Для чего проводится опыт короткого замыкания

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

Всем доброго времени суток! В первой части статье о режимах работы трансформатора я рассказал о холостом ходе и расчете параметров в этом режиме. Кроме данного режима трансформатор может оказаться в аварийном режиме – режиме короткого замыкания. Кроме того одним из этапов испытания и проверки параметров трансформатора является опыт короткого замыкания, при котором на первичную обмотку подают такое напряжение, при котором в замкнутой вторичной обмотке протекает номинальный ток. Данный опыт и опыт короткого замыкания позволяют определить КПД трансформатора. Об этом пойдет речь в данной статье.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

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:

Виды КЗ у трансформаторов

При возникновении короткого замыкания, трансформатор вплотную подходит к предельному рабочему режиму. В этом случае на первичную обмотку поступает какое-то напряжение, а вторичная оказывается замкнутой.

Короткое замыкание трансформатора может быть аварийным или испытательным. В первом случае опасная ситуация возникает в режиме эксплуатации устройства, при подключении его к номинальному первичному напряжению. В обмотках появляется ток короткого замыкания, многократно превышающий номинал, и прибор выходит из строя. Как правило, основные детали сгорают, и вся схема просто разваливается на части.

Избежать подобных негативных последствий возможно с помощью защитной аппаратуры – автоматов, предохранителей, реле и т.д. Она производит отключение в максимально короткие сроки со стороны первичной обмотки и тем самым сохраняет устройство от разрушения.

В испытательном режиме, известном в качестве опыта короткого замыкания, подобная ситуация создается искусственным путем. С этой целью на первичную обмотку подается пониженное напряжение. При этом, токи в каждой обмотке не выходят за пределы номинала. Данный опыт позволяет точно установить наиболее важные параметры и характеристики трансформаторного устройства. Каждое из коротких замыканий следует рассмотреть более подробно, с точки зрения его физического воздействия на трансформатор.

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.

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].

Методика расчёта напряжения, потерь и сопротивления КЗ

Расчёты ведутся в следующей последовательности:

Iμ = I0sinΦ0 и Iw = I0cosΦ0.

X0 = V1 / Iμ и R0 = V1 / Iw.

Здесь V1 – показания вольтметра на обмотке низкого напряжения.

W1 = 2IμR0 и W2 = 2IwХ0

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.

Физические процессы при аварийном замыкании

С технической точки зрения любой трансформатор должен обязательно разрушиться в результате замыкания и действия высоких токов. Основной причиной выступает незначительное сопротивление проводов и обмоток, которое многократно превышается сопротивлением подключенной нагрузки.

Следует учитывать и резкое повышение температуры в обмотках, достигающей 500-600 градусов в течение 1-2 секунд. Этого вполне достаточно, чтобы они полностью сгорели. Нельзя забывать о механических усилиях, возникающих между обмотками во время работы, и стремящихся сдвинуть их в осевом и радиальном направлениях. Эти усилия существенно увеличиваются при возрастании силы тока, что теоретически должно привести к мгновенному разрушению трансформатора. Тем не менее, на практике все происходит по-другому.

Трансформаторные устройства оказываются способными выдержать токи коротких замыканий в течение малого временного промежутка, пока не сработает защита и они не будут отключены от сети. Было выявлено какое-то дополнительное сопротивление, ограничивающее высокие токи в обмотках. Оно образуется благодаря магнитным потокам рассеяния, отходящим от основного потока и замыкающимся вокруг витков соответствующей обмотки.

Величина и разница этого рассеяния практически не поддается точному измерению, в основном, из-за различных путей, используемых для замыкания магнитных потоков. В связи с этим, его оценка производится по влиянию, оказываемому на ток и напряжение в обмотках. Была выявлена закономерность, в соответствии с которой при возрастании тока в обмотках, увеличиваются и магнитные потоки. В нормальном рабочем режиме они составляют незначительную часть основного потока, поскольку лишь частично связаны с витками. Основной же поток оказывает влияние на все без исключения витки обмоток.

Таким образом, действие дополнительного сопротивления позволяет свести до минимума потери КЗ трансформатора. Все негативные параметры снижаются во много раз и не наносят вреда. То есть, прибор сам способен защититься от высоких токов, возникающих при замыканиях. Подобные ситуации возникают достаточно редко, но все равно к ним нужно готовиться заранее, своевременно осуществляя необходимые защитные мероприятия.

