УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
DEVICE FOR TRANSFORMER PROTECTION AGAINST OVERLOAD

Изобретение предназначено для защиты трансформатора, преимущественно путевого, включаемого между рельсами и аппаратурой рельсовой цепи, от токов и перенапряжений, вызванных разрядами молнии. Устройство защиты трансформатора может применяться для защиты иных трансформаторов, например, для защиты сигнального трансформатора, управляющего работой лампы светофора в системах автоблокировки на железных дорогах.
На железных дорогах для передачи сигнала автоблокировки в рельсовую цепь используются трансформаторы путевые. Обмотка трансформатора с малым числом витков из провода большого сечения (первичная обмотка) подключена между рельсами. Обмотка трансформатора с большим числом витков из провода малого сечения (вторичная обмотка) подключена к устройствам автоблокировки. То есть на пути электроэнергии из рельсовой цепи в цепь с устройствами автоблокировки трансформатор путевой является повышающим. Поэтому амплитуда перенапряжений на пути из рельсовой цепи в цепь с устройствами автоблокировки трансформатором путевым увеличивается. Если в рельсовую цепь попадает разряд молнии, то перенапряжения в цепи "рельс-рельс" от разряда молнии трансформируются с увеличением из первичной обмотки во вторичную по цепи "провод-провод" и устройства автоблокировки могут быть повреждены. Кроме того, перенапряжениями в цепи "рельс-земля" от разряда молнии может быть пробита изоляция между первичной и вторичной обмотками путевого трансформатора.
В известном устройстве защиты трансформатора путевого от перенапряжения применяется схема защиты, в которой ограничитель перенапряжений включен между выводами вторичной обмотки путевого трансформатора (Архипов Е.В., Гуревич В.Н. "Справочник электромонтера СЦБ", М., Транспорт, 2000 г., рис.12.1 на стр.253).
Данное устройство имеет следующие недостатки:
- установленный во вторичной обмотке, между ее выводами, разрядник не защищает межобмоточную изоляцию трансформатора от перенапряжений;
- при срабатывании разрядника вторичная обмотка замыкается им, в обмотке начинает протекать большой импульсный ток, который с коэффициентом трансформации передается в первичную обмотку. В результате взаимодействия больших импульсных токов между обмотками и между отдельными витками обмоток возникают большие электродинамические усилия, которые могут повредить обмотки. Если даже установить в этом известном устройстве дополнительный неуправляемый разрядник между выводами первичной обмотки, это не может обеспечить надлежащей защиты, т.к. напряжение между этими выводами относительно низкое и не может обеспечить, в большинстве практических случаев, срабатывания неуправляемого разрядника.
Известно также устройство защиты трансформатора с помощью разрядников, в котором первый и второй разрядники включены между каждым из выводов обмотки, которая подвергается воздействию перенапряжения, и землей, т.е. корпусом конструкции трансформатора (FR №2501931, прототип).
Недостатком этого устройства является узость функциональных возможностей, не позволяющая применить его для защиты путевых трансформаторов, поскольку в последнем одна из обмоток трансформатора соединена с рельсами, которые одновременно являются объектом поражения разрядом молнии и одновременно являются распределенным (объемным) заземлением. Для срабатывания разрядников нужен высокий потенциал между выводом обмотки и землей. В рельсовой цени потенциал вывода обмотки и земли одинаковый (обе цепи соединены на рельс), поэтому в схеме по пат.FR 2501931 разрядники между землей 30 и выводами обмотки 12, 13 не сработают.
Технической задачей изобретения является создание эффективного устройства защиты трансформатора от перенапряжений, а также расширение арсенала устройств защиты трансформатора от перенапряжений.
Технический результат, обеспечивающий решение этой задачи, состоит в расширении функциональных возможностей, повышении долговечности и надежности устройства.
