Transformador Monofásico con Alta Capacidad de Resistencia a Impulsos de Rayo
1 Introducción
Para garantizar la operación segura de las vías férreas y reducir el riesgo de daños por rayos en los sistemas de control de telecomunicaciones ferroviarios, el autor ha investigado y diseñado especialmente un transformador monofásico en serie con un nivel de resistencia a impulsos de voltaje relativamente alto, con el número de modelo D10-1.2-30/10. Este transformador está equipado con un conservador de aceite y adopta una estructura completamente sellada (también se puede diseñar como una estructura seca según las necesidades reales). Esta serie de transformadores es un dispositivo especializado para señales de control ferroviario y también se puede aplicar en escenarios de distribución de energía a pequeña escala en redes eléctricas industriales y agrícolas, teniendo cierto grado de versatilidad.
2 Análisis del Rayo y sus Peligros
2.1 Características Físicas del Rayo
El rayo es esencialmente una onda de choque no periódica. La parte frontal de su onda se eleva muy rápidamente y luego disminuye lentamente. Debido a la extremadamente alta pendiente de ascenso de la onda del rayo, puede causar daños muy graves al equipo eléctrico.
2.2 Clasificación y Causas del Rayo
El rayo se divide principalmente en dos tipos: rayo directo e inducido. El rayo directo es una forma de rayo que actúa directamente en líneas o equipos. Aunque el grado de daño que causa es extremadamente grande, la probabilidad real de ocurrencia es relativamente baja; sin embargo, la mayoría de los accidentes de daños por rayos son causados por el rayo inducido. El rayo inducido se subdivide aún más en rayo electrostático inducido y rayo electromagnético inducido: el rayo electrostático inducido se genera por el sobrevoltaje inducido por el campo eléctrico de la nube de tormenta entre la línea aérea y la tierra; el rayo electromagnético inducido se produce por el sobrevoltaje que aparece en la línea debido al efecto de inducción electromagnética cuando la nube de tormenta cercana a la línea descarga. Sin embargo, su impacto es mucho menor que el del rayo electrostático inducido.
2.3 Manifestaciones de Peligro del Rayo en Transformadores
Durante el proceso de operación real, los accidentes de transformadores dañados por rayos ocurren de vez en cuando. Tales accidentes no solo causarán daños al propio transformador, sino que también causarán daños al equipo secundario a través del efecto de choque de ondas, lo que lleva a un impacto de fallos más amplio.
2.4 Mecanismo de Daño del Transformador por Ondas de Rayo
El daño de los transformadores por ondas de rayo proviene principalmente de dos factores: primero, el valor de voltaje de impulso es bastante alto, alcanzando un máximo de 8-12 veces el voltaje de fase; segundo, la onda de rayo causará una concentración alta del campo eléctrico, dañando así el rendimiento de aislamiento del transformador. Bajo la acción de la onda de choque, el aislamiento principal del transformador puede ser dañado. Esto se debe a que la onda de rayo tiene una frecuencia alta y una frente de onda empinada, lo que hará que el gradiente de potencial al principio del devanado alcance el valor máximo, haciendo que el aislamiento longitudinal sea extremadamente susceptible a romperse.
2.5 Transmisión de Voltaje de Ondas de Choque de Rayo en los Devanados del Transformador
Cuando una onda de choque de rayo actúa sobre el devanado primario de un transformador, el voltaje del devanado se elevará rápidamente, lo que equivale a aplicar un voltaje de alta tensión con una frecuencia muy alta. En este caso, se generará un sobrevoltaje en el lado secundario. Debido a la existencia de acoplamiento de capacitancia electrostática y acoplamiento de campo magnético entre los devanados primario y secundario, aunque el sobrevoltaje generado en el lado secundario está relacionado con la relación de transformación, no es una relación simple de la relación de transformación. En algunas situaciones específicas, este sobrevoltaje puede superar en gran medida el nivel de aislamiento del devanado secundario y del equipo eléctrico que transporta, lo que finalmente lleva a dañar el equipo eléctrico conectado al devanado secundario. El sobrevoltaje que actúa en el devanado secundario está compuesto tanto por un componente electrostático como por un componente electromagnético. El componente electromagnético se puede calcular mediante la fórmula me/n (en la fórmula, n es la relación de transformación, e es el voltaje en el lado primario, m es el coeficiente de acoplamiento, y el valor aproximado es 1).
Existen capacitancias parásitas entre los devanados primario-secundario de un transformador y entre los devanados y la tierra. Cuando se aplica un voltaje de impulso entre el devanado primario y la tierra, el voltaje de impulso electrostático en el lado secundario depende de las capacitancias distribuidas entre los devanados y la tierra, no de la relación de vueltas. El voltaje transferido t2 entre el devanado secundario y la tierra es t2 =&t1 (&: coeficiente de transferencia de voltaje; t1: voltaje de impulso primario-tierra).
3 Transformadores Monofásicos con Alto Nivel de Resistencia a Impulsos de Voltaje
El coeficiente de transferencia de voltaje de un transformador de potencia (t2/t1) generalmente oscila entre 0.2 y 0.9; un transformador probado tuvo 0.25. Los transformadores se someten a pruebas de resistencia a impulsos de rayo según niveles de voltaje/normas nacionales. Este producto (red de 10 kV, probado a 15 kV) no sufrió daños. Diseñado especialmente, el transformador de alta resistencia a impulsos de voltaje minimiza el sobrevoltaje secundario, resiste los choques de rayos, bloquea las corrientes de interferencia y mejora el rendimiento eléctrico. Probado por la Academia de Ciencias Ferroviarias, su coeficiente de transferencia de voltaje ≤ 1/200, reduciendo la transmisión de ondas de choque desde el primario al secundario por debajo de 1/200. Efectivo para proteger el equipo de baja tensión contra rayos, requiere un buen aterramiento (las diferencias de potencial durante los rayos pueden dañar el equipo; el aterramiento de la carcasa equilibra los potenciales, reduciendo el voltaje de impulso). Las rutas de intrusión del voltaje de impulso en el equipo de baja tensión son complejas (lado primario/secundario/tierra; individual o simultáneo). El aterramiento confiable es clave.
4 Conclusión
El transformador monofásico en serie (con conservador de aceite, alta resistencia a impulsos de voltaje) abandona las estructuras tradicionales de conservador de aceite, logrando un ahorro de materiales, fácil procesamiento y diseño atractivo. La serie monofásica sumergida en aceite (con conservador de aceite/completamente sellada) tiene una alta resistencia a impulsos de rayo, reduce el sobrevoltaje, protege el equipo secundario y reduce el ruido de la línea de alimentación para la protección contra rayos. Desde la década de 1990, muchos de estos transformadores han estado operando en diversas administraciones ferroviarias (secciones de hidroelectricidad/señalización/suministro de energía, etc.), cubriendo la mayoría de las estaciones, especialmente en áreas propensas a rayos. Demostrados en tormentas, ofrecen baja pérdida, ahorro de materiales, eficiencia energética y fiabilidad, asegurando la seguridad del equipo eléctrico. Con la modernización ferroviaria y el progreso tecnológico, estos transformadores tendrán un uso más amplio.