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:

Iкз = 1,732× I = 2,0903 (A)

Максимальный ток повреждения Imax на вторичных клеммах:

Imax = Iкз/Δ Z = 2,0903/0,0575 = 36,5437 (А)

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

Что делать, если измеренный ток КЗ слишком низкий?

Допустим, мы измерили прибором и получили значение тока КЗ в розетке (как правило, измерение проводят в самой удалённой точке). Как понять, что этот ток – слишком низкий? Это оценивается по критерию гарантированного срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя в измеренной цепи. Логично, что для этого ток КЗ должен быть больше, чем верхний предел диапазона расцепления. Напоминаю, для характеристики “В” разброс 3…5 In, для “С” – 5…10 In, для “D” – 10…20 In. Чтобы сказать точнее, обратимся в ПУЭ (п.7.3.139):

7.3.139. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью в целях обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или нулевой защитный проводник возникал ток КЗ, превышающий не менее чем в 4 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и не менее чем в 6 раз ток расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратнозависимую от тока характеристику.

При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (без выдержки времени), следует руководствоваться требованиями, касающимися кратности тока КЗ и приведенными в 1.7.79.

Как я понял, в первой части 7.3.139 говорится только о тепловом расцепителе – его номинальный ток должен быть по крайней мере в 6 раз меньше тока КЗ. Во второй части этого пункта, а также в п.1.7.79 говорится о максимальном времени отключения при КЗ (0,4 с), которое должно быть обеспечено только электромагнитным расцепителем. При этом четко не указано о выборе АВ с учетом его характеристики отключения.

Из-за этой расплывчатости формулировки пользуются правилом, изложенным в ПТЭЭП (проверка срабатывания защиты при системе питания с заземленной нейтралью, п.28.4), где говорится о том, что при замыкании на нулевой защитный проводник ток КЗ должен быть не менее “1,1 верхнего значения тока срабатывания мгновенно действующего расцепителя”.

То есть, для автомата В10 ток КЗ в конце линии, которую он защищает, должен быть не менее 10х5х1,1 = 55 А. Если же установлен автомат С25, ток КЗ должен быть не менее 25х10х1,1 = 275 А.

Если же ток КЗ меньше, допустимое время срабатывания отнюдь не гарантируется. Что же делать? Тут два выхода:

Видео

Кофе капсульный Nescafe Dolce Gusto Капучино, 3 упаковки по 16 капсул

Кофе в капсулах Nescafe Dolce Gusto Cappuccino, 8 порций (16 капсул)

Apple iPhone 11 Pro 256GB

Проверка работы

Главное назначение данного опыта в сочетании с экспериментом короткозамкнутого состояния – нахождение коэффициента полезного действия трансформирующего устройства. После постановки трансформатора в надлежащий режим проводятся следующие измерения:

Измерение напряжения трансформатора мультиметром

Описание процесса

Намагничивание трансформатора изза включения его под напряжение считается самым неблагоприятным случаем, вызывающим БНТ наибольшей амплитуды. Когда производится отключение трансформатора, напряжение намагничивания оказывается равным нулю, ток намагничивания снижается до нуля, в то время как магнитная индукция изменяется согласно характеристике намагничивания сердечника. Указанное обуславливает наличие остаточной индукции в сердечнике. Когда, по истечении некоторого времени, производится повторное включение трансформатора под напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону, магнитная индукция начинает изменяться по тому же закону, однако со смещением на значение остаточной индукции. Остаточная индукция может составлять 80–90% номинальной индукции, и, таким образом, точка может переместиться за излом характеристики намагничивания, что, в свою очередь, обуславливает большую амплитуду и искажение формы кривой тока.

На рисунке представлена характерная форма БНТ. Данная осциллограмма отображает наличие длительно затухающей апериодической составляющей, может быть охарактеризована содержанием различных гармоник и большой амплитудой тока в начальный момент времени (до 30 раз превышающей значение номинального тока трансформатора). Кривая значительным образом затухает через десятые секунды, однако полное затухание характерно через несколько секунд. При определенных обстоятельствах БНТ затухает лишь спустя минуты после включения трансформатора под напряжение.

