Biến áp một pha có khả năng chịu đựng xung sét cao

1 Giới thiệu

Để đảm bảo an toàn vận hành của đường sắt và giảm thiểu rủi ro hư hại do sét đối với hệ thống điều khiển viễn thông đường sắt, tác giả đã nghiên cứu và thiết kế đặc biệt một biến áp một pha nối tiếp có khả năng chịu điện áp xung tương đối cao, với số hiệu D10 - 1.2 - 30/10. Biến áp này được trang bị bình dầu bảo quản và sử dụng cấu trúc kín hoàn toàn (cũng có thể được thiết kế theo cấu trúc khô theo nhu cầu thực tế). Loạt biến áp này là thiết bị chuyên dụng cho tín hiệu điều khiển đường sắt và cũng có thể được áp dụng trong các tình huống phân phối điện nhỏ của lưới điện công nghiệp và nông nghiệp, có một mức độ đa dụng nhất định.

2 Phân tích về Sét và Nguy cơ của Nó
2.1 Đặc điểm Vật lý của Sét

Sét về bản chất là một sóng xung không chu kỳ. Phần đầu của sóng này tăng rất nhanh và sau đó giảm dần. Do độ dốc tăng cực lớn của sóng sét, nó có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho thiết bị điện.

2.2 Phân loại và Nguyên nhân của Sét

Sét chủ yếu được chia thành hai loại: sét trực tiếp và sét cảm ứng. Sét trực tiếp là dạng sét tác động trực tiếp lên đường dây hoặc thiết bị. Mặc dù mức độ nguy hiểm mà nó gây ra là cực kỳ lớn, nhưng xác suất xảy ra thực tế lại tương đối thấp; tuy nhiên, hầu hết các tai nạn do sét gây ra đều do sét cảm ứng. Sét cảm ứng được phân chia tiếp thành sét cảm ứng tĩnh điện và sét cảm ứng điện từ: Sét cảm ứng tĩnh điện được tạo ra bởi điện áp quá mức do trường điện mây giông giữa đường dây trên không và đất; Sét cảm ứng điện từ được gây ra bởi điện áp xuất hiện trên đường dây do hiệu ứng cảm ứng điện từ khi mây giông gần đường dây phóng điện. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của nó nhỏ hơn nhiều so với sét cảm ứng tĩnh điện.

2.3 Biểu hiện Nguy cơ của Sét đối với Biến áp

Trong quá trình hoạt động thực tế, tai nạn biến áp bị hư hại do sét đánh xảy ra không ít. Những tai nạn như vậy không chỉ gây hư hại cho chính biến áp mà còn gây hư hại cho thiết bị thứ cấp thông qua hiệu ứng sóng xung, dẫn đến phạm vi ảnh hưởng lỗi rộng hơn.

2.4 Cơ chế Hư hại Biến áp do Sóng Sét

Hư hại của biến áp do sóng sét chủ yếu đến từ hai yếu tố: Thứ nhất, giá trị điện áp xung rất cao, đạt tối đa 8-12 lần điện áp pha; Thứ hai, sóng sét sẽ gây ra sự tập trung điện trường cao, do đó làm hỏng khả năng cách điện của biến áp. Dưới tác động của sóng xung, cách điện chính của biến áp có thể bị hỏng. Điều này là do sóng sét có tần số cao và phần đầu sóng dốc, khiến độ dốc điện thế ở đầu cuộn dây đạt giá trị tối đa, làm cho cách điện dọc cực dễ bị thủng.

2.5 Truyền Động Điện Áp của Sóng Xung Sét trong Cuộn Dây Biến áp

Khi sóng xung sét tác động lên cuộn dây sơ cấp của biến áp, điện áp của cuộn dây sẽ tăng nhanh, tương đương với việc áp dụng một điện áp cao với tần số rất cao. Trong trường hợp này, một

điện áp quá mức cũng sẽ được tạo ra ở phía thứ cấp tương ứng. Do sự tồn tại của sự kết hợp dung lượng tĩnh điện và từ trường giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp,

mặc dù điện áp quá mức được tạo ra ở phía thứ cấp liên quan đến tỷ lệ biến đổi, nhưng không phải là mối quan hệ tỷ lệ biến đổi đơn giản.

