Einspeisetransformator mit hoher Blitzimpulsbeständigkeit
1 Einführung
Um die sichere Betriebsführung von Eisenbahnen zu gewährleisten und das Risiko von Blitzschäden an den Telekommunikationssteuerungssystemen der Eisenbahn zu reduzieren, hat der Autor eine spezielle Einphasenserie-Transformator mit einem relativ hohen Impulsspannungsaushaltungsgrad entwickelt und entworfen, mit der Modellnummer D10-1.2-30/10. Dieser Transformator ist mit einem Ölkonservierer ausgestattet und verwendet eine vollständig abgedichtete Struktur (es kann auch nach Bedarf als trockene Bauweise konzipiert werden). Diese Serie von Transformator ist ein spezielles Gerät für Bahnsignale und kann auch in kleineren Stromverteilungsszenarien von Industrie- und Landwirtschaftsnetzen angewendet werden, was ihm eine gewisse Allgemeingültigkeit verleiht.
2 Analyse des Blitzes und seiner Gefahren
2.1 Physikalische Eigenschaften des Blitzes
Blitz ist im Wesentlichen eine nichtperiodische Stoßwelle. Der Anstiegsteil der Welle steigt sehr schnell an und fällt dann langsam ab. Aufgrund der extrem großen Steilheit des Blitzeimpulses kann er elektrischen Geräten sehr schwerwiegenden Schaden zufügen.
2.2 Klassifizierung und Ursachen des Blitzes
Blitz wird hauptsächlich in zwei Arten unterteilt: direkter Blitz und induzierter Blitz. Direkter Blitz ist eine Form von Blitz, die direkt auf Leitungen oder Geräte wirkt. Obwohl der durch ihn verursachte Schaden extrem groß ist, ist die tatsächliche Auftretenswahrscheinlichkeit relativ gering; jedoch werden die meisten Blitzschadensfälle durch induzierten Blitz verursacht. Induzierter Blitz wird weiter unterteilt in elektrostatischen induzierten Blitz und elektromagnetisch induzierten Blitz: Elektrostatischer induzierter Blitz wird durch die vom Gewitterfeld zwischen der Freileitung und dem Erdboden induzierte Überspannung erzeugt; Elektromagnetischer induzierter Blitz wird durch die Überspannung verursacht, die auf der Leitung aufgrund des elektromagnetischen Induktions-Effekts beim Entladen des Gewitters in der Nähe der Leitung auftritt. Sein Einflussgrad ist jedoch viel geringer als der des elektrostatisch induzierten Blitzes.
2.3 Schadenserscheinungen des Blitzes an Transformatorn
Während des tatsächlichen Betriebsprozesses treten immer wieder Unfälle auf, bei denen Transformatorn durch Blitzschläge beschädigt werden. Solche Unfälle führen nicht nur zur Beschädigung des Transformators selbst, sondern auch zur Beschädigung der Sekundärgeräte durch den Wellenstoß, was zu einer breiteren Auswirkung der Störung führt.
2.4 Mechanismus der Blitzwellenschäden an Transformatorn
Die Schäden an Transformatorn durch Blitzwellen resultieren hauptsächlich aus zwei Faktoren: Erstens ist der Impulsspannungswert sehr hoch und erreicht maximal 8-12-mal die Phasenspannung; Zweitens führt die Blitzwelle zu einer hohen Konzentration des elektrischen Feldes, was die Isolierleistung des Transformators beeinträchtigt. Unter dem Einfluss der Stoßwelle kann die Hauptisolation des Transformators beschädigt werden. Dies liegt daran, dass die Blitzwelle eine hohe Frequenz und einen steilen Wellenanfang hat, was dazu führt, dass der Potentialgradient am Anfang der Wicklung den Maximalwert erreicht, wodurch die Längsisolation extrem leicht durchschlägt.
