ترانسفورماتور تکفاز با قابلیت تحمل ضربه برقآبی بالا
1 معرفی
برای تضمین عملکرد ایمن راهآهن و کاهش خطر آسیبهای ناشی از برق به سیستمهای کنترل تلفنی راهآهن، نویسنده تحقیق و طراحی خاصی انجام داده است و یک ترانسفورماتور سری تکفاز با تحمل ولتاژ ضربهای نسبتاً بالا با شماره مدل D10-1.2-30/10 را توسعه داده است. این ترانسفورماتور با یک مخزن روغنی تجهیز شده و از ساختار کاملاً مهر و موم شده (به صورت ساختار خشک نیز میتواند طراحی شود در صورت نیاز). این سری از ترانسفورماتورها یک دستگاه تخصصی برای سیگنالهای کنترل راهآهن است و همچنین میتواند در سناریوهای توزیع انرژی کوچک صنعتی و کشاورزی استفاده شود، با در نظر گرفتن میزان مشخصی از انعطافپذیری.
2 تحلیل برق و خطرات آن
2.1 ویژگیهای فیزیکی برق
برق اساساً یک موج ضربهای غیردورهای است. قسمت جلویی موج بسیار سریع بالا میرود و سپس آرام آرام پایین میآید. به دلیل افزایش بسیار زیاد موج برق، میتواند به تجهیزات الکتریکی آسیبهای بسیار جدی وارد کند.
2.2 طبقهبندی و علل برق
برق به دو نوع اصلی تقسیم میشود: برق مستقیم و برق القایی. برق مستقیم شکلی از برق است که مستقیماً بر خطوط یا تجهیزات تأثیر میگذارد. اگرچه میزان آسیبرسانی آن بسیار زیاد است، اما احتمال وقوع آن نسبتاً کم است؛ با این حال، بیشتر حوادث آسیبرسانی ناشی از برق القایی است. برق القایی به نوبه خود به دو نوع تقسیم میشود: برق القایی الکترواستاتیک و برق القایی الکترومغناطیسی: برق القایی الکترواستاتیک توسط ولتاژ اضافی القاء شده توسط میدان الکتریکی ابر برق بین خط هوایی و زمین ایجاد میشود؛ برق القایی الکترومغناطیسی ناشی از ولتاژ اضافی ظاهر شده در خط به دلیل تأثیر القایی در حین تخلیه ابر برق نزدیک به خط است. با این حال، تأثیر آن بسیار کمتر از برق القایی الکترواستاتیک است.
2.3 نمایانگر خطرات برق بر ترانسفورماتورها
در فرآیند عملیاتی، حوادث آسیبرسانی ترانسفورماتورها به دلیل ضربه برق به طور مداوم رخ میدهند. چنین حوادث نه تنها باعث آسیب به خود ترانسفورماتور میشوند بلکه از طریق تأثیر موجهای ضربهای به تجهیزات ثانویه نیز آسیب میرسانند، که منجر به گسترش بیشتر تأثیرات خرابی میشود.
2.4 مکانیزم آسیبرسانی ترانسفورماتورها توسط موجهای برق
آسیبرسانی ترانسفورماتورها توسط موجهای برق از دو عامل ناشی میشود: اولاً، مقدار ولتاژ ضربهای بسیار بالا است، به حداکثر 8-12 برابر ولتاژ فازی میرسد؛ ثانیاً، موج برق باعث تمرکز بالایی از میدان الکتریکی میشود، که به نوبه خود عملکرد عایق ترانسفورماتور را آسیب میبیند. تحت تأثیر موج ضربهای، عایق اصلی ترانسفورماتور ممکن است آسیب ببیند. این به دلیل این است که موج برق دارای فرکانس بالا و جبهه موج تند است که باعث میشود گرادیان پتانسیل در ابتدا پیچها به حداکثر مقدار برسد، که باعث میشود عایق طولی بسیار آسان قابل شکست باشد.
2.5 انتقال ولتاژ موجهای ضربهای برق در پیچهای ترانسفورماتور
وقتی موج ضربهای برق بر پیچ اولیه ترانسفورماتور تأثیر میگذارد، ولتاژ پیچ به سرعت افزایش مییابد، که معادل اعمال ولتاژ بسیار بالا با فرکانس بسیار بالا است. در این حالت،
ولتاژ اضافی نیز در سمت ثانویه ایجاد میشود. به دلیل وجود جفتشدن الکترواستاتیک و مغناطیسی بین پیچهای اولیه و ثانویه،
اگرچه ولتاژ اضافی ایجاد شده در سمت ثانویه مرتبط با نسبت تبدیل است، اما این رابطه سادهای نیست.
