Для чего проводится опыт короткого замыкания трансформатора

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 U_1k, 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 U_1k имеет название напряжения короткого замыкания.

Во время опыта определенное напряжение U_1k 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 Р_с. Поэтому ваттметр, измеряющий мощность, покажет лишь количество потерь в проводниках Р_пр.

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

Источник

Напряжение короткого замыкания

Как и для чего проводится опыт 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

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:

5. Как и для чего проводится опыт холостого хода трансформатора.

Для чего проводится опыт холостого хода: Опыты холостого хода и короткого замыкания проводятся для определения коэффициента трансформации, потерь в трансформаторе и параметров схемы замещения. Холостой ход трансформатора – это один из предельных режимов работы трансформатора.
Опыт холостого хода.Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором первичная обмотка включена на номинальное напряжение , а вторичная обмотка разомкнута (рис. 10.1)

Рис. 10.1. Схема опыта холостого хода

Режим холостого хода позволяет опытным путем установить следующие характерные для трансформатора величины: а) коэффициент трансформации; б) ток холостого хода; в) потери мощности в стали.

Коэффициент трансформации трансформатора

,

где и – число витков обмоток.

Мощность определяет затраты энергии в пределах трансформатора. Она приблизительно равна потерям в стали, поскольку потери в стали независимы от нагрузки трансформатора, так как при работе трансформатора магнитный поток почти не меняется. Поэтому при любой нагрузке.

При холостом ходе . Коэффициент мощности нагруженного трансформатора в основном зависит от коэффициента мощности нагрузки. При холостом ходе обычно не превышает 0,2…0,3.

Источник

Как проводится и назначение опыта короткого замыкания трансформатора, методика расчета данных

При эксплуатации трансформаторов возникают различного рода потери, которые негативно сказываются на КПД устройства. Одним из методов проверки эффективности действия является проведение опыта короткого замыкания трансформатора. В результате испытания устанавливаются параметры эквивалентной цепи и потери в ней. Проверка обрыва и короткого замыкания (КЗ) на таких изделиях очень экономична и удобна, потому что выполняется при отсутствии нагрузки.

Назначение опыта короткого замыкания

Испытание на обрыв при отсутствии нагрузки выполняется для определения потерь в сердечнике без нагрузки по току.

Суть испытания заключается в том, что обмотка высокого напряжения остаётся разомкнутой в то время, как выходная обмотка подключается к обычной сети потребителя. Туда же подсоединяются и необходимые измерительные приборы – ваттметр, амперметр и вольтметр. В результате такого соединения, внешнее напряжение, которое прикладывается к устройству, медленно увеличивается от нуля до своего номинального значения.

С этой целью в цепь подключается дополнительный автотрансформатор со скользящими контактами.

Показания всех приборов фиксируются в момент, когда напряжение тестирования достигает необходимого значения в выходной цепи. Физическая сущность результатов замеров такова:

Как проводится

Для высоковольтной обмотки задаётся паспортное значение холостого хода. Оно устанавливается по рекомендуемым величинам угла сдвига фаз (sinΦ₀ и cosΦ₀; индекс указывает на то, что мощность трансформатора определяется в режиме холостого хода).

Далее согласно показаниям вольтметра выполняется измерение параметров шунтирующих эквивалентных цепей. Они относятся к низковольтной обмотке, поэтому тестирование разомкнутой цепи устанавливает и потери в сердечнике, и параметры шунта эквивалентной цепи.

Правильная схема испытания предполагает, что при низком напряжения трансформатор находится в режиме КЗ. Ваттметр, вольтметр и амперметр подключены с высоковольтной стороны. Сигнал подается в силовую схему и увеличивается от нуля до тех пор, пока показания амперметра не будут равны номинальному току. В этот момент снимаются показания всех приборов, причём на амперметре будет показано значение первичного эквивалента тока полной нагрузки, а на ваттметре – потери мощности в проводниках и сердечнике.