2.5 Spannungsübertragung der Blitzstoßwellen in Transformatorwicklungen
Wenn eine Blitzstoßwelle auf die Primärwicklung eines Transformators wirkt, steigt die Spannung der Wicklung sehr schnell an, was dem Anlegen einer sehr hochfrequenten Hochspannung entspricht. In diesem Fall entsteht auch auf der Sekundarseite eine Überspannung. Aufgrund der Existenz von elektrostatischer Kapazitätskopplung und magnetischer Feldkopplung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung, obwohl die auf der Sekundarseite erzeugte Überspannung mit dem Transformationsverhältnis zusammenhängt, ist es kein einfaches Verhältnis des Transformationsverhältnisses. In bestimmten spezifischen Situationen kann diese Überspannung die Isolationsstufe der Sekundärwicklung und der damit verbundenen elektrischen Geräte erheblich überschreiten und letztendlich zu Schäden an den elektrischen Geräten führen, die an der Sekundärwicklung angeschlossen sind. Die auf die Sekundärwicklung wirkende Überspannung besteht sowohl aus einem elektrostatischen Anteil als auch aus einem elektromagnetischen Anteil. Der elektromagnetische Anteil kann durch die Formel me/n berechnet werden (in der Formel ist n das Transformationsverhältnis, e ist die Spannung auf der Primärseite, m ist der Kopplungskoeffizient, dessen Näherungswert 1 beträgt).
Zwischen der Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators sowie zwischen den Wicklungen und dem Boden existieren Streukapazitäten. Wenn eine Impulsspannung zwischen der Primärwicklung und dem Boden angelegt wird, hängt die elektrostatische Impulsspannung auf der Sekundarseite von den verteilten Kapazitäten zwischen den Wicklungen und dem Boden ab, nicht vom Wicklungsverhältnis. Die Übertragungsspannung t2 zwischen der Sekundärwicklung und dem Boden ist t2 =&t1 (&: Übertragungskoeffizient; t1: Impulsspannung auf der Primär-Boden-Seite).
3 Einphasentransformatoren mit hohem Impulsspannungsaushaltungsgrad
Der Spannungsübertragungskoeffizient eines Starkstromtransformators (t2/t1) liegt normalerweise zwischen 0,2 und 0,9; bei einem getesteten Transformator betrug er 0,25. Transformatorn werden nach den Spannungsniveaus/nationalen Normen Prüfungen auf den ausgelegten Blitzimpuls-Aushaltungsgrad vorgenommen. Bei diesem Produkt (10 kV-Netz, getestet bei 15 kV) trat kein Schaden auf. Speziell entwickelt, minimiert der Transformator mit hohem Impulsspannungsaushaltungsgrad die Sekundärüberspannung, widersteht Blitzschlägen, blockiert Störstrom und verbessert die elektrische Leistung. Nach Tests durch die Akademie der Eisenbahnwissenschaften beträgt sein Spannungsübertragungskoeffizient ≤ 1/200, was die Übertragung der Stoßwelle von der Primär- zur Sekundärseite unter 1/200 reduziert. Es ist effektiv zum Schutz von Niederspannungsgeräten vor Blitzschlägen, wobei eine zuverlässige Erdung erforderlich ist (Potentialunterschiede während des Blitzes können Geräte schädigen; die Erdung des Gehäuses gleicht die Potentiale aus und reduziert die Impulsspannung). Die Eindringwege der Impulsspannung in Niederspannungsgeräte sind komplex (Primär-, Sekundär- und Erdseite; einzeln oder gleichzeitig). Eine zuverlässige Erdung ist entscheidend.
4 Schlussfolgerung
Der Einphasen-Serientransformator (mit Ölreservoir, hoher Impulsspannungsaushalt) verzichtet auf traditionelle Ölreservoirstrukturen, um Materialersparnis, einfache Bearbeitung und ansprechendes Design zu erreichen. Die Einphasen-Ölgetränkte-Serie (mit Ölreservoir/vollständig abgedichtet) hat einen hohen Blitzimpuls-Widerstand, reduziert Überspannungen, schützt Sekundärgeräte und reduziert Netzrauschen für Blitzschutz der Stromversorgung. Seit den 1990er Jahren sind viele solche Transformatorn in verschiedenen Bahnämtern (Wasserkraft/Signal/Stromversorgungsabschnitte usw.) in Betrieb, die die meisten Stationen, insbesondere blitzegefährdete Gebiete, abdecken. Sie haben sich in Gewittern bewährt und bieten geringe Verluste, Materialersparnis, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit, um die Sicherheit elektrischer Geräte zu gewährleisten. Mit der Modernisierung der Eisenbahnen und technologischem Fortschritt werden diese Transformatorn eine weitaus größere Verwendung finden.
