Защита от электромагнитных полей промышленной частоты

1  Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток, который создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, будет индуктировать в ней ЭДС. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии ,то под действием индуктируемой ЭДС по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток

Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.

В целях улучшения  магнитной связи между первичной  и вторичной обмотками их помещают на стальной магнитопровод. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода. Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотка более низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, - вторичной.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток  неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для ее распределения между потребителями.

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и катушка  с обмотками.

Материалом для магнитопровода трансформаторов служит листовая электротехническая сталь различных марок и толщины, горячей прокатки и холоднокатаная; от содержания кремния, которое отражено в марке стали, а также от толщины листа зависят потери мощности в магнитопроводе от вихревых токов. Толщину листа применяемой стали выбирают в зависимости от частоты сети, питающей трансформатор: с увеличением частоты толщину листа надо уменьшать.

 Ленточные (витые)  магнитопроводы изготавливают из лент рулонной стали; предварительно лента покрывается изолирующим и склеивающим составом.

Стержневые магнитопроводы собирают из прямоугольных пластин одинаковой ширины. Части магнитопровода, на которых находятся обмотки, называются стержнями. Часть магнитопровода, соединяющая стержни между собой, называется ярмом.

Сборка частей магнитопровода может производиться встык и  вперекрышку, причем в последнем случае увеличивается механическая прочность и уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода. При сборке встык пластины собирают в единый пакет и предусматривают изоляционную прокладку между пакетами для предохранения от замыкания между отдельными листами магнитопровода. Сборка встык упрощает монтаж и демонтаж трансформатора.

Пластины магнитопровода скрепляют в пакет либо с помощью изолированных от магнитопровода шпилек либо с помощью специальных бандажей из капроновых ниток.

Броневые магнитопроводы собирают из пластин Ш-образной формы и прямоугольных пластин, замыкающих Ш-образную пластину. Эти магнитопроводы имеют один стержень, на котором располагают все обмотки трансформатора. Сборка броневого магнитопровода производится так же, как и магнитопровода стержневого типа, описанного выше.

Поскольку в броневом магнитопроводе обмотка размещается на среднем стержне, магнитный поток разветвляется на правую и левую части и, таким образом, в крайних стержнях его значение будет в 2 раза меньше, чем в центральном; это позволяет уменьшить сечение крайних стержней в 2 раза по сравнению с центральным. собирают из отдельных штампованных колец,  покрытых изолирующим лаком; сборка производится с помощью намотки на пакет пластин ленточной лакоткани. Этот магнитопровод обладает наилучшими магнитными свойствами:

наименьшее магнитное  сопротивление, минимальные индуктивность рассеивания и чувствительность к внешним магнитным полям, однако изготовление обмоток в данном случае может производиться только на специальных станках челночного типа или вручную.

Ленточные     магнитопроводы стержневого и броневого типа собираются из отдельных, соединяемых встык, магнитопроводов подковообразной формы, а затем стягиваются специальными накладками (хомутами). Такая конструкция магнитопровода значительно упрощает сборку трансформатора. Ленточные магнитопроводы по сравнению с пластинчатыми допускают магнитную индукцию на 20—30 % выше, потерь в них меньше, заполнение объема магнитопровода и КПД трансформатора выше. По этим причинам ленточные магнитопроводы находят все более широкое применение.

Тороидальные ленточные  магнитопроводы изготавливают путем навивки ленты на оправку заданного размера. Обмотки трансформатора производятся на намоточных станках челночного типа.

Обмотки трансформатора выполняют из медного или алюминиевого изолированного провода. При изготовлении катушки с обмотками предусматриваются изолирующие прокладки: межобмоточная , межслойная  и внешняя.

При диаметре провода  более 1 мм каркас выполняется из электрокартона, а отдельные слои обмотки перевязываются хлопчатобумажной лентой.

Обмоточные провода  маркируются по диаметру, виду изоляции и нагревостойкости.

Для повышения электрической  прочности трансформаторы после сборки пропитывают электроизоляционными лаками, а иногда заливают специальными компаундами.