Сущность изобретения состоит в том, что устройство защиты трансформатора, преимущественно путевого, от перенапряжений содержит включенные между выводами обмоток трансформатора первый и второй разрядники, имеющие электроды, соединенные с выводами каждого разрядника, отличается тем, что оно снабжено третьим, четвертым, пятым и шестым разрядниками, блоком включения второго разрядника перенапряжением вторичной обмотки трансформатора, дросселем насыщения, а также первым и вторым резисторами, причем первый разрядник включен между выводами вторичной обмотки трансформатора, упомянутый блок включения подключен параллельно к выводам второго разрядника, один из выводов которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, а второй из выводов второго разрядника соединен со вторым выводом первичной обмотки трансформатора через дроссель насыщения, при этом третий разрядник соединен с первым выводом первичной обмотки и первым выводом вторичной обмотки трансформатора, а четвертый разрядник соединен со вторым выводом первичной обмотки и вторым выводом вторичной обмотки трансформатора, причем пятый разрядник соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора непосредственно, а с первым выводом его вторичной обмотки - через первый резистор, шестой разрядник соединен со вторым выводом первичной обмотки трансформатора непосредственно, а со вторым выводом вторичной обмотки - через второй резистор.
Предпочтительно третий и четвертый разрядники выполнены с меньшим напряжением срабатывания, чем напряжение пробоя межобмоточной изоляции трансформатора, пятый и шестой разрядники выполнены с меньшими напряжением срабатывания и допустимым импульсным током, чем напряжение срабатывания и допустимый импульсный ток третьего и четвертого разрядников, соответственно, при этом первый резистор выполнен с сопротивлением, выбранным из условия, чтобы при протекании через пятый разрядник импульсного тока, не превышающего 50-80% от допустимого значения импульсного тока для пятого разрядника, суммарное падение напряжения на первом резисторе и пятом разряднике превышало бы напряжение срабатывания для третьего разрядника, а второй резистор выполнен с сопротивлением, выбранным из условия, чтобы при протекании через шестой разрядник импульсного тока, не превышающего 50-80% от допустимого значения импульсного тока для шестого разрядника, суммарное падение напряжения на втором резисторе и шестом разряднике превышало бы напряжение срабатывания для четвертого разрядника. При этом в частных случаях реализации для защиты от перенапряжений путевого трансформатора, включенного между рельсами и аппаратурой рельсовой цепи, первый разрядник включен между выводами путевого трансформатора со стороны аппаратуры рельсовой цепи, а второй разрядник включен между выводами путевого трансформатора со стороны рельсов.
На фиг.1 изображен фрагмент схемы устройства, на котором показано подключение к защищаемому трансформатору первого разрядника, второго разрядника и нелинейного дросселя, на фиг.2 изображен фрагмент схемы устройства, на котором показано подключение к защищаемому трансформатору третьего, четвертого, пятого и шестого разрядников и первого и второго резисторов, на фиг.3 изображен фрагмент схемы устройства, на котором показано подключение ко второму разряднику блока включения второго разрядника перенапряжением вторичной обмотки защищаемого трансформатора, на фиг.4 изображена схема устройства защиты трансформатора от перенапряжений на предпочтительном примере защиты путевого трансформатора, включенного между рельсами и аппаратурой рельсовой цепи, на фиг.5 - пример схемы включения заявляемого устройства защиты трансформатора от перенапряжений в случае использования его для защиты сигнального трансформатора, управляющего работой лампы светофора в системах автоблокировки на железных дорогах.
Устройство содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой разрядники 1, 2, 3, 4, 5, 6 соответственно, имеющие электроды (не обозначены). Защищаемый путевой трансформатор 7 имеет первичную и вторичную обмотки 8, 9, соответственно. Устройство содержит также блок 10 включения второго разрядника 2 перенапряжением вторичной обмотки 9 защищаемого путевого трансформатора 7, дроссель 11 насыщения, а также первый и второй резисторы 12, 13, соответственно. Блок 10 включает в себя, например, конденсатор 14, импульсный трансформатор 15 с первичной и вторичной обмотками 16, 17 и вспомогательные седьмой, восьмой и девятый разрядники 18, 19, 20, соответственно. Устройство подключено клеммами (выводами) 21, 22 к рельсам 23, клеммами (выводами) 24, 25 - к аппаратуре 26 рельсовой цепи. Таким образом, в случае реализации устройства, изображенном на фиг.4, трансформатор 7 включен между рельсами 23 и аппаратурой 26 рельсовой цепи, первый разрядник 1 включен между выводами путевого трансформатора 7 со стороны аппаратуры 26 рельсовой цепи, а второй разрядник 2 включен между выводами путевого трансформатора 7 со стороны рельсов 23.
