Что такое режим короткого замыкания трансформатора

Режим короткого замыкания трансформатора

Короткое замыкание трансформатора – это такой режим работы трансформатора, когда вторичная обмотка замкнута накоротко, т.е. z_нг = 0, при этом U₂ = 0. В условиях, когда к трансформатору подведено первичное номинальное напряжение U₁= U_1н, короткое замыкание является аварийным режимом и представляет большую опасность для трансформатора, т.к. ток короткого замыкания I_к >(10 … 20)I_1н. Поэтому при опыте короткого замыкания (к.з.) вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к зажимам первичной обмотки подводят пониженное напряжение U_к = (5 … 10)%U_н (рис. 2.20). При этом под номинальным напряжением короткого замыкания подразумевают напряжение, подведённое к зажимам первичной обмотки при замкнутой вторичной, когда по обеим обмоткам протекают номинальные токи. Номинальное напряжение короткого замыкания составляет U_кн =(3 … 10)%U_н. Часто напряжение короткого замыкания выражают в процентах от номинального напряжения: (2.57) При коротком замыкании токи исоздают МДСи, в результате взаимодействия которых создаётся основной магнитный поток. А так какU_к =(5 … 10)%U_н, то основной магнитный поток и необходимая для его создания МДС невелики, вследствие чего намагничивающим токоми намагничивающим контуром в схеме замещения можно пренебречь. Рис. 2.20. К работе трансформатора при коротком замыкании Тогда запишем уравнения напряжений и токов: (2.58) Учитывая, что , получаем , (2.59) Учитывая, что , получаем . (2.60) Раскрывая полные сопротивления первичной и вторичной обмоток, получаем: . (2.61) Здесь I_к – ток короткого замыкания, r_к, x_к, z_к – активное, индуктивное и полное сопротивления короткого замыкания соответственно, причём (2.62) Тогда схемы замещения трансформатора при коротком замыкании (рис. 2.21) Рис. 2.21. Схемы замещения трансформатора

При коротком замыкании

Согласно уравнениям напряжений и токов, построим векторную диаграмму трансформатора в режиме короткого замыкания (рис. 2.22). Рис. 2.22. Векторная диаграмма

Трансформатора при коротком замыкании

Для режима короткого замыкания обычно строят треугольник короткого замыкания (рис. 2.22). Стороны треугольника соответствуют: , (2.63) где – активная, реактивная составляющие напряжения короткого замыкания, и полное напряжение короткого замыкания соответственно при токе короткого замыкания. Активная, реактивная составляющие напряжения короткого замыкания, и напряжение короткого замыкания, выраженные в процентах (при токе короткого замыкания ): (2.64) Номинальные величины активной, реактивной составляющих напряжения короткого замыкания, и номинальное напряжение короткого замыкания, выраженные в процентах: (2.65) Можно выразить номинальные величины активной, реактивной составляющих напряжения короткого замыкания, и номинальное напряжение короткого замыкания в относительных единицах: (2.66) Сопротивления короткого замыкания (или параметры короткого замыкания) также выражают в процентах или относительных единицах. Так, полное сопротивление короткого замыкания: . (2.67) Аналогично, активное и реактивное составляющие сопротивления короткого замыкания в относительных единицах: (2.68) Так как обмотки в режиме короткого замыкания нагреваются, то активное сопротивление короткого замыкания и все величины, с ним связанные, приводят к температуре 75: , (2.69) где  – температурный коэффициент, равный для меди и алюминия: =0,004; ₁ – температура окружающей среды. Тогда полное сопротивление схемы замещения, приведённое к температуре 75: (2.70) Коэффициент мощности при коротком замыкании: . (2.71) Активная составляющая напряжения короткого замыкания: (2.72) При к.з. ЭДС и поток составляют всего несколько процентов от их значений при номинальном напряжении, то магнитными потерями можно пренебречь и считать, что потребляемая трансформатором мощность при коротком замыкании идёт полностью на покрытие электрических потерь в обмотках: . (2.73) Потери короткого замыкания (или мощность короткого замыкания) также приводят к температуре 75: . (2.74)

Режим короткого замыкания.

