Transformateur monophasé à haute capacité de résistance aux surtensions atmosphériques

1 Introduction

Pour assurer le fonctionnement sûr des chemins de fer et réduire le risque de dommages causés par la foudre aux systèmes de contrôle téléphonique des chemins de fer, l'auteur a spécialement recherché et conçu un transformateur monophasé en série avec un niveau de résistance à la tension d'impulsion relativement élevé, avec le numéro de modèle D10 - 1.2 - 30/10. Ce transformateur est équipé d'un conservateur d'huile et adopte une structure entièrement scellée (il peut également être conçu comme une structure sèche selon les besoins réels). Cette série de transformateurs est un dispositif spécial pour les signaux de contrôle ferroviaire et peut également être appliquée dans des scénarios de distribution d'énergie à petite échelle des réseaux électriques industriels et agricoles, offrant une certaine polyvalence.

2 Analyse de la foudre et de ses dangers
2.1 Caractéristiques physiques de la foudre

La foudre est essentiellement une onde de choc non périodique. La partie avant de son onde monte très rapidement puis diminue lentement. En raison de la pente de montée extrêmement élevée de l'onde de foudre, elle peut causer des dommages très graves aux équipements électriques.

2.2 Classification et causes de la foudre

La foudre est principalement divisée en deux types : la foudre directe et la foudre inductive. La foudre directe est une forme de foudre qui agit directement sur les lignes ou les équipements. Bien que le degré de dommage qu'elle cause soit extrêmement grand, la probabilité réelle de son occurrence est relativement faible ; cependant, la plupart des accidents de dommages causés par la foudre sont dus à la foudre inductive. La foudre inductive est subdivisée en foudre inductive électrostatique et foudre inductive électromagnétique : la foudre inductive électrostatique est générée par la surtension induite par le champ électrique de la nuée orageuse entre la ligne aérienne et la terre ; la foudre inductive électromagnétique est causée par la surtension apparaissant sur la ligne en raison de l'effet d'induction électromagnétique lorsque la nuée orageuse proche de la ligne décharge. Cependant, son impact est beaucoup plus faible que celui de la foudre inductive électrostatique.

2.3 Manifestations des dangers de la foudre sur les transformateurs

Au cours du processus de fonctionnement réel, des accidents de transformateurs endommagés par des coups de foudre se produisent de temps en temps. Ces accidents ne causeront pas seulement des dommages au transformateur lui-même, mais aussi des dommages aux équipements secondaires par l'effet d'onde de choc, entraînant un impact de panne plus large.

2.4 Mécanisme de l'endommagement des transformateurs par les ondes de foudre

L'endommagement des transformateurs par les ondes de foudre provient principalement de deux facteurs : premièrement, la valeur de la tension d'impulsion est très élevée, atteignant un maximum de 8 à 12 fois la tension de phase ; deuxièmement, l'onde de foudre va causer une concentration élevée du champ électrique, endommageant ainsi les performances d'isolation du transformateur. Sous l'action de l'onde de choc, l'isolation principale du transformateur peut être endommagée. Cela est dû au fait que l'onde de foudre a une fréquence élevée et une front d'onde abrupt, ce qui fera que le gradient de potentiel au début de l'enroulement atteigne sa valeur maximale, rendant l'isolation longitudinale extrêmement facile à rompre.

2.5 Transmission de la tension des ondes de choc de la foudre dans les enroulements des transformateurs

Lorsqu'une onde de choc de foudre agit sur l'enroulement primaire d'un transformateur, la tension de l'enroulement augmentera rapidement, ce qui équivaut à appliquer une haute tension à très haute fréquence. Dans ce cas, une surtension sera également générée sur le côté secondaire. En raison de l'existence d'un couplage capacitif électrostatique et magnétique entre les enroulements primaire et secondaire, bien que la surtension générée sur le côté secondaire soit liée au rapport de transformation, il ne s'agit pas d'une relation simple de rapport de transformation.

Dans certaines situations spécifiques, cette surtension peut largement dépasser le niveau d'isolation de l'enroulement secondaire et des équipements électriques qu'il supporte, conduisant finalement à l'endommagement des équipements électriques connectés à l'enroulement secondaire. La surtension agissant sur l'enroulement secondaire est composée d'une composante électrostatique et d'une composante électromagnétique. La composante électromagnétique peut être calculée par la formule me/n (dans la formule, n est le rapport de transformation, e est la tension sur le côté primaire, m est le coefficient de couplage, et la valeur approximative est 1).

Des capacités parasites existent entre les enroulements primaire et secondaire d'un transformateur et entre les enroulements et la terre. Lorsqu'une tension d'impulsion est appliquée entre l'enroulement primaire et la terre, la tension d'impulsion électrostatique sur le côté secondaire dépend des capacités distribuées entre les enroulements et la terre, et non du rapport de tours. La tension de transfert t₂ entre l'enroulement secondaire et la terre est t₂ =&t₁ (& : coefficient de transfert de tension ; t₁ : tension d'impulsion entre le primaire et la terre).

3 Transformateurs monophasés avec un niveau élevé de résistance à la tension d'impulsion

Le coefficient de transfert de tension d'un transformateur de puissance (t₂/t₁) est généralement compris entre 0,2 et 0,9 ; un transformateur testé avait 0,25. Les transformateurs subissent des tests de résistance à la tension d'impulsion nominale selon les niveaux de tension/normes nationales. Ce produit (réseau de 10 kV, testé à 15 kV) n'a subi aucun dommage. Spécialement conçu, le transformateur à haute résistance à la tension d'impulsion minimise la surtension secondaire, résiste aux chocs de foudre, bloque les courants d'interférence et améliore les performances électriques. Testé par l'Académie des Sciences Ferroviaires, son coefficient de transfert de tension ≤ 1/200, réduisant la transmission de l'onde de choc du primaire au secondaire en dessous de 1/200. Efficace pour protéger les équipements basse tension contre la foudre, il nécessite un raccordement à la terre fiable (les différences de potentiel pendant la foudre peuvent endommager les équipements ; le raccordement à la terre de la coque équilibre les potentiels, réduisant la tension d'impulsion). Les voies d'intrusion de la tension d'impulsion dans les équipements basse tension sont complexes (côté primaire/secondaire/terre ; individuellement ou simultanément). Un raccordement à la terre fiable est essentiel.

4 Conclusion

Le transformateur monophasé en série (avec conservateur d'huile, haute résistance à la tension d'impulsion) abandonne les structures traditionnelles de conservateur d'huile, réalisant une économie de matériaux, un traitement facile et un design attrayant. La série monophasée à immersion dans l'huile (avec conservateur d'huile/totalement scellée) présente une forte résistance à la tension d'impulsion de la foudre, réduit la surtension, protège les équipements secondaires et réduit le bruit des lignes électriques pour la protection contre la foudre. Depuis les années 1990, de nombreux tels transformateurs ont fonctionné dans divers bureaux ferroviaires (sections hydrauliques/signalisation/fourniture d'énergie, etc.), couvrant la plupart des gares, en particulier dans les zones propices à la foudre. Prouvés lors des orages, ils offrent une faible perte, une économie de matériaux, une efficacité énergétique et une fiabilité, garantissant la sécurité des équipements électriques. Avec la modernisation ferroviaire et les progrès technologiques, ces transformateurs trouveront une utilisation plus large.