Jednofazowy transformator o wysokiej wytrzymałości na impulsy błyskawiczne

1 Wprowadzenie

Aby zapewnić bezpieczne działanie kolei i zmniejszyć ryzyko uszkodzeń systemów telekomunikacyjnych sterowania koleją przez pioruny, autor specjalnie opracował i zaprojektował jednofazowy transformator szeregowy o stosunkowo wysokim poziomie wytrzymałości na impulsowe napięcia przepadowe, o modelu D10-1.2-30/10. Ten transformator wyposażony jest w zbiornik oleju i posiada całkowicie szczelny konstrukcyjnie (może być również zaprojektowany jako struktura sucha zgodnie z rzeczywistymi potrzebami). Ta seria transformatorów to specjalizowane urządzenie dla sygnałów sterujących koleją, może również być stosowana w małych scenariuszach dystrybucji energii w sieciach przemysłowych i rolniczych, mając pewien stopień uniwersalności.

2 Analiza piorunów i ich zagrożeń
2.1 Fizyczne cechy piorunów

Piorun to zasadniczo nieokresowa fala uderzeniowa. Przednia część tej fali wzrasta bardzo szybko, a następnie powoli maleje. Dzięki ekstremalnie dużej stromości narastania fali piorunowej, może ona powodować bardzo poważne szkody w sprzęcie elektrycznym.

2.2 Klasyfikacja i przyczyny piorunów

Pioruny dzielą się głównie na dwa typy: piorun bezpośredni i indukcyjny. Piorun bezpośredni to forma piorunu, która bezpośrednio działa na linie lub urządzenia. Chociaż stopień szkód, jakie powoduje, jest ekstremalnie duży, rzeczywista prawdopodobieństwo jego wystąpienia jest stosunkowo niskie; jednak większość wypadków uszkodzeń spowodowanych piorunami jest wynikiem piorunów indukcyjnych. Pioruny indukcyjne są dalej podzielone na pioruny indukcyjne elektrostatyczne i elektromagnetyczne: pioruny indukcyjne elektrostatyczne powstają w wyniku nadnapięcia indukowanego przez pole elektryczne chmury gradowej między linią powietrzną a ziemią; pioruny indukcyjne elektromagnetyczne są spowodowane przez nadnapięcie pojawiające się na linii w wyniku efektu indukcji elektromagnetycznej, gdy chmura gradowa w pobliżu linii rozładowuje się. Jednak ich wpływ jest znacznie mniejszy niż w przypadku piorunów indukcyjnych elektrostatycznych.

2.3 Objawy zagrożeń piorunów dla transformatorów

W trakcie rzeczywistego procesu eksploatacji, wypadki uszkodzeń transformatorów spowodowanych uderzeniami piorunów zdarzają się od czasu do czasu. Takie wypadki nie tylko powodują uszkodzenia samego transformatora, ale także powodują uszkodzenia drugiego sprzętu poprzez efekt uderzeniowy, prowadząc do szerszego zakresu wpływu awarii.

2.4 Mechanizm uszkodzeń transformatorów przez fale piorunowe

Uszkodzenia transformatorów przez fale piorunowe biorą się głównie z dwóch czynników: Po pierwsze, wartość impulsowego napięcia przepadowego jest bardzo wysoka, osiągając maksymalnie 8-12 razy napięcie fazowe; Po drugie, fala piorunowa powoduje wysokie skupienie pola elektrycznego, co prowadzi do uszkodzenia właściwości izolacji transformatora. Pod wpływem fali uderzeniowej główna izolacja transformatora może zostać uszkodzona. Jest to spowodowane tym, że fala piorunowa ma wysoką częstotliwość i stromą frontową falę, co sprawia, że gradient potencjału na początku cewki osiąga wartość maksymalną, co sprawia, że izolacja podłużna jest极易损坏。在冲击波的作用下，绕组起始部分的电位梯度将达到最大值，使得纵向绝缘极其容易被击穿。 抱歉，我注意到最后一句不小心用中文输出了。以下是完整的波兰语翻译：

co sprawia, że gradient potencjału na początku cewki osiąga wartość maksymalną, co sprawia, że izolacja podłużna jest bardzo łatwo przebijana.

