ترانسفورماتور تک‌فاز با قابلیت تحمل ضربه برق ابری بالا

1 مقدمه

برای اطمینان از عملکرد ایمن راه‌آهن و کاهش خطر آسیب‌های ناشی از برق به سیستم‌های کنترل تلفنی راه‌آهن، نویسنده تحقیق و طراحی خاصی انجام داده و یک ترانسفورماتور سری تک‌فاز با مقاومت نسبتاً بالا در برابر ولتاژ ضربه‌ای طراحی کرده است. این ترانسفورماتور با شماره مدل D10 - 1.2 - 30/10 مجهز به ذخیره‌گاه روغن و ساختار کاملاً مختوم (که می‌تواند بر اساس نیازها به صورت ساختار خشک نیز طراحی شود) می‌باشد. این سری از ترانسفورماتورها یک دستگاه خاص برای سیگنال‌های کنترل راه‌آهن است و همچنین می‌تواند در سناریوهای توزیع انرژی کوچک صنعتی و کشاورزی نیز به کار رود و دارای قابلیت جامعیت معینی است.

2 تحلیل برق و خطرات آن
2.1 ویژگی‌های فیزیکی برق

برق اساساً یک موج ضربه‌ای غیردوره‌ای است. بخش اول موج بسیار سریعاً افزایش می‌یابد و سپس به آرامی کاهش می‌یابد. به دلیل شیب بسیار زیاد افزایش موج برق، می‌تواند به تجهیزات الکتریکی آسیب بسیار جدی وارد کند.

2.2 طبقه‌بندی و علل برق

برق به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود: برق مستقیم و برق القایی. برق مستقیم یک نوع از برق است که مستقیماً بر خطوط یا تجهیزات اثر می‌گذارد. اگرچه میزان آسیب آن بسیار زیاد است، اما احتمال وقوع واقعی آن نسبتاً کم است؛ با این حال، بیشتر حوادث آسیب ناشی از برق توسط برق القایی ایجاد می‌شود. برق القایی به نوبه خود به دو نوع برق القایی الکترواستاتیک و برق القایی الکترومغناطیسی تقسیم می‌شود: برق القایی الکترواستاتیک از طریق ولتاژ بیش از حد القایی توسط میدان الکتریکی ابر برق بین خط هوایی و زمین ایجاد می‌شود؛ برق القایی الکترومغناطیسی ناشی از ولتاژ بیش از حد ظاهر شده در خط به دلیل اثر القایی مغناطیسی زمانی که ابر برق نزدیک خط برق می‌زند. با این حال، میزان تأثیر آن بسیار کمتر از برق القایی الکترواستاتیک است.

2.3 نمایانگری خطرات برق بر ترانسفورماتورها

در فرآیند عملیاتی، حوادث آسیب دیدگی ترانسفورماتورها به دلیل ضربه برق به طور مداوم رخ می‌دهند. این حوادث نه تنها منجر به آسیب دیدگی ترانسفورماتور خود می‌شوند بلکه از طریق اثر موج‌های ضربه‌ای، آسیب به تجهیزات ثانویه را نیز موجب می‌شوند که منجر به گسترش گسترده‌تری از تأثیرات خطا می‌شود.

2.4 مکانیزم آسیب دیدگی ترانسفورماتورها توسط موج‌های برق

آسیب دیدگی ترانسفورماتورها توسط موج‌های برق عمدتاً از دو عامل ناشی می‌شود: اولاً، مقدار ولتاژ ضربه‌ای بسیار بالا است که به حداکثر 8-12 برابر ولتاژ فازی می‌رسد؛ دوماً، موج برق باعث ایجاد تمرکز بالایی از میدان الکتریکی می‌شود که بدین ترتیب عملکرد عایق ترانسفورماتور را آسیب می‌دهد. 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 می‌تواند گرادیان پتانسیل در ابتدا پیچش به حداکثر مقدار برساند و عایق طولی را بسیار آسان برای شکستن کند.

2.5 انتقال ولتاژ موج‌های ضربه‌ای برق در پیچش‌های ترانسفورماتور

وقتی که موج ضربه‌ای برق بر پیچش اصلی یک ترانسفورماتور اثر می‌گذارد، ولتاژ پیچش به سرعت افزایش می‌یابد که معادل اعمال یک ولتاژ بسیار بالا با فرکانس بسیار بالا است. در این حالت، یک ولتاژ بیش از حد نیز در سمت ثانویه ایجاد می‌شود. به دلیل وجود جفت‌بندی ظرفیت الکترواستاتیک و مغناطیسی بین پیچش‌های اصلی و ثانویه،