Методика расчёта напряжения, потерь и сопротивления КЗ

Расчёты ведутся в следующей последовательности:

Здесь V₁ – показания вольтметра на обмотке низкого напряжения.

Менее точно мощность W может устанавливаться непосредственно по показаниям ваттметра.

Объясняется это тем, что напряжение, приложенное для появления тока полной нагрузки, хоть и мало по сравнению с номинальным, но всё же присутствует на обмотках.

Полученные данные соответствуют тем, которые относятся к стороне высокого напряжения трансформатора. Таким образом, в результате испытания на КЗ определяются потери в проводниках а, а также его приблизительные эквивалентное и реактивное сопротивление.

В результате анализа полученной информации можно определить зависимость потерь от тока холостого хода и напряжения на вторичной обмотке.

Важно также, что общие потери трансформатора зависят от его реактивного сопротивления, и не зависят от значений фазового угла между напряжением и током.

Примеры расчётов

Многообразие ситуаций, при которых целесообразно проводить тест короткого замыкания, рассматривается на страницах журнала Voltland.

Исходными данными для расчётов являются:

Полагаем, что подвод потенциала подводится пошагово, до тех пор, пока на подключенном амперметре не будет достигнуто значение тока полной вторичной нагрузки.

Приведём результаты применительно к трёхфазному трансформатору, рассчитанному на напряжение U = 480 В, с реактивной мощностью 100 КВА и реактивным напряжением 13800 В.

Полный ток короткого замыкания во вторичной цепи:

I = 1000 / 1,732 × U = 1,202 (А).

При показании вольтметра U₁ =793,5 В процент потерь значений полного сопротивления будет

Δ Z = 793,5 / 13800 = 0,0575.

Следовательно, процент потерь составляет 5,75%. Это показывает, что в случае неисправности трёхфазного соединения на вторичной обмотке появится максимальный ток короткого замыкания, величина которого:

Максимальный ток повреждения I_max на вторичных клеммах:

По вычисленному значению I_max выбираются характеристики средств защиты агрегата от перегрузки, в частности, главного выключателя, который должен быть установлен в цепи вторичной обмотки.

Заключение

Данные вышеприведенных расчётов применяются преимущественно при оценке значений и динамики поведения токов короткого замыкания. Эти токи создают серьёзную опасность для функционирования систем распределения энергии, а также для разработки и применения средств защиты. При проектировании и изготовлении данного оборудования трёхфазные токи короткого замыкания являются основными эталонными величинами в системе. Устройства, которые прерывают указанные токи, подключаются к электрической цепи, обеспечивая автоматическую защиту трансформатора от повреждения.

При проведении опыта короткого замыкания следует придерживаться правил техники безопасности. Они оговорены Правилами эксплуатации энергоустановок ПУЭ 1.8.16. Тестирование может выполняться только предварительно поверенной техникой, применение которой допустимо по условиям испытания.

Источник

Содержание материала

ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

а) Определения

Опыт короткого замыкания (КЗ) служит для проверки потерь и напряжения КЗ.
Опытом КЗ называют испытание, при котором одну из обмоток трансформатора, обычно низшего напряжения, замыкают накоротко, а другую питают от источника переменного (периодического) тока при номинальной частоте (допустимое отклонение частоты от номинальной не более 1%) и пониженном (против номинального) напряжении при разомкнутых остальных обмотках и при токах в паре обмоток, не превышающих существенно их номинальные значения [Л. 2-1].