Первый разрядник 1 включен между выводами вторичной обмотки 11 трансформатора 7, упомянутый блок 10 включения разрядника 2 подключен параллельно к выводам второго разрядника 2, один из выводов которого соединен с первым выводом первичной обмотки 8 трансформатора 7, а второй вывод второго разрядника 2 соединен со вторым выводом первичной обмотки 8 трансформатора 7 через дроссель 11 насыщения. Третий разрядник 3 соединен с первым выводом первичной обмотки 8 и первым выводом вторичной обмотки 9 трансформатора 7, а четвертый разрядник 4 соединен со вторым выводом первичной обмотки 8 и вторым выводом вторичной обмотки 9 трансформатора 7. Пятый разрядник 5 соединен с первым выводом первичной обмотки 8 трансформатора 7 непосредственно, а с первым выводом его вторичной обмотки 9 - через первый резистор 12. Шестой разрядник 6 соединен со вторым выводом первичной обмотки 8 трансформатора 7 непосредственно, а со вторым выводом вторичной обмотки 9 - через второй резистор 13.
Третий и четвертый разрядники 3, 4, выполнены с меньшим напряжением срабатывания, чем напряжение пробоя межобмоточной изоляции трансформатора 7.
Пятый и шестой разрядники 5, 6 выполнены с меньшими напряжением срабатывания и допустимым импульсным током, чем напряжение срабатывания и допустимый импульсный ток третьего и четвертого разрядников 3, 4, соответственно. Первый резистор 12 выполнен с сопротивлением, выбранным из условия, чтобы при протекании через пятый разрядник 5 импульсного тока, не превышающего 50-80% от допустимого значения импульсного тока для пятого разрядника 5, суммарное падение напряжения на первом резисторе 12 и пятом разряднике 5 превышало бы напряжение срабатывания для третьего разрядника 3. Второй резистор 13 выполнен с сопротивлением, выбранным из условия, чтобы при протекании через шестой разрядник 6 импульсного тока, не превышающего 50-80% от допустимого значения импульсного тока для шестого разрядника 6, суммарное падение напряжения на втором резисторе 13 и шестом разряднике 6 превышало бы напряжение срабатывания для четвертого разрядника 4.
Благодаря такому включению пятый и шестой разрядники 5, 6 могут быть выбраны с меньшими значениями максимально допустимых импульсных напряжений и токов, но с большим ресурсом, а третий и четвертый разрядники 3, 4 могут быть выбраны с большими значениями максимально допустимых импульсных напряжений и токов, но такие разрядники имеют обыкновенно меньший ресурс. Так как максимально допустимые импульсные напряжения и токи возникают при разряде молнии намного реже, чем импульсы с меньшим напряжением и током, такое решение обеспечивает больший ресурс и надежность устройства при меньших затратах.
Устройство работает следующим образом.
