Что определяют опытом короткого замыкания трансформатора
Режим короткого замыкания трансформатора
Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (ZH = 0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.
В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора, при котором накоротко замыкают зажимы вторичной обмотки, а к первичной подводят такое напряжение Uк, при котором ток в первичной обмотке не превышает номинального значения (Iк
где U1ном — номинальное первичное напряжение.
Напряжение короткого замыкания зависит от высшего напряжения обмоток трансформатора. Так, например, при высшем напряжении 6—10 кВ uK = 5,5%, при 35 кВ uK = 6,5÷7,5%, при 110 кВ uK = 10,5% и т. д. Как видно, с повышением номинального высшего напряжения увеличивается напряжение короткого замыкания трансформатора.
При напряжении Uк составляющем 5—10% от номинального первичного напряжения, намагничивающий ток (ток холостого хода) уменьшается в 10—20 раз или еще более значительно. Поэтому в режиме короткого замыкания считают, что
Основной магнитный поток Ф также уменьшается в 10—20 раз, и потоки рассеяния обмоток становятся соизмеримыми с основным потоком.
Так как при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора напряжение на ее зажимах U2 = 0, уравнение э. д. с. для нее принимает вид
а уравнение напряжения для трансформатора записывается как
Этому уравнению соответствует схема замещения трансформатора, изображенная на рис. 1.
Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании соответствующая уравнению и схеме рис. 1, показана на рис. 2. Напряжение короткого замыкания имеет активную и реактивную составляющие. Угол φк между векторами этих напряжений и тока зависит от соотношения между активной и реактивной индуктивной составляющими сопротивления трансформатора.
Рис. 1. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании
Рис. 2. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании
У трансформаторов с номинальной мощностью 5—50 кВА XK/RK = 1 ÷ 2; с номинальной мощностью 6300 кВА и более XK/RK = 10 и более. Поэтому считают, что у трансформаторов большой мощности UK = Uкр, а полное сопротивление ZК = Хк.
Опыт короткого замыкания.
Этот опыт, как и опыт холостого хода, проводят для определения параметров трансформатора. Собирают схему (рис. 3), в которой вторичная обмотка замкнута накоротко металлической перемычкой или проводником с сопротивлением, близким к нулю. К первичной обмотке подводится такое напряжение Uк, при котором ток в ней равен номинальному значению I1ном.
Рис. 3. Схема опыта короткого замыкания трансформатора
По данным измерений определяют следующие параметры трансформатора.
Напряжение короткого замыкания
где UK — измеренное вольтметром напряжение при I1, = I1ном. В режиме короткого замыкания UK очень мало, поэтому потери холостого хода в сотни раз меньше, чем при номинальном напряжении. Таким образом, можно считать, что Рпо = 0 и измеряемая ваттметром мощность — это потери мощности Рпк, обусловленные активным сопротивлением обмоток трансформатора.
Из уравнения напряжения для трансформатора, а также из схемы замещения (см. рис. 1) получаем
где ZK — полное сопротивление трансформатора.
Измерив Uк и I1 можно вычислить полное сопротивление трансформатора
Потери мощности при коротком замыкании можно выразить формулой
поэтому активное сопротивление обмоток трансформатора
находят из показаний ваттметра и амперметра. Зная Zк и RК, можно вычислить индуктивное сопротивление обмоток:
Зная Zк, RК и Хк трансформатора, можно построить основной треугольник напряжений короткого замыкания (треугольник ОАВ на рис. 2), а также определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания:
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Опыт короткого замыкания трансформатора
В электротехнике систематически проводятся испытания приборов и оборудования на устойчивость к электрическим и динамическим нагрузкам. Одной из таких проверок является опыт короткого замыкания трансформатора. В процессе проверки ток в первичной обмотке остается со своим первоначальным значением, а вторичной обмотке устраивается искусственное короткое замыкание. Данное мероприятие дает возможность определить номинальный ток во вторичной обмотке, потери мощности проводников, величину падения потенциала внутреннего сопротивления трансформаторного устройства. Опыты холостого хода и короткого замыкания позволяют установить не только электрические, но и магнитные потери.
Какие параметры определяются в ходе опыта
В качестве примера можно рассмотреть обычный однофазный трансформатор. При выполнении данного исследования производится специальное КЗ обмотки № 2. В обмотку № 1 напряжение подается с заниженным значением, чтобы не причинить вреда трансформатору.
