หม้อแปลงไฟฟ้าเฟสเดียวที่มีความสามารถในการทนต่อแรงดันฟ้าผ่าสูง

1 บทนำ

เพื่อให้แน่ใจว่าการดำเนินงานของรถไฟเป็นไปอย่างปลอดภัยและลดความเสี่ยงจากการทำลายระบบควบคุมสัญญาณโทรคมนาคมของรถไฟโดยฟ้าผ่า ผู้เขียนได้ทำการวิจัยและออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าแบบชุดเดียวที่มีระดับความต้านทานแรงดันกระแทกสูง โดยมีหมายเลขรุ่น D10 - 1.2 - 30/10 หม้อแปลงนี้มาพร้อมกับถังเก็บน้ำมันและใช้โครงสร้างปิดสนิท (สามารถออกแบบเป็นโครงสร้างแบบแห้งตามความต้องการจริง) หม้อแปลงชุดนี้เป็นอุปกรณ์พิเศษสำหรับสัญญาณควบคุมรถไฟและสามารถนำไปใช้ในสถานการณ์การกระจายพลังงานขนาดเล็กของระบบไฟฟ้าทางอุตสาหกรรมและเกษตรกรรม มีความหลากหลายในการใช้งานบางส่วน

2 การวิเคราะห์ฟ้าผ่าและความเสี่ยง
2.1 ลักษณะทางกายภาพของฟ้าผ่า

ฟ้าผ่าเป็นคลื่นกระแทกที่ไม่เป็นวงจร หน้าคลื่นของฟ้าผ่าจะขึ้นสูงอย่างรวดเร็วแล้วลดลงอย่างช้าๆ เนื่องจากความชันของการขึ้นสูงของคลื่นฟ้าผ่าที่สูงมาก ทำให้สามารถก่อให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงต่ออุปกรณ์ไฟฟ้า

2.2 การจำแนกและสาเหตุของฟ้าผ่า

ฟ้าผ่าแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก คือ ฟ้าผ่าตรงและฟ้าผ่าเหนี่ยวนำ ฟ้าผ่าตรงคือรูปแบบของฟ้าผ่าที่กระทำโดยตรงกับสายหรืออุปกรณ์ แม้ว่าความเสียหายที่เกิดขึ้นจะรุนแรงมาก แต่ความน่าจะเป็นที่เกิดขึ้นจริงค่อนข้างต่ำ ในขณะที่อุบัติเหตุส่วนใหญ่ที่เกิดจากฟ้าผ่าเป็นผลมาจากฟ้าผ่าเหนี่ยวนำ ฟ้าผ่าเหนี่ยวนำแบ่งออกเป็นฟ้าผ่าเหนี่ยวนำสถิตและฟ้าผ่าเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า: ฟ้าผ่าเหนี่ยวนำสถิตเกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่เกินเกิดจากสนามไฟฟ้าของเมฆฟ้าผ่าระหว่างสายอากาศและพื้นดิน; ฟ้าผ่าเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่เกินบนสายเนื่องจากผลของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อมีการปล่อยประจุจากเมฆฟ้าผ่าใกล้กับสาย แต่ผลกระทบของฟ้าผ่าเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ามีน้อยกว่าฟ้าผ่าเหนี่ยวนำสถิต

2.3 การแสดงออกของอันตรายจากฟ้าผ่าต่อหม้อแปลง

ในกระบวนการดำเนินงานจริง อุบัติเหตุที่หม้อแปลงถูกทำลายโดยฟ้าผ่าเกิดขึ้นอยู่บ่อยครั้ง อุบัติเหตุเหล่านี้ไม่เพียงแค่ทำให้หม้อแปลงเองเสียหายเท่านั้น แต่ยังทำให้อุปกรณ์รองเสียหายผ่านผลกระทบของคลื่นกระแทก ทำให้เกิดผลกระทบจากข้อผิดพลาดที่กว้างขวางขึ้น

2.4 กลไกการทำลายหม้อแปลงโดยคลื่นฟ้าผ่า

การทำลายหม้อแปลงโดยคลื่นฟ้าผ่ามาจากรูปแบบสองปัจจัย: แรก ค่าแรงดันไฟฟ้ากระแทกสูงมาก ถึงสูงสุด 8-12 เท่าของแรงดันเฟส; สอง คลื่นฟ้าผ่าจะทำให้สนามไฟฟ้ามีความเข้มข้นสูง ทำให้สมรรถนะฉนวนของหม้อแปลงเสียหาย เมื่อได้รับแรงกระแทก ฉนวนหลักของหม้อแปลงอาจเสียหาย นี่เป็นเพราะคลื่นฟ้าผามีความถี่สูงและหน้าคลื่นที่ชัน ทำให้ความลาดชันศักย์ที่เริ่มต้นของขดลวดสูงสุด ทำให้ฉนวนแนวตั้งง่ายต่อการแตกหัก

