Egyszerű fázisú transzformátor magas villámlásveszélytűrő képességgel

1 Bevezetés

A vasúti biztonságos működésének biztosítása és a villámlás által okozott károk csökkentése érdekében a szerző kifejezetten kutatta és tervezte a D10-1.2-30/10 szériaszámú egyfázis soros transzformátort, amely relatíve magas impulzusos feszültségűtudatossággal rendelkezik. Ez a transzformátor olajtartályval és teljesen zárt szerkezettel (szükség esetén száraz szerkezetként is tervezhető) van ellátva. A transzformátorok speciálisan a vasúti vezérlő jelzésekhez készültek, de kismértékű energiaelosztási alkalmazásokban is használhatóak az ipari és mezőgazdasági hálózatokban, így bizonyos mértékű sokoldalúsággal bírnak.

2 A villám elemzése és annak veszélyei
2.1 A villám fizikai jellemzői

A villám lényegében egy nem periodikus sokkoló hullám. Hullámának előrébbi része nagyon gyorsan emelkedik, majd lassan csökken. A villám hullámának extrém nagy emelkedési meredeksége miatt komoly károkat okozhat az elektromos berendezéseknek.

2.2 A villám osztályzása és okai

A villám főleg két típusba osztható: közvetlen villám és indukciós villám. A közvetlen villám olyan villám, ami közvetlenül hat a vezetékre vagy berendezésre. Bár a károsodás mértéke nagyon súlyos, a valódi bekövetkezési valószínűsége viszont alacsony; ugyanakkor a legtöbb villám által okozott károsodási baleseteket az indukciós villám okozza. Az indukciós villám tovább osztható elektrostatisztikus indukciós villámra és elektromágneses indukciós villámra: Az elektrostatisztikus indukciós villám a felhő-elektromos tér által indukált túlfeszültség eredménye a felettiről vezető és a föld között; Az elektromágneses indukciós villám a felhő közelében történő villámlás során a vezetéken megjelenő túlfeszültség eredménye. Ugyanakkor hatásfoka sokkal kisebb, mint az elektrostatisztikus indukciós villámé.

2.3 A villám általi károsodás megjelenése a transzformátorokon

Az aktuális működés során gyakran fordul elő, hogy a transzformátorokat villámlás sértheti. Ilyen esetekben nem csak a transzformátor maga sérül, hanem a másodlagos berendezések is, ami szélesebb körű hibákhoz vezethet.

2.4 A villám hullám általi károsodás mechanizmusa a transzformátorokban

A transzformátorok villám általi károsodása két fő tényezőből adódik: Először is, a villám impulzusos feszültsége igen magas, akár 8-12-szerese a fázisfeszültségnek; Másodszor, a villám hullám koncentráltan növeli az elektromos mezőt, s ezzel megséríti a transzformátor izolációját. A sokkoló hullám hatására a transzformátor fő izolációja sérülhet. Ez azért van, mert a villám hullám magas frekvenciájú és meredek hullámfrontú, ami a tekercs kezdő részénél a potenciális gradiens maximális értékét eredményezi, ami a hosszirányú izolációnak könnyen átadhatóvá teszi a sérülést.

2.5 A villám sokkoló hullám feszültségátvitela a transzformátor tekercsein

Amikor a villám sokkoló hullám hat a transzformátor elsődleges tekercsére, a tekercs feszültsége gyorsan emelkedik, ami egy nagyon magas frekvenciájú magasfeszültségű hatást jelent. Ebben az esetben a másodlagos oldalon is generálódik túlfeszültség. Az elsődleges és másodlagos tekercs közötti elektrostatisztikus kapacitív és mágneses kapcsolódás miatt, bár a másodlagos oldalon generált túlfeszültség a transzformációs aránytól függ, ez nem egyszerű arányosság.

Egyes specifikus helyzetekben ez a túlfeszültség jelentősen meghaladhatja a másodlagos tekercs és a rajta található elektromos berendezések izolációs szintjét, végül a másodlagos tekercshez csatlakoztatott elektromos berendezések károsodásához vezethet. A másodlagos tekercsre ható túlfeszültség mind elektrostatisztikus, mind elektromágneses összetevőkből áll. Az elektromágneses összetevő a következő képlettel számítható: me/n (a képletben n a transzformációs arány, e az elsődleges oldali feszültség, m a kapcsolódási együttható, aminek közelítő értéke 1).

A transzformátor elsődleges-másodlagos tekercsei, valamint a tekercsek és a föld között léteznek elhelyezkedési kapacitások. Amikor impulzusos feszültséget adjunk a transzformátor elsődleges tekercse és a föld között, a másodlagos oldali elektrostatisztikus impulzusos feszültség a tekercsek és a föld közötti eloszló kapacitásoktól függ, nem pedig a tekercseszámok arányától. A másodlagos tekercs és a föld közötti átvitt feszültség (t2) a következő képlettel számítható: t2 = &t1 (&: átviteli együttható; t1: impulzusos feszültség az elsődleges - föld között).

3 Magas impulzusos feszültségűtudatos egyfázis transzformátorok

Egy erőmű transzformátor feszültségátviteli együtthatója (t2/t1) általában 0,2-0,9 között van; a tesztelt transzformátor esetében 0,25 volt. A transzformátorok normál és országos szabványok szerinti impulzusos feszültségűtudatos tesztelést követnek. Ez a termék (10 kV hálózat, 15 kV-es tesztelés) nem szenvedett semmilyen kárt. Kifejezetten tervezve, a magas impulzusos feszültségűtudatos transzformátor minimalizálja a másodlagos túlfeszültséget, ellenáll a villámlás sokkoló hatásának, blokkolja a zavaró áramokat, és javítja az elektromos teljesítményt. A Vasúti Tudományos Akadémia tesztjei szerint a feszültségátviteli együtthatója ≤ 1/200, ami a sokkoló hullám átadását az elsődlegesről a másodlagosra 1/200-nál alacsonyabbra hozza. Hatékony a villám általi károsodás elleni védelemhez alacsony feszültségű berendezések esetében, feltételezve a megbízható földelést (a villám idején a potenciális különbségek károsíthatják a berendezéseket; a háza földelése kiegyenlítette a potenciálokat, csökkentve az impulzusos feszültséget). A villám általi impulzusos feszültség bejutási útjai a alacsony feszültségű berendezésekbe összetettek (elsődleges/másodlagos/földoldali; egyedül vagy egyszerre). A megbízható földelés kulcsfontosságú.

4 Következtetés

A soros egyfázis transzformátor (olajtartályos, magas impulzusos feszültségűtudatos) a hagyományos olajtartályos szerkezeteket elhagyja, anyagmegtakarítást, könnyebb feldolgozást és vonzó designot nyújtva. Az egyfázis olajbetoltott sorozat (olajtartályos/teljesen zárt) magas villám impulzusos ellenállást, túlfeszültség-csökkentést, másodlagos berendezések védelmét és zajcsökkentést nyújt a villámlás elleni védelemhez. 1990-as évektől kezdve ilyen transzformátorok működtek a vasúti irányítókban (víz-, jelzés- és energiaellátási szakaszokban), kiterjedve a legtöbb állomásra, különösen a villámveszélyes területekre. A viharokban bizonyítottak, alacsony veszteségükkel, anyagmegtakarítással, energiahatékonysággal és megbízhatósággal biztosítják az elektromos berendezések biztonságát. A vasút modernizációja és technológiai fejlődése során ezek a transzformátorok szélesebb körben lesznek használva.