Когда проводится опыт короткого замыкания однофазного трансформатора – устанавливается специальный режим, позволяющий определить несколько основных параметров:
Физические процессы во время исследования
Опыт короткого замыкания проводят как специальную испытательную процедуру, для которой и предназначен трансформатор. В этом случае к обмотке № 1 подключается номинальный ток, а вторичная обмотка попадает под действие аварийного режима. В ходе проведения данного мероприятия определяется номинальный ток в обмотке № 2, потерянные мощности в проводниках и спад напряжения внутреннего сопротивления прибора.
После того как создано короткое замыкание трансформатора, ток в обмотке-2 будет ограничивать лишь ее незначительное внутреннее сопротивление. Следовательно, даже при небольшой величине ЭДС Е2, показатель тока I2 может возрасти до опасного предела. Как правило, это приводит к перегреву обмоточных проводов, разрушению изоляционного слоя и аварии трансформаторного устройства.
С учетом этих условий, опыт проводится при нулевом входном напряжении трансформатора или U1 = 0. Далее потенциал в обмотке-1 постепенно увеличивается до показателя U1k, когда ток в этом же месте подходит к своему установленному номиналу. В это же время ток в обмотке-2 измеряется амперметром А2 и условно принимается равным номиналу. Параметр U1k имеет название напряжения короткого замыкания.
Во время опыта определенное напряжение U1k в обмотке № 1 будет незначительным и составит всего 5-10% от номинала. В связи с этим, действующая величина ЭДС Е2 во вторичной обмотке также будет небольшой – в пределах 2-5%. В пропорции со значением ЭДС происходит снижение магнитного потока, а, в связи с этим, и потерь мощности в магнитопроводе Рс. Поэтому ваттметр, измеряющий мощность, покажет лишь количество потерь в проводниках Рпр.
Важную роль играет уже рассмотренное внутреннее сопротивление трансформатора, значение которого используется при составлении схемы замещения в виде векторной диаграммы. Эта диаграмма дает возможность установить снижение выходного напряжения трансформатора, благодаря падению напряжения комплексного сопротивления.
Для устройств мощностью свыше 1000 В*А, опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора дает возможность проконтролировать величину коэффициента трансформации. В аварийном режиме у таких приборов можно не учитывать холостой ход. Данные расчеты не годятся для трансформаторов малой мощности, поскольку их параметры существенно отличаются от мощных преобразовательных устройств, в том числе и трёхфазного прибора.
Выполнение опыта КЗ на практике
При подключении обмотки-1 трансформатора к сети и замыкании обмотки-2 на клеммах, наступит опасный режим, известный как короткое замыкание. Под влиянием токов провода обмоток выделяют большой объем теплоты, пагубно воздействующий на изоляцию. В аварийном режиме нередко возникают механические напряжения, разрушающие трансформаторные обмотки.
Во избежание разрушительного воздействия полных токов, обмотка № 2 все также замыкается накоротко, а к обмотке-1 выполняется подводка сниженного напряжения. В этом случае ток КЗ становится равным величине номинала, при котором трансформатор обычно и работает. То есть, во время проверки с ним ничего не произойдет.
Данная процедура известна как опыт короткого замыкания трансформатора, когда потенциал подключенной обмотки-1 будет равно всего лишь нескольким процентам от номинала. Оно получило название напряжения короткого замыкания. Этот показатель у силовых устройств, в том числе у трехфазного трансформатора, равняется 5-10% от номинального значения. Полученное значение измеряется вольтметром, подключенным в цепь первичной обмотки. Дополнительно устанавливаются амперметры для замеров номинальных токов в обеих обмотках, а ваттметр учитывает мощность потерь, выявленных во время короткого замыкания.
Ранее уже отмечалось, что величина магнитного потока трансформатора будет пропорциональна напряжению в его первичной обмотке. Во время проведения опыта КЗ его значение в сердечнике слишком маленькое, поскольку напряжение в данном режиме, во много раз ниже номинала. В связи с этим, потери в стальных пластинках можно не учитывать и условно считать основным назначением мощности перекрытие потерь в трансформаторных обмотках.
Используемая схема опыта короткого замыкания и ее результаты создают предпосылки для определения коэффициента мощности cos φ, активного и реактивного сопротивления обмоток.
В любых трансформаторах определяют так называемые обязательные потери. Они включают в себя потери в обмотках и стальном сердечнике. Первая часть относится к категории электрических потерь, пропорциональных квадрату тока. Они определяются показаниями ваттметра, полученными в процессе опыта. Вторая часть представляет собой магнитные потери, связанные с частотой данной электрической сети и значением магнитной индукции. Данные потери также определяет ваттметр, когда трансформатор вводится в режим холостого хода.