2.5 การส่งผ่านแรงดันไฟฟ้าของคลื่นฟ้าผ่าในขดลวดหม้อแปลง

เมื่อคลื่นฟ้าผ่ากระทำกับขดลวดหลักของหม้อแปลง แรงดันของขดลวดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเทียบเท่ากับการใช้แรงดันสูงที่มีความถี่สูง ในกรณีนี้ จะเกิดแรงดันเกินขึ้นบนข้างรองด้วย ด้วยการคู่จับของความจุไฟฟ้าสถิตและสนามแม่เหล็กระหว่างขดลวดหลักและขดลวดรอง แรงดันเกินที่เกิดขึ้นบนข้างรองมีความสัมพันธ์กับอัตราส่วนการแปลง แต่ไม่ได้เป็นความสัมพันธ์อัตราส่วนการแปลงอย่างง่าย ในบางสถานการณ์เฉพาะ แรงดันเกินนี้อาจสูงกว่าระดับฉนวนของขดลวดรองและอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มันบรรทุก ส่งผลให้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับขดลวดรองเสียหาย แรงดันเกินที่กระทำกับขดลวดรองประกอบด้วยส่วนสถิตและส่วนแม่เหล็กไฟฟ้า ส่วนแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถคำนวณได้ด้วยสูตร me/n (ในสูตร n คืออัตราส่วนการแปลง e คือแรงดันบนข้างหลัก m คือสัมประสิทธิ์การคู่จับ และค่าประมาณคือ 1)

ความจุไฟฟ้ากระจัดกระจายระหว่างขดลวดหลักและขดลวดรองของหม้อแปลงและระหว่างขดลวดและพื้นดิน เมื่อมีแรงดันกระแทกถูกนำไปใช้ระหว่างขดลวดหลักและพื้นดิน แรงดันกระแทกสถิตบนข้างรองขึ้นอยู่กับความจุไฟฟ้าที่กระจายระหว่างขดลวดและพื้นดิน ไม่ใช่อัตราส่วนการแปลง แรงดันที่ถ่ายทอด t₂ ระหว่างขดลวดรองและพื้นดินคือ t₂ =&t₁ (&: สัมประสิทธิ์การถ่ายทอดแรงดัน; t₁: แรงดันกระแทกบนข้างหลัก-พื้นดิน)

3 หม้อแปลงเฟสเดียวที่มีระดับความต้านทานแรงดันกระแทกสูง

สัมประสิทธิ์การถ่ายทอดแรงดันของหม้อแปลงไฟฟ้า (t₂/t₁) มักอยู่ในช่วง 0.2-0.9; หม้อแปลงที่ทดสอบมี 0.25 หม้อแปลงที่ได้รับการทดสอบตามระดับแรงดัน/มาตรฐานประเทศ ไม่มีความเสียหาย (ระบบไฟฟ้า 10 kV ทดสอบที่ 15 kV) หม้อแปลงที่ทนทานต่อแรงดันกระแทกสูงได้รับการออกแบบพิเศษเพื่อลดแรงดันเกินข้างรอง ต้านทานแรงกระแทกฟ้าผ่า ป้องกันกระแสรบกวน และเพิ่มสมรรถนะไฟฟ้า ทดสอบโดยสถาบันวิทยาศาสตร์รถไฟ พบว่าสัมประสิทธิ์การถ่ายทอดแรงดัน <= 1/200 ลดการถ่ายทอดคลื่นกระแทกจากข้างหลักไปยังข้างรองต่ำกว่า 1/200 สำหรับการป้องกันอุปกรณ์แรงดันต่ำจากฟ้าผ่า จำเป็นต้องมีการต่อพื้นที่เชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ (ความต่างศักย์ระหว่างฟ้าผ่าสามารถทำลายอุปกรณ์ได้ การต่อพื้นที่เชื่อมต่อเปลือกจะช่วยปรับสมดุลศักย์และลดแรงดันกระแทก) ทางเข้าของแรงดันกระแทกเข้าสู่อุปกรณ์แรงดันต่ำมีความซับซ้อน (ข้างหลัก/ข้างรอง/ข้างพื้นดิน; ทางเดียวหรือพร้อมกัน) การต่อพื้นที่เชื่อมต่อที่เชื่อถือได้เป็นสิ่งสำคัญ

4 สรุป

หม้อแปลงชุดเดียว (พร้อมถังเก็บน้ำมัน ทนทานต่อแรงดันกระแทกสูง) ละทิ้งโครงสร้างถังเก็บน้ำมันแบบดั้งเดิม ทำให้ประหยัดวัสดุ แปรรูปง่าย และมีการออกแบบที่สวยงาม หม้อแปลงชุดเดียวแบบแช่น้ำมัน (พร้อมถังเก็บน้ำมัน/ปิดสนิท) มีความต้านทานต่อแรงดันกระแทกฟ้าผ่าสูง ลดแรงดันเกิน ปกป้องอุปกรณ์รอง และลดเสียงรบกวนในสายไฟสำหรับการป้องกันฟ้าผ่าต่อระบบไฟฟ้า ตั้งแต่ปี 1990 เป็นต้นมา หม้อแปลงจำนวนมากได้ทำงานในสำนักงานรถไฟต่างๆ (แผนกพลังงานน้ำ/สัญญาณ/ระบบจ่ายไฟ ฯลฯ) ครอบคลุมสถานีรถไฟส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่าบ่อย ได้รับการพิสูจน์ในสภาพอากาศฟ้าผ่า ให้ความสูญเสียต่ำ ประหยัดวัสดุ ประหยัดพลังงาน และเชื่อถือได้ รับประกันความปลอดภัยของอุปกรณ์ไฟฟ้า ด้วยการทันสมัยของรถไฟและการพัฒนาเทคโนโลยี หม้อแปลงเหล่านี้จะได้รับการใช้งานอย่างกว้างขวางมากขึ้น