Источник

Измеряем опытом холостой ход и короткое замыкание в трансформаторе

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:

Опыт короткого замыкания трансформатора

Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном токе первичной обмотки. Схема для проведения опыта короткого замыкания приведена на рис. 11.3. Опыт проводится для определения номинального значения тока вторичной обмотки, мощности потерь в проводах и падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора.
При коротком замыкании цепи вторичной обмотки, ток в ней ограничивается только малым внутренним сопротивлением этой обмотки. Поэтому, даже при относительно небольших значениях ЭДС Е

Величина напряжения первичной обмотки в опыте короткого замыкания мала и составляет 5 ¸ 10% от номинального. Поэтому и действующее значение ЭДС вторичной обмотки Е

2 составляет 2 ¸ 5%. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток, а значит и мощность потерь в магнитопроводе —
Рс
. Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте короткого замыкания, практически определяют только потери в проводах
Рпр
, причем:

Выразим ток I2К через приведенный ток :

Тогда выражение (11.3) перепишем в виде:

— активное сопротивление трансформатора в режиме короткого замыкания, причем:

Значение активного сопротивления трансформатора позволяет рассчитать его индуктивное сопротивление:

При точном расчете нужно учитывать, что RК

зависит от температуры. Поэтому полное сопротивление трансформатора определяют приведенным к температуре 75 0 С, т.е.:

Теперь легко определить падение напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора — :

На практике пользуются приведенным значением UК

, в процентах, обозначая его звездочкой, т.е.:

Это значение приводят на паспортном щитке трансформатора.

Знание внутреннего сопротивления трансформатора позволяет представить его схему замещения в виде рис.11.4. Векторная диаграмма, соответствующая этой схеме приведена на рис. 11.5.

На практике пользуются относительной величиной DU

, в процентах, обозначенной звездочкой, т.е.:

Для мощных трансформаторов (SH

> 1000 В×А) опыт короткого замыкания может служить для контроля коэффициента трансформации. Для таких трансформаторов в режиме короткого замыкания током холостого хода можно пренебречь, считая:

Последнее выражение тем точнее, чем больше мощность трансформатора. Однако оно не приемлемо для маломощных трансформаторов.

Режим холостого хода трансформатора

Этот режим характеризует подача переменного напряжения, меняющегося по принципу синусоиды, на первичную обмотку аппарата, при этом во вторичной, находящейся в разомкнутом состоянии, электроток отсутствует полностью. В таком случае трансформаторное устройство напоминает катушку индуктивности с замкнутым магнитопроводом из ферромагнетика. Чтобы проводить опыты с трансформатором, находящимся в данном состоянии, потребуется изучить принципиальную схему, соответствующую используемому устройству (однофазному или трехфазному).

Схема трансформатора при холостом ходе

Опыт короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания трансформатора

Опыт короткого замыкания производится на приемо-сдаточных испытаниях при выпуске с завода каждого трансформатора. Но не нужно думать, что у каждого трансформатора при этом на полном рабочем напряжении закорачивают вводы вторичной или первичной обмоток, т. е. создают аварийные режимы.

Испытания, при которых искусственно создаются аварийные режимы, производятся только на одном представителе целой серии аналогичных трансформаторов и входят в состав типовых испытаний трансформатора. Задача этих испытаний — проверить электродинамическую стойкость типовой конструкции того или иного трансформатора. Задача опыта короткого Замыкания при приемо-сдаточных испытаниях на заводе — оценить потери в обмотках и конструкции, а также потоки рассеяния в трансформаторе.

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].

Почему при опыте короткого замыкания ток в первичной обмотке достигает номинального значения

§ 85. Опыт холостого хода и короткого замыкания

Для испытания трансформатора основными являются опыт холостого хода и опыт короткого замыкания. При опыте холостого хода трансформатора (рис. 106) его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (I

2 = 0), а первичная обмотка включена в сеть источника электрической энергии переменного тока. В таких условиях в первичной обмотке протекает ток холостого хода
I
, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5 — 10% от номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25 — 30% номинального тока.

