Jednofazni transformator sa visokom otpornością na impulzne napone od munje

1 Uvod

Da bi se osigurala bezbedna radnja železnica i smanjio rizik od oštećenja sistema za telekomunikacionu kontrolu železnica usled udara munje, autor je posebno istraživao i dizajnirao jednofazni serijalni transformator sa relativno visokim nivoom otpornosti na impulsnog napona, sa modelnim brojem D10 - 1.2 - 30/10. Ovaj transformator je opremljen spremnikom za ulje i koristi potpuno zatvorenu strukturu (može biti takođe dizajniran kao suhi tip prema stvarnim potrebama). Ova serija transformatora predstavlja specifično uređenje za signale kontrole železnica i može se primeniti u manjim scenarijima raspodele električne energije industrijskih i poljoprivrednih mreža, imajući određenu univerzalnost.

2 Analiza munje i njenih opasnosti
2.1 Fizičke karakteristike munje

Munja je u suštini neperiodični talas šoka. Njegov prvi deo brzo raste, a zatim sporije opada. Zbog ekstremno velikog stepena porasta talasa munje, ona može izazvati veoma ozbiljne štete na električnom opremi.

2.2 Klasifikacija i uzroci munje

Munja se uglavnom deli na dva tipa: direktnu munju i induktivnu munju. Direktna munja je oblik munje koji direktno deluje na linije ili opremu. Iako stepen štete koju prouzrokuje jeste izuzetno veliki, stvarna verovatnoća njenog pojavljivanja je relativno niska; međutim, većina nesreća usled oštećenja munjom dovodi se do zbog induktivne munje. Induktivna munja se dalje podeljuje na elektrostatsku induktivnu munju i elektromagnetsku induktivnu munju: Elektrostatska induktivna munja generiše se preko-naponom indukovanim od strane električnog polja olujne oblaka između nadzemne linije i Zemlje; Elektromagnetska induktivna munja nastaje preko-naponom koji se pojavi na liniji usled efekta elektromagnetne indukcije kada se blizina linije olujno oblako isprazni. Međutim, njeno uticajno područje je mnogo manje nego kod elektrostatske induktivne munje.

2.3 Manifestacije opasnosti munje za transformatore

Tokom stvarnog procesa rada, događaji oštećenja transformatora munjom se dešavaju od vremena do vremena. Takve nesreće ne samo što će prouzrokovati oštećenje samog transformatora, već će kroz talasni efekat dovesti do oštećenja sekundarne opreme, čime se proširi područje uticaja greške.

2.4 Mekanizam oštećenja transformatora talasima munje

Oštećenje transformatora talasima munje dolazi uglavnom iz dva faktora: Prvo, vrednost impulsnog napona je vrlo visoka, dostizajući maksimalno 8-12 puta fazni napon; Drugo, talas munje će dovesti do visoko koncentrisanog električnog polja, time oštetivši izolaciona svojstva transformatora. Pod dejstvom talasa šoka, glavna izolacija transformatora može biti oštećena. To je zato što talas munje ima visoku frekvenciju i strm front talasa, što će dovesti do toga da se gradijent potencijala na početku navoja dostigne maksimalnu vrednost, čime se longitudinarna izolacija lako može rušiti.

2.5 Prenos napona talasa šoka munje u navojima transformatora

Kada talas šoka munje deluje na primarni navoj transformatora, napon navoja će brzo rasti, što je ekvivalentno primeni visokog napona sa vrlo visokom frekvencijom. U ovom slučaju,

preko-napon će se takođe generisati na sekundarnoj strani. Zbog postojanja elektrostatske kapacitivne kuple i magnetske kuple između primarnog i sekundarnog navoja,

iako preko-napon generisan na sekundarnoj strani zavisi od omjera transformacije, nije to jednostavan odnos omjera transformacije.

U nekim specifičnim situacijama, ovaj preko-napon može znatno prevaziti nivo izolacije sekundarnog navoja i električne opreme koju nosi, konačno dovodeći do oštećenja električne opreme spojene na sekundarni navoj. Preko-napon koji deluje na sekundarni navoj sastoji se od elektrostatskog i elektromagnetskog komponenta. Elektromagnetski komponent se može izračunati formulom me/n (u formuli, n je omjer transformacije, e je napon na primarnoj strani, m je koeficijent kuple, a približna vrednost je 1).

Stray kapaciteti postoje između primarnog-sekundarnog navoja transformatora i između navoja i tla. Kada se impulsni napon primeni između primarnog navoja i tla, elektrostatski impulsni napon na sekundarnoj strani zavisi od distribuiranih kapaciteta između navoja i tla, a ne od omjera navoja. Prenosni napon t₂ između sekundarnog navoja i

tla je t₂ =&t₁(&: koeficijent prenosa napona; t₁: impulsni napon na primarnom navoju-tlo).

3 Jednofazni transformatori sa visokim nivoom otpornosti na impulsnog napona

Koeficijent prenosa napona snaga transformatora (t₂/t₁) obično varira od 0.2-0.9; testirani transformator je imao 0.25.

Transformatori podvlače testove na otpornost na impulsnog napona po nivou napona/nacionalnim standardima. Ovaj proizvod (mreža od 10 kV, testiran na 15 kV) nije oštećen. Posebno dizajniran, transformator sa visokim nivoom otpornosti na impulsnog napona minimalizira preko-napon na sekundarnoj strani, otupljuje udare munje, blokira interferentne struje i poboljšava električne performanse. Testiran Akademijom železničkih nauka, njegov koeficijent prenosa napona ≤ 1/200, smanjuje prenos talasa šoka sa primarne na sekundarnu stranu ispod 1/200.

Efektivan za zaštitu opreme sa niskim naponom od munje, zahteva pouzdano zemljenje (potencijalne razlike tokom udara munje mogu oštetiti opremu; zemljenje kućišta ravnoteži potencijale, smanjujući impulsni napon). Putovi prenosa impulsnog napona u opremu sa niskim naponom su složeni (primarna/sekundarna/tla strana; pojedinačno ili istovremeno). Pouzdano zemljenje je ključno.

4 Zaključak

Jednofazni serijalni transformator (sa spremnikom za ulje, visokim nivoom otpornosti na impulsnog napona) odbacuje tradicionalne strukture sa spremnikom za ulje, ostvarujući uštedu materijala, lakšu obradu i privlačan dizajn. Jednofazna serija uronjena u ulje (sa spremnikom za ulje/potpuno zatvorena) ima visoku otpornost na impulsnog napona od munje, smanjuje preko-napon, štiti sekundarnu opremu i smanjuje buku na linijama napajanja za zaštitu od munje.

Od 1990-ih godina, mnogi takvi transformatori su funkcionisali u različitim železničkim upravama (hidroelektrane/signali/sekcije napajanja itd.), pokrivajući većinu stanica, posebno one podložne munji. Dokazani u olujama, oni nude niske gubitke, uštedu materijala, energetske učinkovitost i pouzdanost, osiguravajući bezbednost električne opreme. Sa modernizacijom železnica i tehničkim napretkom, ovi transformatori će imati šire primene.