Проводимые исследования позволяют установить коэффициент полезного действия трансформатора. При его определении нужно активную мощность обмотки-2, соотнести с мощностью обмотки № 1. КПД трансформаторных устройств достаточно высокий и в некоторых случаях доходит до 98-99%.
Режим короткого замыкания трансформатора
Напряжение короткого замыкания трансформатора
Как проводится и назначение опыта короткого замыкания трансформатора, методика расчета данных
24 Условия параллельной работы трансформаторов:
4.30. Допускается параллельная работа трансформаторов (автотрансформаторов) при условии, что ни одна из обмоток не будет нагружена током, превышающим допустимое значение силы тока для данной обмотки.
Параллельная работа трансформаторов допускается при следующих условиях:
1) группы соединений обмоток одинаковы;
2) соотношение мощностей трансформаторов не более чем 1:3;
3) коэффициенты трансформации отличаются не более чем на плюс 0,5 % и не меньше чем на минус 0,5 %;
4) напряжения КЗ отличаются не более чем на плюс 10 % и не меньше чем на минус 10 % среднеарифметического значения напряжения КЗ
трансформаторов, которые включаются на параллельную работу;
5) проведено фазирование трансформаторов.
Для выравнивания нагрузки между параллельно работающими трансформаторами с разными напряжениями КЗ допускается в небольших пределах изменять коэффициент трансформации путем переключения ответвлений при условии, что ни один из трансформаторов не будет перегружен.
Определение режима. Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором к первичной обмотке подведено синусоидальное напряжение u1, а вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю. Принципиальная схема однофазного трансформатора при холостом ходе изображена на рис.7.6. В этом режиме трансформатор подобен дросселю с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом.
Необходимость изучения данного режима заключается в том, что одновременно с определением основных параметров трансформатора (коэффициента трансформации, тока холостого хода, потерь в стали магнитопровода) возможно в сочетании с параметрами, полученными при другом крайнем режиме — коротком замыкании, охарактеризовать работу трансформатора под нагрузкой и наиболее точно определить коэффициент полезного действия.
Рисунок 7.6 — Схема трансформатора при холостом ходе
Принцип действия в режиме холостого хода. Под действием приложенного напряжения u1 в первичной обмотке трансформатора имеет место небольшой ток холостого хода i10 = i, обычно не превышающий (3-10%) от номинального тока в первичной обмотке, т.е. его действующее значение I£(0,03…0,1)I1н. Этот ток создает МДС первичной обмотки i×w1, которая обусловливает в замкнутом магнитопроводе переменный основной магнитный поток трансформатора Ф и небольшой переменный поток рассеяния первичной обмотки ФS1, замыкающийся вокруг первичной обмотки по воздуху.
Основной поток Ф наводит в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции e1, а во вторичной обмотке — ЭДС взаимоиндукции e2. Поток рассеяния создает в первичной обмотке ЭДС eS1, называемую электродвижущей силой рассеяния. Так как основной поток Ф замыкается по магнитопроводу, а поток рассеяния ФS1 в основном по воздуху, то основной поток будет во много раз больше потока рассеяния (Ф>>ФS1), следовательно, и ЭДС, наводимые этими потоками в первичной обмотке, будут тоже существенно различаться по величине (E1>>ES1).
Опыт короткого замыкания
Как я уже говорил в предыдущей статье, изготовленный трансформатор подвергают двум основным испытаниям: опыту холостого хода и опыту короткого замыкания. Первое испытание я рассмотрел в предыдущей статье, а для второго собирают схему изображенную ниже
Как видно на схеме в цепь первичной обмотки трансформатора включены вольтметр PV1, амперметр РА1 и ваттметр PW1, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Для снятия характеристик трансформатора в этом режиме на первичную обмотку трансформатора подают такое напряжение UКЗ, при котором ток IКЗ в обмотке соответствовал номинальному току. После того как трансформатор прогреется в течении нескольких минут снимают показания с приборов.
Для построения графической характеристики короткого замыкания снимают параметры при изменении напряжения на первичной обмотке от 30 до 110 % UКЗ.
При проведении опыта короткого замыкания определяют следующие параметры трансформатора:
— процентное отношение напряжения короткого замыкания UКЗ%
где UКЗ – «нормальное» напряжение короткого замыкания,
UН – номинальное напряжение первичной обмотки.
— активное сопротивление обмоток трансформатора RК
где РКЗ – мощность, снимаемая с ваттметра PW1,
IКЗ – ток короткого замыкания, снимаемая с амперметра РА1.