Напряжение, которое нужно подвести при опыте КЗ к одной из обмоток пары, чтобы в этой обмотке установился ток, соответствующий меньшей из номинальных мощностей обмоток пары, называют напряжением КЗ и выражают в процентах номинального напряжения питаеМОй обмотки

Потери, измеренные в указанных условиях и приведенные к расчетной температуре, называют потерями КЗ. Для двухобмоточного трансформатора понятие «потери и напряжение КЗ пары обмоток» совпадает с понятием «потери и напряжение КЗ трансформатора». Исключением является трансформатор с обмоткой ПН, состоящей из двух или большего числа гальванически не связанных частей, который согласно [Л. 2-1] можно рассматривать как многообмоточный трансформатор. Для трехобмоточного трансформатора проводят опыт КЗ для. трех пар обмоток: ВН и СП; ВН и НН; СН и НН, а для трансформатора о расщепленной на две части обмоткой НН (НН1 и НН2) проводят опыт для следующих пар обмоток: ВН и HH1; ВН и НН2; HH1 и НН2.
За расчетную условную температуру, к которой должны быть приведены потери и напряжения КЗ, принимают для всех масляных и сухих трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости А, Е, В 75°С [Л. 1-3].
Данные опыта КЗ необходимы в следующих случаях: 1) определение превышения температур масла и обмоток трансформатора при испытании на нагрев (гл. 12); 2) расчет или испытание трансформатора на стойкость при КЗ; 3) определение к. п. д. трансформатора; 4) расчет и определение возможности параллельной работы данного трансформатора с другими; 5), расчет изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке.
Потери и напряжение КЗ являются величинами, определяемыми для каждого отдельного трансформатора, они зависят от его типа. Их числовые значения и допуски даются в стандартах или технических условиях на трансформаторы. Так, для трансформаторов общего назначения класса напряжения 330 кВ эти значения указаны в ГОСТ 17545-72 [Л. 7-1].

б) Общие условия испытания

При операционных или специальных электромагнитных испытаниях методом КЗ опыт производят после второй сборки трансформатора с целью определения
потерь и напряжения КЗ без бака или измерения полей рассеяния в различных местах активной части трансформатора. При приемо-сдаточных испытаниях опыт КЗ производят, на собранном и залитом маслом трансформаторе. При квалификационных и периодических испытаниях на нагрев методом КЗ трансформатор собирается полностью вместе с системой охлаждения (гл. 12).
Результаты измерения потерь и напряжения КЗ практически не зависят от того, с какой стороны подводится питание. Поэтому из соображений удобства испытания на двухобмоточных трансформаторах замыкают накоротко обмотку НН, а питание подводят к обмотке ВН. Па трехобмоточных трансформаторах при опыте КЗ пары обмоток ВП и СН напряжение подают на обмотку СН при замкнутой накоротко обмотке ВН.
Перед опытом КЗ должно быть обеспечено надежное замыкание накоротко соответствующей обмотки, а также зажимов всех вторичных обмоток ТТ, встроенных в трансформатор. Замыкание вводов замыкаемой накоротко обмотки следует делать как можно тщательнее, применяя короткие медные провода или шины, сечение которых должно быть не менее сечения токоведущей шпильки или шины ввода этой обмотки.
Согласно [Л. 1-3] при испытании каждого первого образца трансформаторов данного типа плотности тока в подводящих проводах и в проводах, применяемых для выполнения КЗ обмоток, при проведении опытов не должны быть более 1,8 в медных и 1,2 А/мм2 в алюминиевых.
При приемо-сдаточных испытаниях опыт КЗ производят на ступени номинального напряжения, а при квалификационных и периодических испытаниях, кроме того, на ступенях максимального и минимального напряжения обмоток. Перед опытом устройства переключения ответвлений обмоток должны быть установлены на требуемые ступени, а их приводы должны быть застопорены. При неправильной установке приводов устройств, например ПБВ, между подвижными и неподвижными контактами переключателя может образоваться небольшой зазор. Напряжение КЗ при опыте может оказаться достаточным для пробоя зазора между контактами, а возникающая между ними электрическая дуга может вызвать повреждение (оплавление) контактов.