Ток холостого хода I

создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Активная мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, расходуется на покрытие потерь мощности в магнитопроводе, вызываемых гистерезисом и вихревыми токами. Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности (cos φ) его весьма мал и обычно равен 0,2 — 0,3. По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила тока холостого хода
I
, потери в стали сердечника
Р
ст и коэффициент трансформации
К
. Сила тока холостого хода
I
измеряется амперметром, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора. При испытании трехфазного трансформатора определяют фазный ток холостого хода. Потери в стали сердечника
Р
ст измеряются ваттметром, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора. Это делается на том основании, что потери в проводниках первичной обмотки вследствие малой силы тока холостого хода незначительны и ими можно пренебречь и считать, что при холостом ходе вся мощность затрачивается только на потери в стали. Коэффициент трансформации трансформатора определится отношением показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток. При холостом ходе трансформатора во вторичной обмотке тока нет, следовательно, нет и падения напряжения в этой обмотке, и э. д. с.
E
2, индуктируемая во вторичной обмотке, равна напряжению
U
2 на зажимах этой же обмотки, т. е.
E
2 =
U
20.

Анализ результатов измерения

При приемосдаточных испытаниях и капитальном ремонте полученные данные сравниваются с протоколом о соответствующих испытаниях, проведенных на заводе после изготовления трансформатора. Расхождение более 5 % не допускается.

Для однофазных трансформаторов в этих же случаях мощность потерь не должна отличаться от исходной величины более, чем на 10%.

В эксплуатации измеряется только ток холостого хода на основании опыта с номинальным напряжением или мощность потерь при пониженном. ПТЭЭП при этом не нормирует отклонения от нормы.

Однако, при подозрении на повреждение в трансформаторе метод измерения потерь с использованием трех последовательно проведенных опытов дает очень ценный результат. Поскольку обмотки фаз трансформатора находятся в неравных условиях, то можно не только вычислить, есть ли там дефект, но и определить дефектную фазу.

Путь магнитного потока при возбуждении выводов АВ и ВС одинаков. Поэтому и мощности потерь для опытов на этих фазах не будут отличаться. При возбуждении фаз АС путь, пройденный магнитным потоком, длиннее, поэтому мощность потерь будет на 25-50% превышать предыдущие. Сравнивая эти показатели, можно выявить, на какой фазе есть дефект.

Опыт короткого замыкания трансформатора

Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и сильно пониженном напряжении на первичной обмотке, при это ток в первичной обмотке не превышает номинального значения. Схема для проведения опыта короткого замыкания приведена на рис. 11.3. Опыт проводится для определения номинального значения тока вторичной обмотки, мощности потерь в проводах и падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора.

Величина напряжения первичной обмотки в опыте короткого замыкания мала и составляет 5 ¸ 10% от номинального. Поэтому и действующее значение ЭДС вторичной обмотки Е2 составляет 2 ¸ 5%. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток, а значит и мощность потерь в магнитопроводе — Рс. Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте короткого замыкания, практически определяют только потери в проводах Рпр, причем

Таким образом в режиме короткого замыкания определяется электрические потери в проводах, которые называются потерями в меди. В этом режиме также определяется качество сборки трансформатора.

В качестве нагрузки подключаемой к трансформатору используются:

2. Осветительные устройства

Из опыта с нагрузкой определяется:

1. — выходная мощность

2. — коэффициент нагрузки

Внешняя характеристика трансформатора.

Внешней характеристикой трансформатора называется зависимость вторичного напряжения U2 от тока I2 при фиксированном напряжении U1, при cosj=const

При активной нагрузке угол фи равен нулю и напряжение U2 остается неизменным при всех значениях нагрузки. При активно-индуктивной нагрузке фи положителен, и чем он больше, тем больше потери напряжения и тем значительнее снижение напряжения U2 с ростом тока нагрузки. При активно-емкостной нагрузке фи отрицателен и потери напряжения так же отрицательны, с ростом тока нагрузки напряжение U2 увеличивается.

Такой вид имеет внешняя характеристика трансформатора большой мощности, для трансформаторов малой мощности графики характеристик необходимо повернуть относительно точки U2ХХ по часовой стрелке.

Графически зависимости этих величин от величины тока во вторичной обмотке имеют вид:

Рассмотрим зависимость КПД трансформатора от коэффициента нагрузки. Определим при каком значении коэффициента нагрузки КПД трансформатора имеет максимальное значение.

Таким образом КПД трансформатора достигает максимального значения при такой нагрузке, когда потери в стали равны электрическим потерям в меди то есть при условии равенства

Определить величину оптимального коэффициента нагрузки, можно графически построив графики магнитных и электрических потерь. При этом точка их пересечения позволит найти значение оптимального коэффициента нагрузки при максимальном КПД трансформатора.