در برخی مواقع خاص، این ولتاژ اضافی ممکن است بسیار بیشتر از سطح عایق سمت ثانویه و تجهیزات الکتریکی متصل به آن باشد، که در نهایت منجر به آسیب به تجهیزات الکتریکی متصل به پیچ ثانویه میشود. ولتاژ اضافی وارد بر پیچ ثانویه شامل هر دو مؤلفه الکترواستاتیک و الکترومغناطیسی است. مؤلفه الکترومغناطیسی میتواند با استفاده از فرمول me/n محاسبه شود (در فرمول، n نسبت تبدیل است، e ولتاژ سمت اولیه است، m ضریب جفتشدن است و مقدار تقریبی آن 1 است).
ظرفیتهای تصادفی بین پیچهای اولیه و ثانویه ترانسفورماتور و بین پیچها و زمین وجود دارد. وقتی ولتاژ ضربهای بین پیچ اولیه و زمین اعمال میشود، ولتاژ ضربهای الکترواستاتیک سمت ثانویه به ظرفیتهای توزیعشده بین پیچها و زمین بستگی دارد، نه به نسبت تعداد دور. ولتاژ انتقال t2 بین پیچ ثانویه و
زمین است t2 =&t1(&: ضریب انتقال/انتقال ولتاژ؛ t1: ولتاژ ضربهای بین اولیه-زمین).
3 ترانسفورماتورهای تکفاز با تحمل ولتاژ ضربهای بالا
ضریب انتقال ولتاژ یک ترانسفورماتور (t2/t1) معمولاً در محدوده 0.2-0.9 است؛ یک ترانسفورماتور آزمایشی دارای مقدار 0.25 بود. ترانسفورماتورها بر اساس سطوح ولتاژ/استانداردهای ملی آزمایش تحمل ولتاژ ضربهای اسمی میشوند. این محصول (شبکه 10 kV، آزمایش در 15 kV) هیچ آسیبی ندید. طراحی خاص ترانسفورماتور با تحمل ولتاژ ضربهای بالا باعث کاهش ولتاژ اضافی در سمت ثانویه، مقاومت در برابر ضربههای برق، مسدود کردن جریانهای مختلط و بهبود عملکرد الکتریکی میشود. آزمایش توسط آکادمی علوم راهآهن، ضریب انتقال ولتاژ آن ≤ 1/200، کاهش انتقال موج ضربهای از اولیه به ثانویه به زیر 1/200.
برای محافظت موثر از تجهیزات پایینولتا از برق، نیاز به زمینسازی قابل اعتماد است (اختلاف پتانسیل در حین برق میتواند تجهیزات را آسیب ببیند؛ زمینسازی پوشش باعث تعادل پتانسیل و کاهش ولتاژ ضربهای میشود). مسیرهای ورود ولتاژ ضربهای به تجهیزات پایینولتا پیچیده است (سمت اولیه/ثانویه/زمینسازی؛ جداگانه یا همزمان). زمینسازی قابل اعتماد کلیدی است.
4 نتیجهگیری
ترانسفورماتور سری تکفاز (با مخزن روغنی، تحمل ولتاژ ضربهای بالا) از ساختارهای مخزن روغنی سنتی صرف نظر کرده و به دست آوردن مواد کمهزینه، پردازش آسان و طراحی جذاب را ممکن میسازد. سری ترانسفورماتورهای تکفاز غوطهور در روغن (با مخزن روغنی/کاملاً مهر و موم شده) دارای مقاومت برق بالا، کاهش ولتاژ اضافی، حفاظت از تجهیزات ثانویه و کاهش نویز خط تغذیه برای محافظت از برق است. از دهه 1990، تعداد زیادی از این ترانسفورماتورها در سراسر ادارات راهآهن (بخشهای هیدروالکتریک/سیگنال/تغذیه) و در اکثر ایستگاهها، به ویژه در مناطق آسیبپذیر برق، عملیاتی شدهاند. در طوفانهای رعد و برق اثبات شده است که دارای کماتلاف، صرفهجویی در مواد، کارایی انرژی و قابلیت اطمینان بالا هستند، که باعث ایمنی تجهیزات الکتریکی میشود. با پیشرفتهای مدرنسازی راهآهن و فناوری، این ترانسفورماتورها کاربرد گستردهتری خواهند داشت.
