Jednofázový transformátor s vysokou odolností proti bleskovému nárazu

1 Úvod

Pro zajištění bezpečného provozu železnic a snížení rizika poškození telekomunikačních řídicích systémů železnice bleskem, autor speciálně výzkumem a návrhem vyvinul jednofázový sériový transformátor s relativně vysokou hladinou odolnosti proti impulsnímu napětí, s označením D10 - 1.2 - 30/10. Tento transformátor je vybaven olejovým nádržkovým systémem a používá úplně uzavřenou strukturu (podle skutečných potřeb lze také navrhnout suchou strukturu). Tato série transformátorů je speciální zařízením pro řídicí signály na železnici a může být také použita v malém rozsahu distribuce elektrické energie v průmyslových a zemědělských elektrických sítích, což jí dává určitou univerzálnost.

2 Analýza blesku a jeho nebezpečí
2.1 Fyzikální charakteristiky blesku

Blesk je v podstatě neperiodická šoková vlna. Přední část jeho vlny se velmi rychle zvyšuje a pak pomalu klesá. Díky extrémně velkému sklonu stoupající části bleskové vlny může způsobit elektrickému zařízení velmi vážné škody.

2.2 Klasifikace a příčiny blesku

Blesk se dělí hlavně na dva typy: přímý blesk a indukční blesk. Přímý blesk je forma blesku, který působí přímo na vedení nebo zařízení. Ačkoli stupeň škodlivosti, který způsobuje, je extrémně velký, skutečná pravděpodobnost jeho výskytu je relativně nízká; většina škod způsobených bleskem však pochází z indukčního blesku. Indukční blesk se dále dělí na elektrostatický indukční blesk a elektromagnetický indukční blesk: Elektrostatický indukční blesk je generován přetlakem vyvolaným elektrickým polem mezi vzdušným vedením a zemí; Elektromagnetický indukční blesk je způsoben přetlakem, který se objevuje na vedení kvůli elektromagnetickému indukčnímu efektu, když blízké mrakodivadlo u vedení uvolňuje elektrickou energii. Jeho dopad však je mnohem menší než u elektrostatického indukčního blesku.

2.3 Projevy nebezpečí blesku pro transformátory

Během skutečného provozu se občas vyskytují nehody, kdy jsou transformátory poškozeny bleskem. Takové nehody způsobí nejen poškození samotného transformátoru, ale také škodu sekundárnímu zařízení prostřednictvím vlnového účinku, což vedou k širšímu rozsahu poruch.

2.4 Mechanismus poškození transformátoru bleskovou vlnou

Poškození transformátoru bleskovou vlnou pochází ze dvou faktorů: Za prvé, hodnota impulsního napětí je velmi vysoká, dosahujíc až 8-12krát fázové napětí; Za druhé, blesková vlna způsobí vysokou koncentraci elektrického pole, což poškodí izolační vlastnosti transformátoru. Pod vlivem šokové vlny může být hlavní izolace transformátoru poškozena. To je proto, že blesková vlna má vysokou frekvenci a strmý front vlny, což způsobí, že potenciální gradient na začátku vinutí dosáhne maximální hodnoty, což činí longitudinální izolaci velmi snadno prolomitelnou.

2.5 Přenos napětí bleskové šokové vlny v vinutí transformátoru

Když na primární vinutí transformátoru působí blesková šoková vlna, napětí na vinutí se rychle zvýší, což je ekvivalentní aplikaci velmi vysokého napětí s velmi vysokou frekvencí. V tomto případě se na sekundární straně rovněž vygeneruje přetlak. Díky existenci elektrostatické kapacitní vazby a magnetické vazby mezi primárním a sekundárním vinutím, i když přetlak vygenerovaný na sekundární straně je spojen s transformačním poměrem, není to jednoduchý vztah transformačního poměru.

V některých specifických situacích může tento přetlak výrazně přesáhnout izolační hladinu sekundárního vinutí a elektrického zařízení, které nese, což nakonec vedou k poškození elektrického zařízení připojeného k sekundárnímu vinutí. Přetlak působící na sekundární vinutí se skládá z elektrostatické složky a elektromagnetické složky. Elektromagnetická složka lze vypočítat pomocí vzorce me/n (ve vzorci, n je transformační poměr, e je napětí na primární straně, m je koeficient vazby a jeho přibližná hodnota je 1).

Mezi primárním a sekundárním vinutím transformátoru a mezi vinutím a zemí existují parazitní kapacity. Když se mezi primární vinutí a zemí aplikuje impulsní napětí, elektrostatické impulsní napětí na sekundární straně závisí na distribuovaných kapacitách mezi vinutím a zemí, nikoli na počtu otáček. Přenosové napětí t₂ mezi sekundárním vinutím a zemí je t₂ =&t₁ (&: přenos/přenosový koeficient; t₁: impulsní napětí mezi primární stranou a zemí).

3 Jednofázové transformátory s vysokou odolností proti impulsnímu napětí

Přenosový koeficient napětí elektrického transformátoru (t₂/t₁) obvykle dosahuje rozmezí 0,2–0,9; testovaný transformátor měl 0,25.

Transformátory podstupují testy na odolnost proti impulsnímu napětí podle norm stanovených pro dané napěťové úrovně. Tento produkt (pro síť 10 kV, otestován na 15 kV) nebyl poškozen. Speciálně navržený transformátor s vysokou odolností proti impulsnímu napětí minimalizuje přetlak na sekundární straně, odolává bleskovým šokům, blokuje interferenční proudy a zlepšuje elektrické vlastnosti. Testy provedené Akademií železničních věd ukázaly, že přenosový koeficient napětí ≤ 1/200, což snižuje přenos šokové vlny z primární strany na sekundární stranu pod 1/200.

Je efektivní pro ochranu nízkonapěťového zařízení před bleskem, vyžaduje spolehlivé zazemlení (potenciální rozdíly během blesku mohou poškodit zařízení; zazemlení obalu vyrovnává potenciály, snižuje impulsní napětí). Cesty, kterými může impulsní napětí proniknout do nízkonapěťového zařízení, jsou komplexní (primární/sekundární/zemní strana; jednotlivě nebo současně). Spolehlivé zazemlení je klíčové.

4 Závěr

Jednofázový sériový transformátor (s olejovým nádržkovým systémem a vysokou odolností proti impulsnímu napětí) opouští tradiční struktury olejových nádrží, dosahuje materiální úspory, snadné zpracování a atraktivní design. Jednofázová olejová série (s olejovým nádržkovým systémem a úplně uzavřenou strukturou) má vysokou odolnost proti bleskovému impulsnímu napětí, snižuje přetlak, chrání sekundární zařízení a redukuje rušivé signály v elektrických vedeních pro ochranu před bleskem.

Od 90. let minulého století pracuje mnoho takových transformátorů napříč železničními odděleními (vodní energie/signály/distribuce elektrické energie atd.), pokrývají většinu stanic, zejména oblasti s vysokým rizikem blesků. Ověřeny v bouřích, nabízejí nízké ztráty, materiální úspory, energetickou efektivitu a spolehlivost, zajišťují bezpečnost elektrického zařízení. S modernizací železnic a technologickým pokrokem budou tyto transformátory mít širší uplatnění.