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Роль электрических машин в промышленности и на транспорте. Электрические машины неотъемлемо связаны с электрической энергией.

Ее преимущества перед другими видами энергии:

— наиболее универсальная энергия, легко преобразуется в другие виды: механическую, тепловую, химическую, лучистую энергию;

— возможность передавать ее на большие расстояния с малыми потерями;

— возможность доставлять электрическую энергию в любую точку на Земле.

Электрическую энергию вырабатывают на электростанциях, где механическая энергия пара, воды преобразуется в электрическую с помощью электрогенераторов (везде переменного тока). Обратное преобразование энергии – с помощью электродвигателей (электромоторов).

Трансформаторы – статические машины, но электромагнитные законы те же, что и у вращающихся машин.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

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.

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:

Iкз = 1,732× I = 2,0903 (A)

Максимальный ток повреждения Imax на вторичных клеммах:

Imax = Iкз/Δ Z = 2,0903/0,0575 = 36,5437 (А)

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

Таблица потерь

Когда цепочка второй катушки разомкнута, она не использует какой-либо рабочей мощности. У той мощности, что потребляет первая, есть некоторый активный процент (он и представляет собой потери прибора), но доминирует реактивный, отвечающий за намагничивание и отдаваемый генератору. Что касается потерянной мощности, то большая ее часть затрачивается на процессы перемагничивания и генерацию вихрей токов магнитопровода. Из-за этого последний начинает перегреваться. Так как поток рассеяния не зависит от нагрузочного электротока, то мощностные потери имеются не только на холостом ходу, но и при подаче нагрузок. Еще некоторая часть потерь (очень небольшая) затрачивается на нагревание катушечного провода. Ее малое значение обусловлено показателями сопротивления проводка и тока холостого хода.

При напряжении 10/0,4 кВ величина потерь будет возрастать по мере увеличения мощности. Для номинального показателя мощности в 250 кВА потери будут равны 730 Вт, для 400 кВА – 1000 Вт, для 2500 кВА – 4200 Вт. По прошествии лет эксплуатации в магнитопроводе происходят процессы, увеличивающие объем потерь: изнашивается изоляция, изменяются структурные характеристики металла. Из-за этого теряться может до 50% мощности.

Расчет КПД трансформатора

Энергетические потери в приборе, происходящие в медных и стальных комплектующих, обусловливают расхождение параметров выходной и потребительской мощности. То, насколько эффективен аппарат, можно узнать, вычислив его КПД: он равен частному выходного и потребляемого значений. Последнее равно сумме первого, потерь для стального сердечника (они узнаются при эксперименте холостого хода) и для медных элементов (вычисляются по замерам короткозамкнутого устройства).

Проведение опытов КЗ и ХХ – надежный способ вычислить эффективность трансформатора. Оно также позволяет определить объемы энергетических потерь и узнать, на какой компонент приходится большая их часть.

Описание процесса

Намагничивание трансформатора изза включения его под напряжение считается самым неблагоприятным случаем, вызывающим БНТ наибольшей амплитуды. Когда производится отключение трансформатора, напряжение намагничивания оказывается равным нулю, ток намагничивания снижается до нуля, в то время как магнитная индукция изменяется согласно характеристике намагничивания сердечника. Указанное обуславливает наличие остаточной индукции в сердечнике. Когда, по истечении некоторого времени, производится повторное включение трансформатора под напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону, магнитная индукция начинает изменяться по тому же закону, однако со смещением на значение остаточной индукции. Остаточная индукция может составлять 80–90% номинальной индукции, и, таким образом, точка может переместиться за излом характеристики намагничивания, что, в свою очередь, обуславливает большую амплитуду и искажение формы кривой тока.

На рисунке представлена характерная форма БНТ. Данная осциллограмма отображает наличие длительно затухающей апериодической составляющей, может быть охарактеризована содержанием различных гармоник и большой амплитудой тока в начальный момент времени (до 30 раз превышающей значение номинального тока трансформатора). Кривая значительным образом затухает через десятые секунды, однако полное затухание характерно через несколько секунд. При определенных обстоятельствах БНТ затухает лишь спустя минуты после включения трансформатора под напряжение.

Источник