Рабочий сигнал (напряжение проходит из рельсов 23 через выводы 21, 22 обмотки 8 трансформатора 7 на обмотку 9 трансформатора 7, далее через выводы 24, 25 на аппаратуру 26 рельсовой цепи. Или рабочий сигнал проходит в обратном направлении, из аппаратуры 26 рельсовой цепи через выводы 24, 25, обмотку 9 трансформатора 7, обмотку 8 трансформатора 7, выводы 21, 22 и на рельсы 23. При разряде молнии в рельсы 23 и распространении перенапряжения и импульсного тока по цепи «провод-земля» перенапряжение на выводах 21, 22 (по отношению к заземлению аппаратуры 26 рельсовой цепи) приводит к срабатыванию разрядников 5 и 6. Ток относительно низкого уровня протекает от выводов 21, 22 через разрядники 5, 6 и резисторы 12, 13, выводы 24, 25, заземление аппаратуры 26 рельсовой цепи. Если ток возрастает, то соответственно возрастает падение напряжения на резисторах 12, 13 от протекающего через разрядники 5, 6 тока. Когда падения напряжения на резисторах 12, 13 будет достаточно для срабатывания разрядников 3, 4, то они срабатывают, и ток с большим значением протекает через них от выводов 21, 22 через разрядники 5, 6 и резисторы 12, 13, разрядники 3, 4, выводы 24, 26, заземление аппаратуры 26 рельсовой цепи. Напряжение на межобмоточной изоляции (между обмотками 8 и 9) трансформатора 7 ограничивается до безопасного уровня соответствующим выбором значения напряжения срабатывания разрядников 3-6. При разряде молнии в рельсы 23 и распространении перенапряжения и импульсного тока по цепи «провод-провод» перенапряжение между выводами 21, 22 трансформируется из обмотки 8 в обмотку 9 (повышающую), увеличивается трансформатором 7 и приводит к срабатыванию блока 10 включения разрядника 2. Короткий импульс напряжения с блока 10 включения разрядника 2 прикладывается к выводам разрядника 2 и одному из выводов дросселя 11 насыщения. Высокий импеданс дросселя 11 насыщения и его инерционность (обусловленная временем, которое требуется для перехода магнитопровода дросселя из ненасыщенного в насыщенное магнитное состояние) не позволяет рельсам 23 и обмотке 8 трансформатора 7 зашунтировать короткий импульс напряжения для включения разрядника 2, что могло бы снизить его амплитуду, необходимую для включения разрядника 2. Короткий импульс напряжения с блока 10 включения разрядника 2 приводит к срабатыванию разрядника 2. Необходимо отметить, что срабатывание разрядника 2 происходит при относительно низком напряжении, т.к. относительно низкое перенапряжение между выводами 21, 22 трансформируется из обмотки 8 в обмотку 9 (повышающую) и увеличивается трансформатором 7. После срабатывания разрядника 2 через него начинает протекать большой ток, который переводит магнитопровод дросселя 11 насыщения в состояние насыщения и импеданс дросселя 11 (индуктивное сопротивление) уменьшается, по цепи с разрядником 2 и дросселем 11 протекает больший ток. Перенапряжение между выводами 21, 22 шунтируется цепью с дросселем 11 насыщения и разрядником 2 и его уровень снижается. Снижение перенапряжения на выводах 21, 22 через обмотку 8 трансформируется в обмотку 9 трансформатора 15 и приводит к снижению перенапряжения между выводами 24, 25 аппаратуры 26 рельсовой цепи. Разрядник 1 в данной схеме выполняет вспомогательные функции и срабатывает только в случае, если перенапряжение в рельсах 23 будет настолько большим, что шунтирующего действия цепи с дросселем 11 насыщения и разрядником 2 будет недостаточно. После исчезновения перенапряжения все разрядники выключаются (гаснут) и схема восстанавливает свое исходное состояние.
Фиг.1 иллюстрирует, как дроссель 11 не позволяет другим элементам схемы зашунтировать короткий управляющий импульс напряжения. Когда разрядник 2 сработает, магнитопровод дросселя 11 протекающим через него большим током насыщается, и индуктивное сопротивление разрядника 2 скачкообразно снижается, позволяя большим токам беспрепятственно протекать через разрядник 2. Это так называемое управление разрядником 2 прямым перенапряжением. То есть воздействующее напряжение (напряжение между рельсами 23) на разряднике 2 еще недостаточно для его срабатывания, но на это относительно низкое воздействующее напряжение накладывается управляющий импульс высокого напряжения от блока 10 включения разрядника 2, который приводит к срабатыванию разрядника 2, после чего относительно низкого воздействующего напряжения на разряднике 2 оказывается достаточно для поддержания разряда в нем. Дроссель 11 в такой схеме выступает в качестве переменного сопротивления, которое позволяет в момент воздействия управляющего напряжения избежать шунтирующего влияния низкоомной цепи - источника перенапряжений. Для этого дроссель 11 должен иметь высокое сопротивление (импеданс) для импульса напряжения, управляющего работой разрядника 2 (запускающий импульс), и переходить в состояние с низким импедансом после срабатывания разрядника 2.