в) Потери КЗ

Активную мощность Ркϑ, измеренную при опыте КЗ с температурой обмоток ϑ, СС, принято считать условно (для удобства расчетов) состоящей из следующих слагаемых: 1) основных потерь в обмотках и других токоведущих частях трансформатора Σ, определяемых током данной обмотки или токоведущей части и ее электрическим сопротивлением, измеренным при постоянном токе; 2) добавочных потерь в опыте КЗ Рдобϑ, определяемых как разность потерь Ркϑ— Σ, измеренных при определенном токе в опыте КЗ, и основных потерь в токоведущих частях, определенных при том же токе.
Добавочные потери при опыте КЗ имеют две слагаемые: а) потери в токоведущих частях, вызванные полем рассеяния; б) потери от гистерезиса и вихревых токов, возникающие в металлических элементах конструкций трансформатора от воздействия поля рассеяния. Кроме того, в добавочные потери могут входить потери от циркулирующих токов, наведенных полем рассеяния и замыкающихся в параллельно соединенных ветвях обмоток трансформатора.
Согласно (Л. 1-31) основные потери в обмотках определяют вычислением, исходя из данных измерения электрического сопротивления обмоток постоянному току. Для однофазного трансформатора эти потери равны, Вт:

(7-2)
где I1-2 — номинальные токи обмоток, участвующих в опыте; r1ϑ, r2ϑ — электрические сопротивления постоянному току этих обмоток при температуре ϑ, °G.

У трехфазного трансформатора основные потери пары обмоток, участвующих в опыте, вычисляются по формулам:

где I1, I2 —линейные токи трансформатора; r — междуфазные электрические сопротивления обмоток, измеренные на линейных вводах при температуре ϑ, °С; Iф1, Iф2 —фазные токи обмоток; rф1ϑ, rфϑ2 — фазные сопротивления обмоток при температуре °С.

При подсчете основных потерь в автотрансформаторах ток последовательной обмотки принимается равным току обмотки ВН, а ток общей обмотки — разности токов СН и ВН.
Междуфазное электрическое сопротивление при соединении фаз в треугольник равно:
.*
а при соединении в звезду:

Добавочные потери Рдобϑ определяют вычитанием из потерь КЗ Ркϑ потерь в обмотках Σ, вычисленных по (7-2) или (7-3). Следовательно,
(7-4)
Таким образом, измерение потерь КЗ требуется, по существу, для определения добавочных потерь, так как основные потери в обмотках легко определяется вычислениями по данным измерений электрического сопротивления обмоток.
г) Мощность, требуемая для опыта КЗ

Полная мощность SK, потребляемая трансформатором при опыте КЗ в номинальных условиях, равна, МВ-А:
(7-5)
где Рн — номинальная мощность испытываемого трансформатора, МВ-А; % — напряжение КЗ, %.

Активная мощность Рк, необходимая для опыта КЗ, и коэффициент мощности нагрузки φн связаны соотношением:
(7-6)
где Рк — потери КЗ, кВт; Рн — номинальная мощность трансформатора, МВ-А; ик — напряжение КЗ, %.
В табл. 7-1 приведены значения cosφ и SK при опытах КЗ трехфазных двухобмоточных трансформаторов класса 330 кВ, вычисленные по данным ГОСТ 17545-72 [Л. 7-1].

Коэффициент мощности cosφK и полная мощность SK при опытах КЗ трансформаторов класса 330 кВ

Мощность источника питания, например испытательного генератора 50 Гц, должна быть больше мощности, требуемой для опыта КЗ, так как не всегда можно использовать генератор при его номинальном токе и напряжении для получения необходимого диапазона токов и напряжений, даже с применением промежуточного трансформатора.
Кроме того, испытываемый трансформатор может иметь напряжение КЗ, большее, чем указано и табл. 7-1, например трансформаторы класса 500 кВ по ГОСТ 17544-72 [Л. 5-1], при этом с положительным допуском + 10% согласно ГОСТ 11677-75 [Л. 1-1].
Из табл. 7-1 следует, что активная мощность КЗ Рн весьма мала по сравнению с полной мощностью SK. Поэтому измерение потерь КЗ мощных трансформаторов имеет специфические особенности (§ 5-5).

Источник