Trasformatore Monofase con Alta Capacità di Resistenza a Impulsi Fulminei
1 Introduzione
Per garantire il funzionamento sicuro delle ferrovie e ridurre il rischio di danni da fulmini ai sistemi di controllo della telefonia ferroviaria, l'autore ha studiato e progettato un trasformatore monofase in serie con un livello relativamente elevato di resistenza alla tensione d'impulso, con numero di modello D10 - 1.2 - 30/10. Questo trasformatore è dotato di serbatoio dell'olio e adotta una struttura completamente sigillata (può anche essere progettato come struttura a secco in base alle esigenze effettive). Questa serie di trasformatori è un dispositivo speciale per i segnali di controllo ferroviario e può essere applicata anche in scenari di piccola distribuzione di energia elettrica per reti industriali e agricole, avendo una certa versatilità.
2 Analisi del fulmine e dei suoi pericoli
2.1 Caratteristiche fisiche del fulmine
Il fulmine è essenzialmente un'onda d'urto non periodica. La parte anteriore della sua onda si alza molto rapidamente e poi diminuisce lentamente. A causa della grande pendenza ascendente dell'onda del fulmine, può causare danni molto gravi agli apparecchi elettrici.
2.2 Classificazione e cause del fulmine
Il fulmine è principalmente diviso in due tipi: fulmine diretto e fulmine indotto. Il fulmine diretto è una forma di fulmine che agisce direttamente su linee o apparecchiature. Anche se il grado di danno che causa è estremamente grande, la probabilità effettiva di verificarsi è relativamente bassa; tuttavia, la maggior parte degli incidenti di danni da fulmine sono causati dal fulmine indotto. Il fulmine indotto è ulteriormente suddiviso in fulmine indotto elettrostatico e fulmine indotto elettromagnetico: il fulmine indotto elettrostatico è generato dalla sovratensione indotta dal campo elettrico del nuvolo temporalesco tra la linea aerea e la terra; il fulmine indotto elettromagnetico è causato dalla sovratensione che appare sulla linea a causa dell'effetto di induzione elettromagnetica quando il nuvolo temporalesco vicino alla linea scarica. Tuttavia, il suo impatto è molto inferiore a quello del fulmine indotto elettrostatico.
2.3 Manifestazioni di pericolo del fulmine sui trasformatori
Durante il processo di operazione effettivo, gli incidenti di trasformatori danneggiati da colpi di fulmine si verificano di tanto in tanto. Tali incidenti non solo causeranno danni al trasformatore stesso, ma anche danni all'equipaggiamento secondario attraverso l'effetto d'urto, portando a un impatto di guasto su una scala più ampia.
2.4 Meccanismo di danneggiamento del trasformatore da onde di fulmine
Il danneggiamento dei trasformatori da onde di fulmine proviene principalmente da due fattori: primo, il valore di tensione d'impulso è piuttosto alto, raggiungendo un massimo di 8-12 volte la tensione di fase; secondo, l'onda di fulmine causerà una concentrazione elevata del campo elettrico, danneggiando così le prestazioni isolanti del trasformatore. Sotto l'azione dell'onda d'urto, l'isolamento principale del trasformatore potrebbe essere danneggiato. Questo perché l'onda di fulmine ha una frequenza elevata e un fronte d'onda ripido, che farà sì che il gradiente di potenziale all'inizio dell'avvolgimento raggiunga il valore massimo, rendendo l'isolamento longitudinale estremamente facile da rompersi.
2.5 Trasmissione di tensione dell'onda d'urto del fulmine negli avvolgimenti del trasformatore
Quando un'onda d'urto di fulmine agisce sull'avvolgimento primario di un trasformatore, la tensione dell'avvolgimento aumenterà rapidamente, equivalente all'applicazione di una tensione elevata con una frequenza molto alta. In questo caso,
si genererà anche una sovratensione sul lato secondario. A causa dell'esistenza di accoppiamento capacitivo elettrico e magnetico tra gli avvolgimenti primario e secondario,
anche se la sovratensione generata sul lato secondario è correlata al rapporto di trasformazione, non è una semplice relazione di rapporto di trasformazione.