В трансформаторах средней мощности ближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения. Это позволяет уменьшить слой изоляции между обмоткой и стержнем, а также создает лучшие условия охлаждения обмотки низшего напряжения, по которой протекает больший ток.

В низковольтных трансформаторах (до 100 В) малой мощности ближе к стержню помещают обмотку высшего напряжения. Эта мера позволяет уменьшить стоимость трансформатора, так как средняя длина витка обмотки высшего напряжения, выполняемой из дорогостоящего провода малого сечения, получается в этом случае меньше.

В высоковольтных трансформаторах (свыше 1000 В) применяется раздельное расположение обмоток на стержнях магнитопровода.

  Достоинство такого расположения обмоток—небольшое значение магнитного потока рассеяния из-за меньшей толщины намотки и небольшой расход обмоточных проводов, так как снижение толщины намотки ведет к уменьшению средней длины витка обмотки.

В трансформаторах с броневыми магнитопроводами обмотки располагаются на одном стержне.

В трехфазном трансформаторе на каждом из стержней располагаются первичная и вторичная обмотки данной фазы.

В тороидальных трансформаторах обмотки располагаются по всей длине магнитопровода.

Стержневые и броневые магнитопроводы с находящимися на них обмотками собирают в узел с помощью шпилек и накладок либо путем запрессовки в скобу.

Тороидальные магнитопроводы с находящимися на них обмотками собирают в узел и крепят к шасси с помощью крепежных шайб и винта с гайкой.    

 В конструкции трансформатора должна быть предусмотрена панель, к которой припаиваются выводы обмоток. Корпус трансформатора (накладки, обоймы, скобы) электрически соединяется с магнитопроводом и заземляется. Эта мера необходима из соображений техники безопасности на случай пробоя одной из обмоток.

2 В устройствах СЦБ используются специальные трансформаторы , в зависимости от  назначения их делят на следующие группы: путевые ,сигнальные и релейные ,линейные и силовые и трансформаторы новых типов.

Путевые трансформаторы, включаемые в рельсы при рельсовой электрической  цепи, питаемой переменным током. Например, трансформатор типа ПОБС (однофазный) имеет две вторичные обмотки с промежуточными выводами, благодаря чему получается 5 секций, дающих разные напряжения. Комбинируя эти секции так, чтобы их напряжения складывались или вычитались одно из другого, можно получить ряд напряжений от 0,4 до 17,6 В с интервалами 0,4В. Возможность подбора вторичного напряжения позволяет очень точно установить на путевом реле требуемое напряжение. Применяется в аппаратуре СЦБ в качестве согласующего элемента.

Сигнальные трансформаторы типа СОБС и СТ предназначены для  питания светофорных ламп. В трансформаторе СОБС к первичной обмотке подключается напряжение 110 или 220 В, а на вторичной обмотке можно получить напряжение 20 В, 18 В и 38 В. 
Сигнальный трансформатор типа СТ предназначен для центрального питания светофорных ламп; его первичная обмотка включается в цепь 220 В последовательно с огневым реле. 
Путевые и релейные трансформаторы применяют в рельсовых цепях в качестве питающих, изолирующих и релейных (согласующих). Расшифровка обозначений трансформаторов следующая: П — путевой; О — однофазный; Б — броневой; С — сухой (без трансформаторного масла); Р — релейный; Т — трансформатор; 2,3 и 5— порядковый номер типа; 25— частота тока; А — видоизменение данного типа; У — климатическое исполнение (для районов с умеренным климатом); 3— категория размещения. 
Напряжение сети подводится к зажимам. При напряжении 220 В обмотки включают последовательно (устанавливают перемычку между зажимами 2 и 3, а при напряжении 110 В — параллельно. Подключая нагрузку (рельсовую цепь) к различным зажимам вторичной обмотки, а также устанавливая перемычки между вторичными обмотками для согласного или встречного их включения,