Trong một số trường hợp cụ thể, điện áp quá mức này có thể vượt xa mức cách điện của cuộn dây thứ cấp và thiết bị điện mà nó mang, cuối cùng dẫn đến hư hại thiết bị điện được kết nối với cuộn dây thứ cấp. Điện áp quá mức tác động lên cuộn dây thứ cấp bao gồm cả thành phần tĩnh điện và thành phần điện từ. Thành phần điện từ có thể được tính bằng công thức me/n (trong công thức, n là tỷ lệ biến đổi, e là điện áp ở phía sơ cấp, m là hệ số ghép, và giá trị xấp xỉ là 1).

Dung lượng tĩnh điện lẻ tẻ tồn tại giữa cuộn dây sơ cấp-thứ cấp và giữa cuộn dây và mặt đất. Khi áp dụng điện áp xung giữa cuộn dây sơ cấp và mặt đất, điện áp xung tĩnh điện ở phía thứ cấp phụ thuộc vào dung lượng phân bố giữa cuộn dây và mặt đất, không phải tỷ lệ vòng. Điện áp chuyển t₂ giữa cuộn dây thứ cấp và

mặt đất là t₂ =&t₁(&: hệ số chuyển điện áp; t₁: điện áp xung ở sơ cấp-mặt đất).

3 Biến áp Một Pha với Khả Năng Chịu Điện Áp Xung Cao

Hệ số chuyển điện áp (t₂/t₁) của biến áp điện thường nằm trong khoảng 0.2-0.9; biến áp thử nghiệm có 0.25.

Biến áp trải qua các thử nghiệm chịu điện áp xung sét định mức theo các cấp điện áp/tiêu chuẩn quốc gia. Sản phẩm này (lưới điện 10 kV, thử nghiệm ở 15 kV) không bị hư hại. Được thiết kế đặc biệt, biến áp chịu điện áp xung cao giúp giảm thiểu điện áp quá mức ở phía thứ cấp, chống lại cú sốc sét, chặn dòng nhiễu và cải thiện hiệu suất điện. Theo thử nghiệm của Học viện Khoa học Đường sắt, hệ số chuyển điện áp ≤ 1/200, giảm truyền sóng xung từ sơ cấp sang thứ cấp xuống dưới 1/200.

Hiệu quả trong việc bảo vệ thiết bị điện áp thấp khỏi sét, nó yêu cầu nối đất đáng tin cậy (chênh lệch điện thế trong sét có thể gây hư hại thiết bị; nối đất vỏ cân bằng điện thế, giảm điện áp xung). Đường truyền điện áp xung vào thiết bị điện áp thấp phức tạp (phía sơ cấp/thứ cấp/mặt đất; đơn lẻ hoặc đồng thời). Nối đất đáng tin cậy là chìa khóa.

4 Kết luận

Biến áp nối tiếp một pha (có bình chứa dầu, chịu điện áp xung cao) từ bỏ cấu trúc bình chứa dầu truyền thống, đạt được tiết kiệm vật liệu, dễ gia công và thiết kế đẹp. Loạt biến áp ngâm dầu một pha (có bình chứa dầu/kín hoàn toàn) có khả năng chịu điện áp xung sét cao, giảm điện áp quá mức, bảo vệ thiết bị thứ cấp và giảm tiếng ồn trên đường dây điện để bảo vệ sét.

Từ những năm 1990, nhiều biến áp như vậy đã hoạt động trên khắp các cục đường sắt (đoạn thủy điện/tín hiệu/cung cấp điện, v.v.), bao phủ hầu hết các ga, đặc biệt là các khu vực dễ bị sét đánh. Được chứng minh trong cơn giông, chúng cung cấp tổn thất thấp, tiết kiệm vật liệu, hiệu quả năng lượng và độ tin cậy, đảm bảo an toàn cho thiết bị điện. Với sự hiện đại hóa của đường sắt và tiến bộ công nghệ, các biến áp này sẽ được sử dụng rộng rãi hơn.