In alcune situazioni specifiche, questa sovratensione potrebbe superare notevolmente il livello di isolamento dell'avvolgimento secondario e delle attrezzature elettriche a esso connesse, portando infine al danneggiamento delle attrezzature elettriche collegate all'avvolgimento secondario. La sovratensione che agisce sull'avvolgimento secondario è composta da una componente elettrostatica e una componente elettromagnetica. La componente elettromagnetica può essere calcolata dalla formula me/n (nella formula, n è il rapporto di trasformazione, e è la tensione sul lato primario, m è il coefficiente di accoppiamento, e il valore approssimativo è 1).
Esistono capacità parassite tra gli avvolgimenti primario-secondario di un trasformatore e tra gli avvolgimenti e la terra. Quando viene applicata una tensione d'impulso tra l'avvolgimento primario e la terra, la tensione d'impulso elettrostatica sul lato secondario dipende dalle capacità distribuite tra gli avvolgimenti e la terra, non dal rapporto di spire. La tensione di trasferimento t2 tra l'avvolgimento secondario e
la terra è t2 =&t1 (&: coefficiente di trasferimento/tensione di trasferimento; t1: tensione d'impulso primario-terra).
3 Trasformatori monofase con elevato livello di resistenza alla tensione d'impulso
Il coefficiente di trasferimento di tensione di un trasformatore (t2/t1) solitamente varia da 0,2 a 0,9; un trasformatore testato aveva 0,25.
I trasformatori subiscono prove di resistenza alla tensione d'impulso lampo nominali in base ai livelli di tensione/standard nazionali. Questo prodotto (rete a 10 kV, testato a 15 kV) non ha subito danni. Progettato in modo specifico, il trasformatore con elevata resistenza alla tensione d'impulso minimizza la sovratensione secondaria, resiste agli shock lampo, blocca le correnti interferenti e migliora le prestazioni elettriche. Testato dall'Accademia delle Scienze Ferroviarie, il suo coefficiente di trasferimento di tensione ≤ 1/200, riducendo la trasmissione dell'onda d'urto dal primario al secondario sotto 1/200.
Efficiente per proteggere le attrezzature a bassa tensione dai fulmini, richiede un collegamento a terra affidabile (le differenze di potenziale durante i fulmini possono danneggiare le attrezzature; il collegamento a terra della carcassa bilancia i potenziali, riducendo la tensione d'impulso). I percorsi di intrusione della tensione d'impulso nelle attrezzature a bassa tensione sono complessi (lato primario/secondario/terra; singolo o simultaneo). Un collegamento a terra affidabile è fondamentale.
4 Conclusione
Il trasformatore monofase in serie (con serbatoio dell'olio, elevata resistenza alla tensione d'impulso) abbandona le strutture tradizionali del serbatoio dell'olio, ottenendo risparmio di materiali, facilità di lavorazione e design attraente. La serie monofase a immersione in olio (con serbatoio dell'olio/completamente sigillata) ha un'elevata resistenza agli impulsi lampo, riduce la sovratensione, protegge l'attrezzatura secondaria e riduce il rumore delle linee di alimentazione per la protezione contro i fulmini.
Dagli anni '90, molti di questi trasformatori sono stati utilizzati in vari uffici ferroviari (sezioni idroelettriche/segnalamento/alimentazione elettrica, ecc.), coprendo la maggior parte delle stazioni, specialmente nelle aree soggette a fulmini. Provati nei temporali, offrono bassa perdita, risparmio di materiali, efficienza energetica e affidabilità, garantendo la sicurezza delle attrezzature elettriche. Con la modernizzazione ferroviaria e il progresso tecnologico, questi trasformatori troveranno un uso più ampio.
