Jednofazni transformator s visokom otpornosti na greanske impulsnog napada

1 Uvod

Za osiguranje sigurnog rada željeznica i smanjenje rizika od štete od munja na sustave za upravljanje željezničkom komunikacijom, autor je specijalno istražio i dizajnirao jednofazni serijalni transformator s relativno visokim nivoom otpornosti na impulzne napone, s modelnim brojem D10 - 1.2 - 30/10. Taj se transformator opremljuje sa zbirnicom ulja i koristi potpuno zatvorenu strukturu (može se također dizajnirati kao suha struktura prema stvarnim potrebama). Ova serija transformatora predstavlja specijalizirano uređaje za kontrolne signale na željeznicama i može se primijeniti u manjim distribucijskim scenarijima industrijskih i poljoprivrednih mreža, imajući određenu razinu univerzalnosti.

2 Analiza munje i njenih opasnosti
2.1 Fizičke karakteristike munje

Munja je u suštini neperiodična talasna smršćivanja. Njena valna fronta vrlo brzo narasta, a zatim sporo pada. Zbog izuzetno velikog nagiba narastanja talasa munje, može uzrokovati vrlo ozbiljnu štetu električnom opremi.

2.2 Klasifikacija i uzroci munje

Munja se uglavnom dijeli na dva tipa: direktnu munju i induktivnu munju. Direktna munja jest oblik munje koji direktno djeluje na linije ili opremu. Iako je stupanj njezine štete izuzetno velik, stvarna vjerojatnost njene pojave je relativno niska; međutim, većina nesreća uzrokovanih munjom dolazi od induktivne munje. Induktivna munja dalje se podijelila na elektrostatičku induktivnu munju i elektromagnetsku induktivnu munju: Elektrostatička induktivna munja nastaje nadnaponom induciranom električnim poljem olujne oblaka između povisne linije i tla; Elektromagnetska induktivna munja nastaje nadnaponom koja se pojavljuje na liniji zbog elektromagnetskog indukcijskog učinka kada se blizu linije olujni oblak isprazni. Međutim, njen utjecaj je mnogo manji nego kod elektrostatičke induktivne munje.

2.3 Izrazi opasnosti munje na transformatore

Tijekom stvarnog procesa rada, događaji oštećenja transformatora munjom se često javljaju. Takvi incidenti ne samo da uzrokuju štetu samom transformatoru, već uzrokuju i štetu sekundarnoj opremi putem talasnog udara, što dovodi do šireg uticaja grešaka.

2.4 Mekanizam oštećenja transformatora talasima munje

Oštećenje transformatora talasima munje dolazi uglavnom iz dva faktora: Prvo, vrijednost impulsnog napona je vrlo visoka, dosežući maksimalno 8-12 puta fazonapona; Drugo, talasi munje uzrokuju visoku koncentraciju električnog polja, time oštećujući izolacijske osobine transformatora. Pod djelovanjem talasnog udara, glavna izolacija transformatora može biti oštećena. To je zato jer talasi munje imaju visoku frekvenciju i strm valni front, što će dovesti do toga da se gradijent potencijala na početku zavojnice dostigne maksimalnu vrijednost, čime se longitudinalna izolacija lako može razbiti.

2.5 Prenos napona talasa munje u zavojnicama transformatora

Kada talas munje djeluje na primarnu zavojnicu transformatora, napon zavojnice brzo raste, što je ekvivalentno primjeni visokog napona s vrlo visokom frekvencijom. U tom slučaju,

na sekundarnoj strani također će se generirati nadnapon. Zbog postojanja elektrostatične kapacitivne couplovane i magnetne couplovane između primarne i sekundarne zavojnice,

iako je nadnapon generiran na sekundarnoj strani povezan s omjerom transformacije, nije jednostavan omjer transformacije.

U nekim specifičnim situacijama, ovaj nadnapon može značajno premašiti izolacijski nivo sekundarne zavojnice i električne opreme koju nosi, što završava oštećenjem električne opreme spojene na sekundarnu zavojnicu. Nadnapon koji djeluje na sekundarnu zavojnicu sastoji se od elektrostatičkog i elektromagnetskog dijela. Elektromagnetski dio može se izračunati formulom me/n (u formuli, n jest omjer transformacije, e jest napon na primarnoj strani, m jest koeficijent couplovane, a aproksimativna vrijednost je 1).

Između primarne i sekundarne zavojnice transformatora te između zavojnice i tla postoje stražnji kapaciteti. Kada se impulsnim naponom primijeni između primarne zavojnice i tla, elektrostatički impulsnom naponu na sekundarnoj strani ovisi o distribuiranim kapacitetima između zavojnice i tla, a ne o omjeru zavojnica. Prenosni napon t₂ između sekundarne zavojnice i

tla je t₂ =&t₁(&: koeficijent prenosa napona; t₁: impulsnom naponu na primarnoj strani - tlo).

3 Jednofazni transformatori s visokim nivoom otpornosti na impulzne napone

Koeficijent prenosa napona transformatora (t₂/t₁) obično se kreće od 0,2 do 0,9; testiran je transformator sa 0,25.

Transformatori podliježu testovima na otpornost na impulzne napone po nivou napona/nacionalnim standardima. Ovaj proizvod (mreža od 10 kV, testiran na 15 kV) nije oštećen. Specijalno dizajniran, visokonaponski transformator smanjuje sekundarni nadnapon, otupljuje udarce munje, blokira interferentne struje i poboljšava električne performanse. Testiran Akademijom željezničkih znanosti, njegov koeficijent prenosa napona ≤ 1/200, smanjujući prenos talasa udarca s primarne na sekundarnu stranu ispod 1/200.

Efektivan za zaštitu niskonaponske opreme od munje, zahtijeva pouzdanu zemlju (potencijalne razlike tijekom munje mogu oštetiti opremu; zemljenje ljuske balansira potencijale, smanjujući impulsnom naponu). Putovi intruzije impulsnog napona u niskonaponsku opremu su složeni (primarna/sekundarna/strana tla; pojedinačno ili istodobno). Pouzdana zemlja je ključna.

4 Zaključak

Jednofazni serijalni transformator (sa zbirnicom ulja, visokim nivoom otpornosti na impulzne napone) odbacuje tradicionalne strukture sa zbirnicom ulja, ostvarujući uštedu materijala, lakše obradbe i privlačan dizajn. Jednofazni serijalni transformator (sa zbirnicom ulja/potpuno zatvoren) ima visoku otpornost na impulzne napone od munje, smanjuje nadnapone, štiti sekundarnu opremu i smanjuje buku naponske mreže za zaštitu od munje.

Od 1990-ih, mnogi takvi transformatori su radili u različitim željezničkim upravama (hidroelektrana/signalizacija/odjeli snabdijevanja, itd.), pokrivajući većinu stanica, posebno područja podložna munji. Dokazali su svoju vrijednost tijekom oluja, nudeći niske gubitke, uštedu materijala, energetsku učinkovitost i pouzdanost, osiguravajući sigurnost električne opreme. S modernizacijom željeznica i tehnološkim napretkom, ovi transformatori će vidjeti širu upotrebu.