— полное сопротивление обмоток трансформатора ZK
где UКЗ – «нормальное» напряжение короткого замыкания, снимаемое с вольтметра PV1.
— реактивное сопротивление обмоток трансформатора ХК
— коэффициент мощности короткого замыкания cos φКЗ
Мощность, подводимая к трансформатору при проведении опыта короткого замыкания для силовых трансформаторов, составляет 1 – 4 % от номинальной мощности трансформатора. При этом, чем больше номинальная мощность трансформатора, тем меньше мощность при проведении опыта короткого замыкания, то есть меньше потери в обмотках.
Схема замещения в режиме трансформатора
Прямой электрический расчет трансформатора сложен по той причине, что он представляет собой две электрических цепи, связанных между собой магнитной цепью.
Для упрощения расчетов удобнее пользоваться упрощенной эквивалентной схемой. В схеме замещения вместо обмоток используются комплексные сопротивления:
Каждое комплексное сопротивление состоит из последовательно соединенного активного сопротивления и индуктивности.
Активное сопротивление – это сопротивление проводов обмотки.
Принцип работы трансформатора в режиме холостого хода
Когда на обмотку прибора подают напряжение синусоиды, в ней возникает слабый ток, как правило, не превышающий 0,05-0,1 от номинального значения (это и есть холостой ток). Его создает обмоточная магнитодвижущая сила, именно из-за ее действия в замкнутом магнитопроводном элементе возникают ведущий магнитный поток (обозначается Ф) и рассеивающийся поток Ф1, замкнутый вокруг обмоточного тела. Значение магнитодвижущей силы равно произведению холостого тока на число обмоточных витков.
Ведущий поток создает в приборе две электродвижущие силы: самоиндукционную у первой обмотки и взаимной индукции – у второй. Ф1 продуцирует у первой катушки ЭДС рассеяния. Она имеет очень небольшую величину, ведь создающий ее поток замыкается, по большей части, по воздушным массам, ведущий поток Ф – по магнитопроводу. Поскольку главный поток имеет гораздо большие масштабы, то и генерируемая им для первичной катушки электродвижущая сила тоже имеет намного большее значение.
Важно! Так как подаваемое напряжение имеет вид синусоиды, такие же характеристики имеют главный поток и создаваемые им обмоточные электродвижущие силы. Но по причине магнитного насыщения имеющийся в приборе поток непропорционален электротоку, создающему намагничивание, так что последний синусоидальным не будет
Практикуется замена его реальной кривой соответствующей ей синусоидой с таким же значением. Искажение тока связано с третьей гармонической составляющей (величина, определяемая вихревыми потоками и магнитопроводным насыщением).
Как проводится опыт холостого хода
Опыт холостого хода подразумевает подачу напряжения на первичную обмотку при отсутствии нагрузки. При помощи подключенных измерительных приборов измеряются электрические параметры конструкции.
Для проведения опыта холостого хода первичную обмотку включают в сеть последовательно с прибором для измерения тока- амперметром. Параллельно зажимам подключается вольтметр.
Следует иметь в виду, что предел измерения вольтметра должен соответствовать подаваемому напряжению, а при выборе амперметра нужно учитывать ориентировочные значения измеряемой величины, которые зависят от мощности трансформатора.
Коэффициент трансформации
Наиболее просто определяется коэффициент трансформации. Для этого сравнивается входное и выходное напряжение. Расчет производится по следующей формуле:
Данное отношение справедливо для всех обмоток трансформатора.
Однофазные трансформаторы
В однофазных трансформаторах показания амперметра характеризуют потребляемый ток при отсутствии нагрузки. Данные показания являются конечными и нет необходимости в дальнейших вычислениях.
Трехфазные
Чтобы проверить трехфазный трансформатор, требуется усложнение схемы подключения. Необходимо наличие следующих приборов:
При проведении опыта холостого хода производятся следующие вычисления:
Коэффициент трансформации вычисляется по полученным значениям напряжения аналогично однофазной системе.
Измерение тока
При измерении тока можно определить только величину электрических потерь. Более полно определить параметры конструкции позволяет более сложная схема измерений.
Применение ваттметра
Подключив в первичную цепь ваттметр, можно определить мощность потерь трансформатора в режиме холостого хода. Суммируясь с мощностью нагрузки, найденная величина определяет габаритную мощность трансформатора.
Измерение потерь
При измерениях тока холостого хода и мощности потребления, можно сделать выводы о общих потерях холостого хода, которые приводят к следующему: