Transformador monofásico con alta capacidade de resistencia a impulsos de rayo

1 Introdución

Para garantizar a seguridade da operación dos ferrocarrís e reducir o risco de danos por raio nos sistemas de control de telecomunicacións ferroviarios, o autor investigou e deseñou especialmente un transformador monofásico en serie con un nivel relativamente alto de resistencia a voltaxes de impulso, co número de modelo D10 - 1.2 - 30/10. Este transformador está equipado cun conservador de óleo e adopta unha estrutura totalmente selada (tamén pode ser deseñado como unha estrutura seca segundo as necesidades reais). Esta serie de transformadores é un dispositivo especial para sinais de control ferroviario e tamén pode aplicarse en escenarios de distribución eléctrica a pequena escala de redes industriais e agrícolas, tendo un certo grao de versatilidade.

2 Análise do Raio e os seus Perigos
2.1 Características Físicas do Raio

O raio é esencialmente unha onda de choque non periódica. A parte frontal da súa onda aumenta moi rapidamente e despois diminúe lentamente. Debido á enormidade do crecemento da onda de raio, pode causar un dano moi serio aos equipos eléctricos.

2.2 Clasificación e Causas do Raio

O raio divideuse principalmente en dous tipos: raio directo e raio indutivo. O raio directo é unha forma de raio que actúa directamente sobre liñas ou equipos. Aínda que o grao de perigo que causa é extremadamente grande, a probabilidade real de ocorrer é relativamente baixa; no entanto, a maioría dos accidentes de danos por raio son causados polo raio indutivo. O raio indutivo subdivídese ademais en raio electrostático indutivo e raio electromagnético indutivo: o raio electrostático indutivo xérase pola sobretensión inducida polo campo eléctrico da nube de tronada entre a liña aérea e a terra; o raio electromagnético indutivo é causado pola sobretensión que aparece na liña debido ao efecto de indución electromagnética cando a nube de tronada próxima á liña descarga. No entanto, o seu impacto é moito menor que o do raio electrostático indutivo.

2.3 Manifestacións de Perigo do Raio nos Transformadores

Durante o proceso de operación real, os accidentes de transformadores danados por descargas de raio ocorren de vez en cando. Estes accidentes non só causan danos ao propio transformador, senón que tamén causan danos ao equipo secundario a través do efecto de onda de choque, levando a un impacto de fallos máis amplio.

2.4 Mecanismo de Danos do Transformador por Ondas de Raio

Os danos dos transformadores por ondas de raio provén principalmente de dous factores: primeiro, o valor da tensión de impulso é bastante alto, alcanzando un máximo de 8-12 veces a tensión de fase; segundo, a onda de raio causará unha alta concentración do campo eléctrico, danando así o rendemento de aislamento do transformador. Baixo a acción da onda de choque, o aislamento principal do transformador pode ser danado. Isto é porque a onda de raio ten unha frecuencia alta e un fronte de onda abrupto, que fará que o gradiente de potencial no inicio do enrolamento alcance o valor máximo, facendo que o aislamento longitudinal sexa extremadamente fácil de romperse.

2.5 Transmisión de Tensión das Ondas de Choque de Raios nos Enrolamentos do Transformador

Cando unha onda de choque de raio actúa sobre o enrolamento primario dun transformador, a tensión do enrolamento aumentará rapidamente, equivalente a aplicar unha alta tensión con unha frecuencia moi alta. Neste caso, tamén se xerará unha

sobretensión no lado secundario. Debido á existencia de acoplamento capacitivo electrostático e magnético entre os enrolamentos primario e secundario,

aínda que a sobretensión xerada no lado secundario está relacionada coa relación de transformación, non é unha relación simple de transformación.

En algúns casos específicos, esta sobretensión pode superar en gran medida o nivel de aislamento do enrolamento secundario e do equipo eléctrico que transporta, levando finalmente ao dano do equipo eléctrico conectado ao enrolamento secundario. A sobretensión que actúa no enrolamento secundario compóñese tanto dunha componente electrostática como dunha componente electromagnética. A componente electromagnética pode calcularse coa fórmula me/n (na fórmula, n é a relación de transformación, e é a tensión no lado primario, m é o coeficiente de acoplamento, e o valor aproximado é 1).

Existen capacitancias parásitas entre os enrolamentos primario-secundario dun transformador e entre os enrolamentos e a terra. Cando se aplica unha tensión de impulso entre o enrolamento primario e a terra, a tensión de impulso electrostática no lado secundario depende das capacitancias distribuídas entre os enrolamentos e a terra, non da relación de espiras. A tensão de transferencia t₂ entre o enrolamento secundario e

a terra é t₂ =&t₁(&: coeficiente de transferencia de tensión; t₁: tensión de impulso primario-terra).

3 Transformadores Monofásicos con Alto Nivel de Resistencia a Voltaxes de Impulso

O coeficiente de transferencia de tensión dun transformador de enerxía (t₂/t₁) xeralmente varía entre 0,2 e 0,9; un transformador probado teño 0,25.

Os transformadores soportan ensaios de tensión de impulso de raio nominal segundo niveis de tensión/normas nacionais. Este produto (rede de 10 kV, probado a 15 kV) non sufriu danos. Diseñado de maneira especial, o transformador de alta resistencia a voltaxes de impulso minimiza a sobretensión secundaria, resiste choques de raio, bloquea correntes de interferencia e mellora o rendemento eléctrico. Probado pola Academia de Ciencias Ferroviarias, o seu coeficiente de transferencia de tensión ≤ 1/200, reducindo a transmisión de ondas de choque do primario ao secundario abaixo de 1/200.

Efectivo para protexer equipos de baixa tensión contra o raio, require unha terra fiable (as diferenzas de potencial durante o raio poden danar o equipo; terrar a carcasa equilibra os potenciais, reducindo a tensión de impulso). As rutas de intrusión da tensión de impulso nos equipos de baixa tensión son complexas (lado primario/secundario/terra; individual ou simultanea). Unha terra fiable é clave.

4 Conclusión

O transformador monofásico en serie (con conservador de óleo, alta resistencia a voltaxes de impulso) abandona as estruturas tradicionais de conservador de óleo, logrando un aforro de materiais, facilidade de procesado e deseño atractivo. A serie monofásica de inmersión en óleo (con conservador de óleo/totamente selada) ten unha alta resistencia a impulsos de raio, reduce a sobretensión, protexe o equipo secundario e reduz o ruído da liña de enerxía para a protección contra o raio.

Desde a década de 1990, moitos destes transformadores están en funcionamento en varias oficinas ferroviarias (seccións de hidroeléctrica/sinalización/suministro de enerxía, etc.), cubrindo a maioría das estacións, especialmente as áreas propensas a raios. Comprobados nas tormentas, ofrecen baixas perdas, aforro de materiais, eficiencia energética e fiabilidade, garantindo a seguridade dos equipos eléctricos. Con a modernización ferroviaria e o progreso tecnolóxico, estes transformadores terán un uso máis amplio.