомерното напрежение, защитава вторичното оборудване и намалява шума на електропроводните линии за защита срещу мълнии.

От 1990-те години, много такива трансформатори работят в различни железопътни бюро (водно-електроенергийни/сигнални/електроенергийни секции и т.н.), покривайки повечето станции, особено области, склонни към мълнии. Доказани в грозове, те предлагат ниски загуби, спестяване на материали, енергийна ефективност и надеждност, осигурявайки безопасността на електрическото оборудване. С модернизацията на железопътните системи и технологичния прогрес, тези трансформатори ще намерят по-широко приложение.