اگرچه ولتاژ بیش از حد ایجاد شده در سمت ثانویه مرتبط با نسبت تبدیل است، اما این رابطه ساده‌ای نیست. در برخی مواقع خاص، این ولتاژ بیش از حد ممکن است بسیار بیشتر از سطح عایق سمت ثانویه و تجهیزات الکتریکی متصل به آن باشد و در نهایت منجر به آسیب دیدگی تجهیزات الکتریکی متصل به پیچش ثانویه شود. ولتاژ بیش از حد مؤثر بر پیچش ثانویه شامل هر دو مؤلفه الکترواستاتیک و الکترومغناطیسی است. مؤلفه الکترومغناطیسی می‌تواند با استفاده از فرمول me/n محاسبه شود (در این فرمول، n نسبت تبدیل، e ولتاژ سمت اصلی و m ضریب جفت‌بندی است که مقدار تقریبی آن 1 است).

ظرفیت‌های پراکنده بین پیچش‌های اصلی و ثانویه ترانسفورماتور و بین پیچش‌ها و زمین وجود دارد. وقتی که یک ولتاژ ضربه‌ای بین پیچش اصلی و زمین اعمال می‌شود، ولتاژ ضربه‌ای الکترواستاتیک سمت ثانویه به ظرفیت‌های پخش شده بین پیچش‌ها و زمین و نه نسبت دور بستگی دارد. ولتاژ انتقال t₂ بین پیچش ثانویه و

زمین t₂ = &t₁ است (&: ضریب انتقال ولتاژ؛ t₁: ولتاژ ضربه‌ای بین اصلی و زمین).

3 ترانسفورماتورهای تک‌فاز با مقاومت بالا در برابر ولتاژ ضربه‌ای

ضریب انتقال ولتاژ یک ترانسفورماتور (t₂/t₁) معمولاً بین 0.2-0.9 متغیر است؛ یک ترانسفورماتور آزمایشی دارای 0.25 بود. ترانسفورماتورها تحت آزمون‌های تحمل ولتاژ ضربه‌ای نوری استاندارد بر اساس سطوح ولتاژ/استانداردهای ملی قرار می‌گیرند. این محصول (شبکه 10 kV، آزمایش شده در 15 kV) بدون آسیب ماند. طراحی شده برای مقاومت بالا در برابر ولتاژ ضربه‌ای، این ترانسفورماتور ولتاژ بیش از حد سمت ثانویه را به حداقل می‌رساند، مقاومت در برابر ضربات برق، مسدود کردن جریان‌های مداخله و افزایش عملکرد الکتریکی را ارائه می‌دهد. آزمایش شده توسط آکادمی علوم راه‌آهن، ضریب انتقال ولتاژ آن ≤ 1/200 است که انتقال موج ضربه‌ای از سمت اصلی به ثانویه را زیر 1/200 می‌رساند. برای محافظت موثر از تجهیزات ولتاژ پایین از برق، نیاز به زمین‌گذاری مطمئن (تفاوت‌های پتانسیل در زمان برق می‌تواند تجهیزات را آسیب دهد؛ زمین‌گذاری پوشش بیرونی پتانسیل‌ها را تعادل می‌بخشد و ولتاژ ضربه‌ای را کاهش می‌دهد). مسیرهای ورود ولتاژ ضربه‌ای به تجهیزات ولتاژ پایین پیچیده است (سمت اصلی/ثانویه/زمین؛ تکی یا همزمان). زمین‌گذاری مطمئن کلیدی است.

4 نتیجه‌گیری

ترانسفورماتور سری تک‌فاز (با ذخیره‌گاه روغن، مقاومت بالا در برابر ولتاژ ضربه‌ای) ساختارهای سنتی ذخیره‌گاه روغن را کنار گذاشته و با مواد صرفه‌جویی، پردازش آسان و طراحی جذاب به وجود آمده است. سری روغنی تک‌فاز (با ذخیره‌گاه روغن/کاملاً مختوم) مقاومت بالایی در برابر ولتاژ ضربه‌ای برق، کاهش ولتاژ بیش از حد، محافظت از تجهیزات ثانویه و کاهش نویز خط‌های تغذیه برای محافظت از برق را ارائه می‌دهد. از دهه 1990، تعداد زیادی از این ترانسفورماتورها در بخش‌های مختلف راه‌آهن (بخش‌های برق آبی/سیگنال/تغذیه) در اکثر ایستگاه‌ها، به ویژه در مناطق آسیب‌پذیر برق، عملیاتی شده‌اند. آنها در طوفان‌های برق اثبات شده‌اند که دارای کم‌ترین تلفات، صرفه‌جویی در مواد، کارایی انرژی و قابلیت اطمینان هستند و ایمنی تجهیزات الکتریکی را تضمین می‌کنند. با پیشرفت‌های مدرن‌سازی راه‌آهن و فناوری، این ترانسفورماتورها استفاده گسترده‌تری خواهند داشت.