получают различные напряжения на нагрузке. Трансформаторы ПОБС рассчитаны для работы на переменном токе частотой 50 Гц, а ПРТ и ПТ — частотой 25 Гц. Однако их можно применять и при сигнальном токе другой частоты. Необходимо учитывать, что с повышением частоты сигнального тока допустимое напряжение на транформаторе повышается примерно пропорционально частоте, а при уменьшении снижается. На частоте сигнального тока 25 Гц напряжение первичной обмотки трансформатора ПОБС может быть только ПО В (во избежание его насыщения). В этом случае возрастают потери мощности в трансформаторе. 
Если же трансформатор ПРТ включают в сеть 50 Гц, то напряжение 220 В может быть подано при параллельном включении его первичных обмоток, а на вторичных обмотках в этом случае может быть получено напряжение 24 В (вместо 12 В при частоте тока 25 Гц). Сказанное справедливо, если частота сигнального тока изменяется в пределах 25—500 Гц. При более высоких частотах, а также при частоте ниже 25 Гц указанная закономерность может нарушаться из-за резких отклонений расчетных режимов работы трансформаторов. 
Масса трансформаторов ПОБС равна примерно 9 кг, ПРТ и ПТ— примерно 7 кг. Ранее выпускались и находятся в эксплуатации трансформаторы ПОБС-2, ПОБС-3, ПОБС-5, ПРТ-25 и ПТ-25, которые имеют аналогичные электрические характеристики.

Трансформаторы типа ТС (трансформатор силовой)применяется для питания устройств ЭЦ , в качестве изолирующих элементов, с их помощью исключается вредное влияние пониженного сопротивления изоляции электрических сетей на аппаратуру ЭЦ,АБ,ПАБ,ДЦ,ГАЦ. Представляет собой низковольтные трехфазные сухие силовые трансформаторы открытого исполнения мощностью до 160 кВт., обмотки трансформатора выполняются из медного или алюминиевого провода, обмотка низковольтной стороны может соединяться как звездой ,так и  треугольником переустановкой перемычек , соответственно напряжение вторичной обмотки может изменяться.

Трансформаторы имеют следующую классификацию:

1 по коэффициенту трансформации(К) , трансформаторы бывают: понижающие(К меньше 1), повышающие(К больше 1), изолирующие(К=1)

Изолирующие трансформаторы не изменяют величину напряжения, и  применяются исключительно для гальванического разъединения цепей.

2 по конструкции трансформаторы  бывают:

а) броневого типа с  Ш- образным сердечником, в таких трансформаторах обмотка и первичная и вторичная помещаются на центральном стержне и поэтому закрыта с двух сторон.

б) трансформаторы П- образные стержневого типа, такой трансформатор имеет два сердечника, поэтому первичная и вторичная обмотки располагаются на разных сердечниках.

3 по роду питающего  напряжения трансформаторы делятся  на: однофазные и трехфазные. У  трехфазных трансформаторов первичная и вторичная обмотки имеют по три катушки по три фазы соединенные звездой или треугольником.

4 по способу охлаждения  трансформаторы бывают: с воздушным  и масляным охлаждением. При  масляном охлаждении трансформатор  помещается в герметичный резервуар, который полностью заполняется трансформаторным маслом , масло выполняет две функции: охлаждает обмотки и сердечник, обеспечивает изоляцию обмоток. Предназначен масляной трансформатор для питания устройств АБ и ЭЦ.

   3 Для защиты от перенапряжений электромагнитных полей промышленной частоты ,высокой и низкой стороне различных трансформаторов предусматриваются ограничители перенапряжений, разрядники, искровые промежутки, так как при воздействии на высоковольтную обмотку трансформатора молнии 40 % перенапряжений способно навестись емкостным путем.

Выбор ограничителей  перенапряжения  производится без  учета времени отключения однофазных коротких замыкания (о. к. з.), т. е. по наибольшему рабочему напряжению. В случае учета времени отключения о. к. з. ОПН может быть выбран на напряжение, меньшее наибольшего рабочего, в тех случаях, когда это целесообразно, например в сетях с пониженным уровнем изоляции.

В трансформаторах питания  и низкочастотных трансформаторах, а также в дросселях питания основной рабочий магнитный поток проходит по магнитопроводу. Только небольшая его часть в виде потока рассеяния выходит за пределы магнитопровода, замыкаясь в окружающем пространстве. Магнитный поток рассеяния является причиной нежелательных наводок. Потенциально источниками наиболее интенсивных магнитных полей являются дроссели фильтров питания. Интенсивность полей рассеяния у всех типов трансформаторов растет с увеличением мощности, уменьшением сечения магнитопровода и высоты катушек, а также с ухудшением магнитных свойств магнитопровода.

