Однофазный трансформатор с высокой стойкостью к импульсам молнии

1 Введение

Для обеспечения безопасной работы железных дорог и снижения риска повреждения систем телекоммуникационного управления железнодорожным транспортом молниями, автор специально исследовал и разработал однофазный последовательный трансформатор с относительно высоким уровнем выдерживаемого импульсного напряжения, модель D10-1.2-30/10. Этот трансформатор оснащен маслосборником и имеет полностью герметичную конструкцию (может также быть спроектирован как сухой в зависимости от фактических потребностей). Эта серия трансформаторов является специализированным устройством для сигнализации управления на железных дорогах и может применяться в малых распределительных сетях промышленных и сельскохозяйственных электросетей, обладая определенной универсальностью.

2 Анализ молний и их опасности
2.1 Физические характеристики молнии

Молния по сути представляет собой непериодическую ударную волну. Передняя часть ее волны быстро поднимается, а затем медленно снижается. Из-за чрезвычайно большой крутизны фронта волны молнии, она может вызвать очень серьезные повреждения электрического оборудования.

2.2 Классификация и причины молний

Молнии в основном делятся на два типа: прямые молнии и индуктивные молнии. Прямая молния - это форма молнии, которая действует непосредственно на линии или оборудование. Хотя степень причиняемого ею вреда крайне велика, фактическая вероятность ее возникновения относительно низка; однако большинство аварий, связанных с повреждением молнией, вызваны индуктивными молниями. Индуктивные молнии подразделяются на электростатические индуктивные молнии и электромагнитные индуктивные молнии: электростатическая индуктивная молния возникает из-за перенапряжения, вызванного электрическим полем грозового облака между воздушной линией и землей; электромагнитная индуктивная молния вызывается перенапряжением, возникающим на линии вследствие эффекта электромагнитной индукции при разряде грозового облака вблизи линии. Однако ее влияние гораздо меньше, чем у электростатической индуктивной молнии.

2.3 Манифестация опасности молний для трансформаторов

В процессе фактической эксплуатации случаи повреждения трансформаторов молниями происходят время от времени. Такие аварии не только вызывают повреждение самого трансформатора, но и через воздействие волны могут повредить вторичное оборудование, что приводит к более широкому диапазону воздействия аварий.

2.4 Механизм повреждения трансформаторов молниевыми волнами

Повреждение трансформаторов молниевыми волнами в основном происходит из-за двух факторов: во-первых, значение импульсного напряжения весьма высоко, достигая максимум 8-12 раз фазного напряжения; во-вторых, молниевая волна вызывает высокую концентрацию электрического поля, что ведет к повреждению изоляционных свойств трансформатора. Под воздействием ударной волны основная изоляция трансформатора может быть повреждена. Это связано с тем, что молниевая волна имеет высокую частоту и крутой фронт, что приводит к тому, что потенциальный градиент в начале обмотки достигает максимального значения, делая продольную изоляцию крайне уязвимой для пробоя.

2.5 Передача напряжения молниевых ударных волн в обмотках трансформатора

Когда молниевая ударная волна действует на первичную обмотку трансформатора, напряжение на обмотке быстро возрастает, что эквивалентно применению высокого напряжения с очень высокой частотой. В этом случае

перенапряжение также будет возникать на вторичной стороне. Из-за наличия электростатической емкостной связи и магнитного поля между первичной и вторичной обмотками,

хотя перенапряжение, возникающее на вторичной стороне, связано с коэффициентом трансформации, это не простое соотношение коэффициента трансформации.

В некоторых конкретных ситуациях это перенапряжение может значительно превышать уровень изоляции вторичной обмотки и электрического оборудования, которое она несет, в конечном итоге приводя к повреждению электрического оборудования, подключенного к вторичной обмотке. Перенапряжение, действующее на вторичной обмотке, состоит из электростатической и электромагнитной составляющих. Электромагнитная составляющая может быть рассчитана по формуле me/n (в формуле, n - коэффициент трансформации, e - напряжение на первичной стороне, m - коэффициент связи, и его приближенное значение равно 1).

Между первичной и вторичной обмотками трансформатора, а также между обмотками и землей существуют паразитные емкости. Когда импульсное напряжение применяется между первичной обмоткой и землей, электростатическое импульсное напряжение на вторичной стороне зависит от распределенных емкостей между обмотками и землей, а не от числа витков. Передаваемое напряжение t₂ между вторичной обмоткой и землей равно t₂ = &t₁ (&: коэффициент передачи напряжения; t₁: импульсное напряжение между первичной обмоткой и землей).

3 Однофазные трансформаторы с высоким уровнем выдерживаемого импульсного напряжения

Коэффициент передачи напряжения силового трансформатора (t₂/t₁) обычно находится в пределах от 0,2 до 0,9; у испытанного трансформатора он составил 0,25.

Трансформаторы проходят испытания на выдерживаемое импульсное напряжение по стандартам напряжения/государственным стандартам. Данный продукт (сеть 10 кВ, испытан на 15 кВ) не получил повреждений. Специально разработанный трансформатор с высоким уровнем выдерживаемого импульсного напряжения минимизирует перенапряжение на вторичной стороне, противостоит ударным волнам молнии, блокирует интерферирующие токи и повышает электрические характеристики. По результатам испытаний Академии железнодорожных наук, коэффициент передачи напряжения ≤ 1/200, что снижает передачу ударной волны от первичной к вторичной стороне ниже 1/200.

Эффективен для защиты низковольтного оборудования от молний, требует надежного заземления (потенциальные различия во время молнии могут повредить оборудование; заземление корпуса выравнивает потенциалы, снижая импульсное напряжение). Пути проникновения импульсного напряжения в низковольтное оборудование сложны (первичная/вторичная/сторона заземления; одновременно или по отдельности). Надежное заземление является ключевым.

4 Заключение

Однофазный последовательный трансформатор (с маслосборником, высоким уровнем выдерживаемого импульсного напряжения) отказывается от традиционных конструкций маслосборников, обеспечивая экономию материалов, легкость обработки и привлекательный дизайн. Однофазные маслонаполненные серии (с маслосборником/полностью герметичные) имеют высокую устойчивость к молниям, снижают перенапряжение, защищают вторичное оборудование и уменьшают шум в линиях питания для защиты от молний.

С 1990-х годов многие такие трансформаторы работают на различных участках железных дорог (гидроэнергетика/сигнал/электроснабжение и т.д.), охватывая большинство станций, особенно в областях, подверженных молниям. Они доказали свою эффективность в условиях гроз, предлагая низкий уровень потерь, экономию материалов, энергоэффективность и надежность, обеспечивая безопасность электрического оборудования. С развитием железнодорожной модернизации и технологического прогресса эти трансформаторы найдут еще более широкое применение.