Фиг.2 иллюстрирует, как третий разрядник 3, четвертый разрядник 4, пятый разрядник 5, шестой разрядник 6, первый резистор 12, второй резистор 13 участвуют в защите межобмоточной изоляции трансформатора 7 от пробоя перенапряжением. При воздействии перенапряжения включаются разрядники 5 и (или) 6 и своим низким сопротивлением во включенном состоянии ограничивают величину перенапряжений в межобмоточной изоляции защищаемого трансформатора 7. При этом, если импульсный ток через разрядники 5 и (или) 6 близок к предельно допустимому для них значению, то импульсное падение напряжения на разряднике 5 (6) и резисторе 12 (13) достигает напряжения включения разрядника 3 (4), он включается и своим низким сопротивлением во включенном состоянии ограничивает величину перенапряжений в межобмоточной изоляции. Таким образом, для защиты межобмоточной изоляции разрядники 3-6 создают путь для тока от рельсов 23 на землю в обход изоляции трансформатора 7.
Фиг.3 иллюстрирует, как действует блок 10 включения второго разрядника 2 перенапряжением. Блок 10 имеет, например, известную схему и включает в себя конденсатор 14, импульсный трансформатор 15 с первичной и вторичной обмотками 16, 17 и вспомогательные седьмой, восьмой и девятый разрядники 18, 19, 20. Особенностью работы блока 10 является то, что для обеспечения включения второго разрядника 2 при низком напряжении, применено каскадное включение трансформаторов 7, 15, т.е. в качестве одного из трансформаторов, участвующих в работе блока 10, используется защищаемый от перенапряжений трансформатор 7. При работе блока 10 перенапряжение из рельсовой цепи (его путь на фиг.3 показан условно стрелкой) попадает на клеммы 21 и 22, соединенные с первичной обмоткой 8 защищаемого трансформатора 7. С его вторичной обмотки 9, которая имеет большее число витков, чем первичная обмотка 8 (т.е. трансформатор 7 по отношению к воздействующему перенапряжению является повышающим), увеличенное по сравнению с первоначальным перенапряжением выходное напряжение заряжает конденсатор 14, включает вспомогательный разрядник 18 схемы блока 10 включения разрядника 2. Повышающий импульсный трансформатор 15 еще в большей степени увеличивает напряжение, передавая его из обмотки 16 в обмотку 17. Большое импульсное напряжение на обмотке 17 импульсного трансформатора 15 включает кратковременно вспомогательные разрядники 19 и 20, через которых большое импульсное напряжение прикладывается к разряднику 2, после чего разрядник 2 включается и шунтирует первоначальное перенапряжение, приложенное к клеммам 21 и 22. Дроссель 11 насыщения за счет большой начальной индуктивности и инерционности не позволяет рельсовой цепи шунтировать большое импульсное напряжение, включающее разрядник 2, а после его включения ток, протекающий через разрядник 2 и дроссель 11 насыщения, подмагничивает магнитопровод дросселя 11 и его индуктивность становится пренебрежимо малой. Комплексное сопротивление цепи с разрядником 2 и дросселем 11 становится малым и шунтирует источник перенапряжения в рельсовой цепи. Схема блока 10 включения разрядника 2 может быть иной, она не входит в объем притязаний в рамках настоящей заявки, принципиально важно для настоящей заявки использование защищаемого от перенапряжений трансформатора 7 в реализации алгоритма включения разрядника 2, что упрощает и удешевляет схему защиты.
Таким образом, создано эффективное устройство защиты трансформатора от перенапряжений, а также расширен арсенал устройств защиты трансформатора от перенапряжений.
При этом расширены функциональные возможности, повышены долговечность и надежность устройства.