Улучшение качества магнитопровода, достигаемое применением материалов с высокой относительной магнитной  проницаемостью и уменьшением воздушных  зазоров, приводит к уменьшению уровней нежелательных наводок.

Эффективное снижение уровней магнитных полей рассеяния трансформаторов и дросселей достигается экранированием. В диапазоне 50—4000 Гц эффективно действует экран из пермаллоя и других специальных сортов ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью и малым удельным сопротивлением. Экранирующая коробка не должна плотно прилегать к сердечнику трансформатора. При зазоре примерно в 3 мм эффективность экранирования увеличивается на 15 дБ.

Защита трансформатора по высокой стороне осуществляется высоковольтными предохранителями, которые обеспечивают только максимальную защиту.

Защита трансформатора по низкой стороне  осуществляется автоматическими выключателями. Защита от неполнофазного режима не предусматривается, поэтому отключить трансформатор при таком виде повреждения невозможно.

Также необходимо отметить, что работа оборудования при длительных перенапряжениях вызывает ускоренное старение изоляции, что в конечном счете приводит к нарушению изоляции кабелей и оборудования и пожарам. Защита от перенапряжений трансформаторов вызванная воздействием электромагнитных полей промышленной частоты, решается следующими мерами.

Одной из таких мер  является усиление изоляции входных  катушек. Но эта мера недостаточна, так как перенапряжения и, следовательно, разрушение изоляции обмотки возможны в любой точке ее. Ранее было показано, что основной причиной, вызывающей эти перенапряжения, являются резонансные контуры трансформатора. Поэтому такие трансформаторы называются резонирующими. Чтобы сделать трансформатор нерезонирующим, нужно устранить действие емкостей на землю , оставив только междукатушечные емкости Ск . В этом случае распределение напряжений в трансформаторе с заземленной нейтралью в начальный момент и при установившемся режиме совпадает. Это значит, что переход к установившемуся режиму происходит без колебаний напряжения или, во всяком случае, с ограничением последних.

Устранить емкости на землю нельзя, но их можно компенсировать. Для этой цели можно устроить особого рода экраны или щиты, находящиеся под напряжением линии и изолированные от обмотки. У нас в стране применяется более простая система с частичной емкостной защитой каждого конца обмотки. В схематическом виде защита одного из концов обмотки показана на рис. 16-7. Защитные приспособления состоят из: катушки 7, имеющей усиленную изоляцию толщиной 3,5—5 мм на сторону, катушки 2 тоже с усиленной изоляцией и емкостным экраном 4 и четырех катушек 3, имеющих нормальную изоляцию витков и защищенных каждая емкостным экраном.

 Емкостные экраны выполняются  из медных проводников того же сечения, что и катушка, которую они защищают, и присоединяются к линейному концу обмотки, т. е. имеют потенциал линии.

 Необходимая величина защитной емкости определяется расстоянием между катушкой и экраном. Контур должен быть разомкнут, чтобы избежать появления тока.  
В современных мощных трансформаторах в дополнение к емкостным экранам 4 применяют еще емкостные кольца, располагаемые с обоих концов обмотки. Емкостное кольцо 1 может быть выполнено из электрокартона и представляет собой шайбу толщиной 8—10 мм, обмотанную медной лентой с наложенной поверх нее изоляцией. Емкостное кольцо должно быть электрически разомкнутым. 
      Для компенсации емкости на землю применяют также обмотку из ряда слоев, емкость между которыми значительно превосходит емкость на землю. 
Трансформаторы, защищенные от перенапряжений, часто называются грозоупорными, поскольку грозы являются источником наинами ротора к зазору и затем проходит через радиальные каналы сердечника статора. В пространстве между сердечником статора и корпусом обе струи объединяются, и горячий воздух выходит через отверстия с боковых сторон корпуса.

          Список  используемых  источников :

В.С.Дмитриев «Основы  железнодорожной автоматики и телемеханики»

Транспорт.:1982 г.