ترانسفورماتور که به مرگ زنگ می زند: درک فرورزونانس

چیست - برای مبتدیان کنجکاو

یک لیوان آبی را تصور کنید که کمی تکان می دهید و به جای ته نشین شدن، به خودی خود بالا و بالاتر می رود و روی لبه آن می کوبید. این تقریباً همان کاری است که فرورزونانس با ترانسفورماتور انجام می دهد. ترانسفورماتور معمولاً وسیله ای آرام و غیرفعال است که به سادگی ولتاژ را تغییر می دهد. اما در شرایط نامناسب، هسته آهنی آن و ظرفیت سرگردان کابل‌های اطراف آن می‌تواند یک "مخزن" الکتریکی خودپایه تشکیل دهد که ولتاژ را تا چندین برابر معمول پمپ می‌کند - و گاهی برای دقیقه یا ساعت‌ها بدون برخورد صاعقه یا اتصال کوتاه به کار خود ادامه می‌دهد.

اصل - برای مهندس

فرورزونانس یک نوسان غیرخطی است. به دو جزء نیاز دارد: یک اندوکتانس اشباع‌پذیر (راکتانس مغناطیسی ترانسفورماتور، که با وارد شدن هسته به حالت اشباع در منحنی B–H خود فرو می‌ریزد) و یک ظرفیت (خازن کابل زیرزمینی یا شینه، یا ظرفیت سیم‌پیچ/بوشینگ سرگردان). تحت یک اختلال - اغلب سوئیچینگ تک فاز یک بانک سه فاز، انرژی دادن از طریق یک کابل بلند، یا یک فیوز سوخته که یک فاز را باز می‌گذارد - ولتاژ به اندازه‌ای افزایش می‌یابد که هسته را به سمت اشباع سوق می‌دهد و اندوکتانس آن را کاهش می‌دهد تا زمانی که راکتانس خازنی برابر شود. سپس یک رزونانس LC سری یا موازی قفل می شود.

بر خلاف رزونانس خطی، فرورزونانس می‌تواند در فرکانس 50/60 هرتز اصلی ، در یک ساب هارمونیک (معمولاً یک سوم فرکانس عرضه)، یا به صورت موج‌های شبه تناوبی یا آشفته، بسته به شرایط اولیه ظاهر شود - IEEE اینها را به عنوان حالت‌های متمایز طبقه‌بندی می‌کند. اضافه ولتاژهای پایدار می تواند به پنج تا شش برابر ولتاژ خط اسمی (IEEE Technology Navigator) برسد که برای سوراخ کردن عایق و تخریب تجهیزات کافی است.

جایی که گاز می گیرد - یک مثال کاربردی

ترانسفورماتورهای توزیع کابلی زیرزمینی و ترانسفورماتورهای افزایش دهنده خورشیدی قربانیان کلاسیک هستند. ظرفیت کابل در واحد طول تقریباً 30 تا 50× خطوط هوایی است که انرژی راکتیو مورد نیاز نوسان را تأمین می کند. یک مزرعه خورشیدی در شب سوخت ایده آلی است: اینورترها بیکار هستند (بدون میرایی با توان واقعی)، با این حال ترانسفورماتور افزایش دهنده از شبکه انرژی می گیرد، بنابراین راکتانس مغناطیسی غیرخطی آن با ظرفیت کابل طولانی حلقه می شود. علامت نشانگر یک ولتاژ "پیک" یا تقریباً مربعی است، با ولتاژهای فاز به زمین در فاز باز بسیار بالاتر از اعوجاج اسمی و کل اعوجاج هارمونیک در صدها درصد.

تصور غلط رایج و واقعیت جالب

تصور اشتباه: "یک برقگیر هر اضافه ولتاژ را پوشش می دهد." در واقع، برقگیرهای اکسید فلز (ZnO) برای تکانه های رعد و برق میکروثانیه ساخته شده اند. اضافه ولتاژ فرورزونانت پایدار در فرکانس توان می تواند آنها را از حد انرژی حرارتی خود عبور دهد و آنها را به طور انفجاری خراب کند - ترانسفورماتور را بدون محافظت باقی بگذارد (تحلیل ترانسفورماتور-شبکه).

واقعیت جالب: همان فیزیک به عمد مهار می شود. ترانسفورماتور فرورزونانت (ولتاژ ثابت) از اشباع هسته کنترل شده برای ارائه خروجی تقریباً ثابت علیرغم نوسانات ورودی گسترده استفاده می کند - یک شکل عمدی و مفید از همان پدیده که در غیر این صورت تجهیزات را از بین می برد.

هشدارهای مهندسی

ثانویه را حتی با یک بار مقاومتی کوچک برای خنثی کردن نوسان بار کنید. سوئیچ بانک های سه فاز روی تمام قطب ها به طور همزمان. اسنابرهای RC یا مقاومت های سرکوب کننده فرورزونانس را مشخص کنید. و بر اساس راهنمای IEEE C57.105، مقدمات پایه زمینی (کمتر از دلتا) را ترجیح می دهند.