Однофазний трансформатор з високою стійкістю до грозових імпульсів

1 Вступ

Для забезпечення безпечного функціонування залізниць та зменшення ризику пошкоджень від блискавок системам управління залізничними комунікаціями, автор спеціально досліджував і розробив однофазний серійний трансформатор з високим рівнем стійкості до імпульсних напруг, з моделлю D10 - 1.2 - 30/10. Цей трансформатор оснащений маслонаповнювачем і має повністю герметичну конструкцію (за потребою може бути спроектований як сухий). Ця серія трансформаторів є спеціальним пристроєм для сигналізації залізничного контролю та може також застосовуватися у маломасштабних розподільчих мережах промислових та сільськогосподарських електромереж, маючи певну універсальність.

2 Аналіз блискавок та їх шкідливих наслідків
2.1 Фізичні характеристики блискавок

Блискавка є, по суті, неперіодичною ударною хвилею. Передня частина хвилі дуже швидко підвищується, а потім повільно спадає. Завдяки надзвичайно великому крутому передньому фронту блискавкової хвилі, вона може завдати дуже серйозних шкід електричному обладнанню.

2.2 Класифікація та причини блискавок

Блискавки головним чином поділяються на два типи: пряма блискавка та індуктивна блискавка. Пряма блискавка — це форма блискавки, яка прямо впливає на лінії або обладнання. Хоча ступінь шкоди, яку вона завдає, дуже велика, фактична ймовірність її виникнення відносно невелика; однак, більшість аварій, спричинених блискавками, викликані індуктивними блискавками. Індуктивні блискавки поділяються на електростатичні індуктивні блискавки та електромагнітні індуктивні блискавки: електростатична індуктивна блискавка генерується через наднапругу, індуковану полем грозового хмара між надземною лінією та землею; електромагнітна індуктивна блискавка виникає через наднапругу, що з'являється на лінії в результаті ефекту електромагнітної індукції при розряді грозового хмара поблизу лінії. Однак, її вплив значно менший, ніж від електростатичної індуктивної блискавки.

2.3 Маніфестації шкідливого впливу блискавок на трансформатори

Під час реального процесу роботи, аварії, коли трансформатори пошкоджуються від ударів блискавок, трапляються час від часу. Такі аварії не лише завдають шкоди самому трансформатору, але також пошкоджують вторинне обладнання через вплив ударної хвилі, що призводить до ширшого впливу аварійних ситуацій.

2.4 Механізм пошкодження трансформаторів блискавковими хвилями

Пошкодження трансформаторів блискавковими хвилями в основному випливає з двох факторів: перший — значення імпульсної напруги дуже високе, досягаючи максимуму 8-12 разів фазової напруги; другий — блискавкова хвиля спричиняє високу концентрацію електричного поля, що призводить до пошкодження ізоляційних властивостей трансформатора. Під дією ударної хвилі головна ізоляція трансформатора може бути пошкоджена. Це тому, що блискавкова хвиля має високу частоту і крутій фронт хвилі, що призводить до того, що потенціальний градієнт на початку витка досягає максимального значення, що робить поздовжню ізоляцію дуже легкою для пробою.

2.5 Передача напруги блискавкових хвиль в витках трансформатора

Коли блискавкова хвиля діє на первинний виток трансформатора, напруга витка швидко підвищується, що еквівалентно застосуванню надвисокої напруги з дуже високою частотою. У цьому випадку,

на вторинній стороні також виникає наднапруга. Через наявність електростатичної ємкостної зв'язності та магнітного зв'язку між первинним та вторинним витками,

хоча наднапруга, що виникає на вторинній стороні, пов'язана з коефіцієнтом перетворення, вона не є просто співвідношенням коефіцієнта перетворення.

У деяких конкретних ситуаціях ця наднапруга може значно перевищувати рівень ізоляції вторинного витка та електричного обладнання, яке він несе, що в кінцевому підсумку призводить до пошкодження електричного обладнання, підключенного до вторинного витка. Наднапруга, що діє на вторинний виток, складається як з електростатичної, так і з електромагнітної компоненти. Електромагнітна компонента може бути обчислена за формулою me/n (у формулі, n — коефіцієнт перетворення, e — напруга на первинній стороні, m — коефіцієнт зв'язку, наближено 1).

Між первинним та вторинним витками трансформатора, а також між витками та землею, існують паразитні ємності. Коли між первинним витком і землею застосовується імпульсна напруга, електростатична імпульсна напруга на вторинній стороні залежить від розподілених ємностей між витками та землею, а не від коефіцієнта перетворення. Передана напруга t₂ між вторинним витком і

землею є t₂ =&t₁ (&: коефіцієнт передачі напруги; t₁: імпульсна напруга на первинній стороні - земля).

3 Однофазні трансформатори з високим рівнем стійкості до імпульсних напруг

Коефіцієнт передачі напруги електропередавального трансформатора (t₂/t₁) зазвичай знаходиться в діапазоні 0.2-0.9; протестований трансформатор мав 0.25.

Трансформатори проходять тест на стійкість до імпульсних напруг за стандартами напруги/державними стандартами. Даний продукт (мережа 10 кВ, тестування на 15 кВ) не отримав пошкоджень. Спеціально спроектований трансформатор з високим рівнем стійкості до імпульсних напруг мінімізує вторинну наднапругу, стойкий до ударів блискавок, блокує інтерференційні струми та підвищує електричні властивості. За результатами тестів Академії наук залізничного транспорту, його коефіцієнт передачі напруги ≤ 1/200, що знижує передачу ударних хвиль з первинного на вторинний виток нижче 1/200.

Ефективний для захисту низьковольтного обладнання від блискавок, вимагає надійного заземлення (потенціальні різниці під час блискавок можуть пошкодити обладнання; заземлення корпусу балансує потенціали, знижуючи імпульсну напругу). Шляхи вторгнення імпульсної напруги в низьковольтне обладнання є складними (первина/вторина/бокова сторона; окремо або одночасно). Надійне заземлення є ключовим.

4 Висновки

Однофазний серійний трансформатор (з маслонаповнювачем, високим рівнем стійкості до імпульсних напруг) відмовляється від традиційних конструкцій маслонаповнювачів, досягаючи економії матеріалів, легкості обробки та привабливого дизайну. Однофазна маслонаповнена серія (з маслонаповнювачем/повністю герметична) має високу стійкість до блискавкових імпульсів, знижує наднапруги, захищає вторинне обладнання та зменшує шуми в електропостачанні для захисту від блискавок.

З 1990-х років багато таких трансформаторів працює в різних управліннях залізниць (гідроенергетичні/сигналізаційні/електропостачання тощо), охоплюючи більшість станцій, особливо у районах, що підвержені блискавкам. Вони довели свою ефективність під час гроз, запропонувавши низькі втрати, економію матеріалів, енергоефективність та надійність, забезпечуючи безпеку електричного обладнання. З розвитком залізничної модернізації та технологічного прогресу, ці трансформатори знайдуть ще ширше застосування.