Tek Fazlı Yüksek Yıldırım Darbesi Dayanıklılığına Sahip Tranformator

1 Giriş

Demiryollarının güvenli işletilmesini sağlamak ve demiryolu telekomunikasyon kontrol sistemlerine yıldırım zararlarının riskini azaltmak için, yazar özel olarak yüksek ani voltaj dayanım düzeyine sahip tek fazlı seri transformatör üzerinde araştırma yapmış ve D10 - 1.2 - 30/10 model numaralı bir tasarımda bulunmuştur. Bu transformatör yağ rezervuarı ile donatılmış olup tamamen kapalı bir yapıya sahiptir (gerçek ihtiyaçlara göre kurutma tipi yapıda da tasarlanabilir). Bu seri transformatör, demiryolu kontrol sinyalleri için özel amaçlı bir cihazdır ve aynı zamanda endüstriyel ve tarımsal elektrik ağlarının küçük ölçekli dağıtım senaryolarında da kullanılabilir, belirli bir ölçüde çok yönlülüğüne sahiptir.

2 Yıldırımın Analizi ve Tehlikeleri
2.1 Yıldırımın Fiziksel Özellikleri

Yıldırım esasen periyodik olmayan bir şok dalgasıdır. Dalga ön kısmında hızla yükseliyor ve sonra yavaşça azalıyor. Yıldırım dalgasının yükseliş eğimi son derece büyük olması nedeniyle, elektrik ekipmanlarına çok ciddi zararlar verebilir.

2.2 Yıldırımın Sınıflandırılması ve Nedenleri

Yıldırım genellikle iki ana tipe ayrılır: doğrudan yıldırım ve indüktif yıldırım. Doğrudan yıldırım, hatlar veya ekipmanlara doğrudan etki eden bir yıldırım formudur. Oluşumunun gerçek olasılığı oldukça düşük olsa da, neden olduğu zararın derecesi son derece büyüktür; ancak, çoğu yıldırım zarar olayı indüktif yıldırım tarafından neden olmaktadır. Indüktif yıldırım, elektrostatik indüktif yıldırım ve elektromanyetik indüktif yıldırım olarak daha da alt sınıflara ayrılır: Elektrostatik indüktif yıldırım, hava hatları ile yer arasında bulut elektrik alanının oluşturduğu aşırı gerilimden kaynaklanır; Elektromanyetik indüktif yıldırım, hattın yakınındaki bulutların manyetik indüksiyon etkisiyle hattada oluşan aşırı gerilimden kaynaklanır. Ancak, bu etkinin elektrostatik indüktif yıldırım etkisinden çok daha düşük olmasıdır.

2.3 Yıldırımın Transformatörlere Zarar Etkileri

Gerçek işletim sürecinde, yıldırım darbeleri sonucu transformatörlerin hasar görmesi sık görülen bir olaydır. Bu tür olaylar, sadece transformatörün kendisine zarar vermekle kalmaz, aynı zamanda dalga etkisi aracılığıyla ikincil ekipmanlara da zarar vererek daha geniş bir hata etkisi ortaya çıkarır.

2.4 Yıldırım Dalgalarının Transformatörlere Zarar Verme Mekanizması

Yıldırım dalgalarının transformatörlere zarar vermesi çoğunlukla iki faktöre bağlıdır: İlk olarak, ani voltaj değeri oldukça yüksektir, faz voltajının en fazla 8-12 katına ulaşabilir; İkinci olarak, yıldırım dalgası, transformatörün yalıtım performansını bozacak şekilde elektrik alanını yoğunlaştırır. Şok dalgası etkisi altında, transformatörün ana yalıtımı hasar gösterebilir. Bu, yıldırım dalgasının yüksek frekansta ve dik dalga önünün olması nedeniyledir, bu da sarımın başındaki potansiyel gradyanın maksimum değerine ulaşmasına neden olur ve longitudinal yalıtımı aşırı kolay zedelebilir hale getirir.

2.5 Yıldırım Şok Dalgalarının Transformatör Sarımlarında Gerilim Aktarımı

Bir yıldırım şok dalgası, transformatörün birincil sarımına etki ettikten sonra, sarım voltajı hızla yükselir, bu durum, çok yüksek frekansta yüksek voltaj uygulamaya eşdeğerdir. Bu durumda,

ikincil tarafta da bir aşırı gerilim oluşur. Birincil ve ikincil sarımlar arasındaki elektrostatik kapasitans bağlantısı ve manyetik alan bağlantısı nedeniyle,

ikincil tarafta oluşan aşırı gerilim, dönüşüm oranı ile ilişkilidir, ancak basit bir dönüşüm oranı ilişkisi değildir.