2.5 Przekazywanie napięcia impulsu piorunowego w cewkach transformatora

Gdy impuls piorunowy działa na pierwotną cewkę transformatora, napięcie cewki wzrasta bardzo szybko, co jest równoznaczne z zastosowaniem bardzo wysokiego napięcia o bardzo wysokiej częstotliwości. W takim przypadku,

na stronie wtórnej powstanie również nadnapięcie. Ze względu na istnienie sprzężenia pojemnościowego i magnetycznego między cewką pierwotną a wtórną,

chociaż nadnapięcie powstające na stronie wtórnej jest związane z współczynnikiem przekształcenia, nie jest to proste stosunek współczynnika przekształcenia.

W niektórych określonych sytuacjach to nadnapięcie może znacznie przekroczyć poziom izolacji cewki wtórnej i sprzętu elektrycznego, do którego jest podłączona, co ostatecznie prowadzi do uszkodzenia sprzętu elektrycznego podłączonego do cewki wtórnej. Nadnapięcie działające na cewkę wtórną składa się zarówno z komponentu elektrostatycznego, jak i elektromagnetycznego. Komponent elektromagnetyczny można obliczyć za pomocą wzoru me/n (w wzorze, n to współczynnik przekształcenia, e to napięcie na stronie pierwotnej, m to współczynnik sprzężenia, przybliżona wartość to 1).

Między cewką pierwotną a wtórną oraz między cewkami a ziemią istnieją rozproszone pojemności. Gdy impulsowe napięcie jest zastosowane między cewką pierwotną a ziemią, elektrostatyczne impulsowe napięcie na stronie wtórnej zależy od rozłożonych pojemności między cewkami a ziemią, a nie od stosunku liczby zwitków. Napięcie przekazane t₂ między cewką wtórną a

ziemią wynosi t₂ = &t₁ (&: współczynnik przekazu napięcia; t₁: impulsowe napięcie między pierwotną cewką a ziemią).

3 Jednofazowe transformatory o wysokim poziomie wytrzymałości na impulsowe napięcia przepadowe

Współczynnik przekazu napięcia transformatora (t₂/t₁) zwykle mieści się w zakresie 0.2-0.9; przetestowany transformator miał 0.25.

Transformatory podlegają testom wytrzymałości na impulsowe napięcia przepadowe według poziomów napięcia/standardów krajowych. Ten produkt (sieć 10 kV, przetestowany przy 15 kV) nie doznał uszkodzeń. Specjalnie zaprojektowany, transformator o wysokim poziomie wytrzymałości na impulsowe napięcia przepadowe minimalizuje nadnapięcia wtórne, odpiera uderzenia piorunowe, blokuje prądy zakłócające i poprawia wydajność elektryczną. Przetestowany przez Akademię Nauk Kolejowych, jego współczynnik przekazu napięcia ≤ 1/200, redukując przekazywanie fali uderzeniowej z pierwotnej do wtórnej poniżej 1/200.

Skuteczny w ochronie sprzętu niskonapiętnego przed piorunami, wymaga niezawodnego ziemienia (różnice potencjałów podczas piorunów mogą uszkodzić sprzęt; ziemienie obudowy balansuje potencjały, zmniejszając impulsowe napięcia). Ścieżki intruzji impulsowych napięć do sprzętu niskonapiętnego są złożone (strona pierwotna/wtóra/ziemia; pojedynczo lub jednocześnie). Niezawodne ziemienie jest kluczowe.

4 Podsumowanie

Jednofazowy szeregowy transformator (z zbiornikiem oleju, wysokim poziomem wytrzymałości na impulsowe napięcia przepadowe) porzuca tradycyjne konstrukcje z zbiornikami oleju, osiągając oszczędność materiałów, łatwą obróbkę i atrakcyjny design. Jednofazowy szeregowy transformator zanurzany w oleju (z zbiornikiem oleju/całkowicie szczelny) ma wysoką oporność na impulsy piorunowe, redukuje nadnapięcia, chroni sprzęt wtórny i zmniejsza zakłócenia w linii energetycznej dla ochrony przed piorunami.

Od lat 90. wiele takich transformatorów działa w różnych zarządach kolejowych (działy hydroenergetyczne/sygnały/dostawa energii itp.), obejmując większość stacji, szczególnie w obszarach podatnych na pioruny. Udowodnione w burzach, oferują niskie straty, oszczędność materiałów, efektywność energetyczną i niezawodność, zapewniając bezpieczeństwo sprzętu elektrycznego. Wraz z modernizacją kolei i postępem technologicznym te transformatory znajdą jeszcze szersze zastosowanie.