Transformador Monofásico com Alta Capacidade de Resistência a Impulsos de Raio

1 Introdução

Para garantir a operação segura das ferrovias e reduzir o risco de danos por raios aos sistemas de controle de telecomunicações ferroviários, o autor pesquisou e projetou especialmente um transformador monofásico em série com um nível relativamente alto de resistência a tensões de impulso, com o número do modelo D10 - 1.2 - 30/10. Este transformador está equipado com um conservador de óleo e adota uma estrutura totalmente selada (também pode ser projetado como uma estrutura seca de acordo com as necessidades reais). Esta série de transformadores é um dispositivo especial para sinais de controle ferroviário e também pode ser aplicada em cenários de distribuição de energia em pequena escala de redes elétricas industriais e agrícolas, tendo um certo grau de versatilidade.

2 Análise dos Raios e Seus Perigos
2.1 Características Físicas dos Raios

O raio é essencialmente uma onda de choque não periódica. A parte frontal da onda sobe muito rapidamente e depois diminui lentamente. Devido à elevada inclinação de subida da onda de raio, pode causar danos muito graves ao equipamento elétrico.

2.2 Classificação e Causas dos Raios

Os raios são principalmente divididos em dois tipos: raio direto e raio indutivo. O raio direto é uma forma de raio que atua diretamente nas linhas ou no equipamento. Embora o grau de dano causado seja extremamente grande, a probabilidade real de ocorrência é relativamente baixa; no entanto, a maioria dos acidentes de danos por raios é causada pelo raio indutivo. O raio indutivo é subdividido ainda em raio indutivo eletrostático e raio indutivo eletromagnético: o raio indutivo eletrostático é gerado pela sobretensão induzida pelo campo elétrico da nuvem de trovão entre a linha aérea e a terra; o raio indutivo eletromagnético é causado pela sobretensão que aparece na linha devido ao efeito de indução eletromagnética quando a nuvem de trovão próxima à linha descarrega. No entanto, seu impacto é muito menor do que o do raio indutivo eletrostático.

2.3 Manifestações de Perigo dos Raios nos Transformadores

Durante o processo de operação real, ocorrem frequentemente acidentes de danos a transformadores por raios. Tais acidentes não apenas causam danos ao próprio transformador, mas também danificam o equipamento secundário através do efeito de onda de choque, levando a um impacto de falha mais amplo.

2.4 Mecanismo de Dano aos Transformadores pelas Ondas de Raio

O dano aos transformadores pelas ondas de raio provém principalmente de dois fatores: primeiro, o valor de tensão de impulso é bastante alto, podendo chegar a 8-12 vezes a tensão de fase; segundo, a onda de raio causará uma alta concentração do campo elétrico, danificando assim o desempenho de isolamento do transformador. Sob a ação da onda de choque, o isolamento principal do transformador pode ser danificado. Isso ocorre porque a onda de raio tem alta frequência e frente de onda íngreme, o que fará com que o gradiente de potencial no início do enrolamento atinja o valor máximo, tornando o isolamento longitudinal extremamente suscetível a rupturas.

2.5 Transmissão de Tensão das Ondas de Choque de Raios nos Enrolamentos do Transformador

Quando uma onda de choque de raio atua no enrolamento primário de um transformador, a tensão do enrolamento aumentará rapidamente, o que é equivalente a aplicar uma tensão muito alta de alta frequência. Nesse caso,

também será gerada uma sobretensão no lado secundário. Devido à existência de acoplamento capacitivo eletrostático e acoplamento magnético entre os enrolamentos primário e secundário,

embora a sobretensão gerada no lado secundário esteja relacionada à razão de transformação, não é uma relação simples de razão de transformação.

Em algumas situações específicas, esta sobretensão pode superar muito o nível de isolamento do enrolamento secundário e do equipamento elétrico que ele carrega, eventualmente levando ao dano do equipamento elétrico conectado ao enrolamento secundário. A sobretensão que atua no enrolamento secundário é composta tanto por uma componente eletrostática quanto por uma componente eletromagnética. A componente eletromagnética pode ser calculada pela fórmula me/n (na fórmula, n é a razão de transformação, e é a tensão no lado primário, m é o coeficiente de acoplamento, e o valor aproximado é 1).

Existem capacitâncias parasitas entre os enrolamentos primário e secundário de um transformador e entre os enrolamentos e o solo. Quando uma tensão de impulso é aplicada entre o enrolamento primário e o solo, a tensão de impulso eletrostática no lado secundário depende das capacitâncias distribuídas entre os enrolamentos e o solo, não da razão de espiras. A tensão de transferência t₂ entre o enrolamento secundário e

o solo é t₂ =&t₁ (&: coeficiente de transferência de tensão; t₁: tensão de impulso primário-solo).

3 Transformadores Monofásicos com Alto Nível de Resistência a Tensões de Impulso

O coeficiente de transferência de tensão de um transformador de potência (t₂/t₁) geralmente varia de 0,2 a 0,9; um transformador testado teve 0,25.

Os transformadores passam por testes de resistência a tensões de impulso nominal de raio conforme níveis de tensão/padrões nacionais. Este produto (rede de 10 kV, testado a 15 kV) não sofreu danos. Projetado de forma especial, o transformador de alta resistência a tensões de impulso minimiza a sobretensão secundária, resiste a choques de raios, bloqueia correntes de interferência e melhora o desempenho elétrico. Testado pela Academia de Ciências Ferroviárias, seu coeficiente de transferência de tensão ≤ 1/200, reduzindo a transmissão de ondas de choque do primário ao secundário abaixo de 1/200.

Efetivo para proteger o equipamento de baixa tensão contra raios, requer aterramento confiável (diferenças de potencial durante raios podem danificar o equipamento; aterrar a carcaça equilibra os potenciais, reduzindo a tensão de impulso). As vias de intrusão de tensão de impulso no equipamento de baixa tensão são complexas (lado primário/secundário/solo; individual ou simultânea). O aterramento confiável é fundamental.

4 Conclusão

O transformador monofásico em série (com conservador de óleo, alta resistência a tensões de impulso) abandona as estruturas tradicionais de conservador de óleo, alcançando economia de material, fácil processamento e design atraente. A série monofásica de imersão em óleo (com conservador de óleo/totamente selado) possui alta resistência a impulsos de raio, reduz a sobretensão, protege o equipamento secundário e reduz o ruído de linha para proteção contra raios na alimentação de energia.

Desde a década de 1990, muitos desses transformadores têm operado em várias administrações ferroviárias (seções de hidrelétrica/sinalização/energia, etc.), cobrindo a maioria das estações, especialmente áreas propensas a raios. Comprovados em tempestades, oferecem baixa perda, economia de materiais, eficiência energética e confiabilidade, garantindo a segurança do equipamento elétrico. Com a modernização ferroviária e o progresso tecnológico, esses transformadores terão uso mais amplo.