Belirli bazı durumlarda, bu aşırı gerilim, ikincil sarımın ve taşıdığı elektrik ekipmanlarının yalıtım seviyesini aşabilir ve sonuçta ikincil sarıma bağlı elektrik ekipmanlarının hasar görmesine yol açabilir. İkincil sarıma etki eden aşırı gerilim, hem elektrostatik hem de elektromanyetik bileşenlerden oluşur. Elektromanyetik bileşen, me/n formülü ile hesaplanabilir (formülde, n dönüşüm oranıdır, e birincil taraftaki voltajdır, m bağlanma katsayısıdır ve yaklaşık değeri 1'dir).

Bir transformatörün birincil-ikincil sarımları arasında ve sarımlar ile toprak arasında yayık kapasitanslar vardır. Bir ani voltaj, birincil sarım ile toprak arasına uygulandığında, ikincil taraftaki elektrostatik ani voltaj, sarımlar ile toprak arasındaki dağıtılmış kapasitanslara bağlıdır, dönüşüm oranına değil. İkincil sarım ile

toprak arasındaki aktarım voltajı t₂, t₂ =&t₁(&: aktarım/aktarım katsayısı; t₁: birincil-toprak arasındaki ani voltaj).

3 Yüksek Ani Voltaj Dayanımı Olan Tek Fazlı Transformatörler

Bir güç transformatörünün voltaj aktarım katsayısı (t₂/t₁) genellikle 0.2-0.9 aralığındadır; test edilen bir transformatörde bu değer 0.25 idi.

Transformatörler, voltaj seviyeleri/ulusal standartlara göre nominal yıldırım ani voltaj dayanımı testlerini geçer. Bu ürün (10 kV şebeke, 15 kV'da test edildi) herhangi bir hasara uğramadı. Özel olarak tasarlanmış, yüksek ani voltaj dayanımı olan transformatör, ikincil aşırı gerilimi minimize eder, yıldırım darbelerine karşı direnç gösterir, gürültü akımlarını engeller ve elektrik performansını artırır. Demiryolu Bilimleri Akademisi tarafından test edilen bu ürünün voltaj aktarım katsayısı ≤ 1/200, birincil taraftan ikincil tarafa şok dalgası aktarımını 1/200'in altına düşürür.

Düşük voltajlı ekipmanları yıldırımından koruma konusunda etkilidir, güvenilir topraklama gerektirir (yıldırım sırasında topraklamadan kaynaklanan potansiyel farklar ekipmanlara zarar verebilir; kabuğun topraklanması, potansiyelleri dengeler ve ani voltajı azaltır). Düşük voltajlı ekipmanlara ani voltajın girişi yolları karmaşıktır (birincil/ikincil/toprak tarafı; tek veya eş zamanlı). Güvenilir topraklama kilit önem taşır.

4 Sonuç

Tek fazlı seri transformatör (yağ rezervuarı, yüksek ani voltaj dayanımı), geleneksel yağ rezervuarı yapılarını terk ederek, malzeme tasarrufu, kolay işleme ve çekici tasarım sağlar. Tek fazlı yağ emilisi serisi (yağ rezervuarı/tamamen kapalı), yüksek yıldırım ani voltaj direnci, aşırı gerilimin azaltılmasını, ikincil ekipmanların korunmasını ve güç hattı gürültüsünü azaltmayı sağlar.

1990'lardan beri, birçok bu tür transformatör, demiryolu bürolarında (hidroelektrik/sinyal/güç sağlama bölümleri vb.) faaliyet göstermiştir, özellikle yıldırım tehlikesi olan bölgelerde. Fırtınalı havalarda kanıtlanmış, düşük kayıp, malzeme tasarrufu, enerji verimliliği ve güvenilirlik sunarak elektrik ekipmanlarının güvenliğini sağlar. Demiryollarının modernleşmesi ve teknolojik ilerlemesiyle, bu transformatörler daha geniş bir kullanım alanı bulacaktır.