Режимом короткого замыкания трансформатора называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко или на очень малое сопротивление. Короткое замыкание в условиях эксплуатации создаёт аварийное состояние, поскольку вторичный ток, а, следовательно, и первичный, увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальными, что может вызвать разрушение трансформатора. Поэтому в цепях с трансформатором должна быть предусмотрена защита, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

В лабораторных условиях можно провести испытательные опыты по короткому замыканию трансформатора. Для этого опыта на первичную обмотку подаётся очень маленькое (близкое к нулю) напряжение, а зажимы вторичной обмотки трансформатора замыкаются накоротко. Таким образом, в режиме короткого замыкания на трансформатор подаётся очень маленькая мощность. Посредством вольтметра, амперметра и ваттметра измеряются напряжение U₁ кор , ток I₁ кор и мощность Р₁ кор , потребляемая трансформатором. При очень малом напряжении U₁, и малом токе первичной обмотки в сердечнике возбуждаются малые магнитные потоки Φ_кз (основной магнитный поток сцепления уже сравним с магнитным потоком рассеяния, которым пренебрегали в рассматриваемых ранее электромагнитных процессах). Малость магнитных потоков приводит к тому, что потери в стали сердечника становятся близки к нулю (Р_ст  0). Вместе с тем при опыте короткого замыкания величины сил токов, а значит и потери в проводниках обмоток такие же, как и при нагрузке. На этом основании можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность Р₁ кор затрачивается на джоулевы потери в проводниках обмоток трансформатора:

Иногда трансформатор представляют в виде упрощённой эквивалентной схемы, для которой используется понятие активного сопротивления. Активное сопротивление трансформатора или сопротивление короткого замыкания R_КЗ определяется в режиме короткого замыкания как:

.

Опыт короткого замыкания служит также контрольным опытом для определения коэффициента трансформации. Так как в этом режиме суммарный магнитный поток в сердечнике очень мал, то в первом приближении намагничивающая сила в первичной цепи I₁·n₁ уравновешивается размагничивающим действием вторичного тока I₂·n₂:

.

Порядок выполнения работы.

1. Изучить схему (Рис. 46.2), стационарно собранную на лабораторном столе.
2. Провести опыт холостого хода трансформатора.

1. Проверить положение ключей К₁ и К₂ во вторичной цепи. Они должны быть разомкнуты.
2. Установить напряжение U₁ = 120 В в первичной цепи с помощью ЛАТРа.
3. Снять показания всех приборов и записать их в первую строку Таблицы 46.1.

1. Выполнить измерения в рабочем режиме трансформатора.

1. Замкнуть ключ К₁ во вторичной цепи.
2. Напряжение в первичной цепи U₁ = 120 В поддерживать постоянным в течение опыта.
3. Изменять ток I₂вторичной цепи от 1 до 10 A через 1 A, изменяя сопротивление нагрузки с помощью реостатов R₁ и R₂.
4. Показания всех приборов свести в Таблицу 46.1.

1. Провести опыт короткого замыкания трансформатора.

1. Напряжение в первичной цепи установить равным 0 (U₁ = 0 В)
2. Только после того, как убедитесь, что вольтметр первичной цепи показывает 0, можно замкнуть ключи К₁и К₂ во вторичной цепи.
3. С помощью ЛАТРа постепенно увеличивая напряжение в первичной цепи последовательно установить значения тока I₂ от 2 А до 10 А через 2 А. В Таблицу 46.2 занести показания амперметра и ваттметра (I₁ и P₁) в первичной цепи.
4. . В Таблицу 46.2 занести показания амперметра и ваттметра (I₁ и P₁) в первичной цепи.

U1, В	I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А	P2, Вт
Режим холостого хода
120 1	15	43	105	0	0
Рабочий режим
1,0
2,0
…
…
10

Таблица 46.2. Режим короткого замыкания

I2, А	2,0	4,0	6,0	8,0	10,0
P1, Вт
I1, А

1. Какой физический закон лежит в основе работы трансформатора?
2. Какие режимы работы трансформатора предлагается изучить в работе?
3. Что такое коэффициент мощности трансформатора?
4. В каком режиме можно определить коэффициент трансформации?

Что такое напряжение короткого замыкания трансформатора

Чрезвычайно важным свойством силовых трансформаторов считается напряжение короткого замыкания (КЗ). Эта характеристика определяет конкретное устройство и находится в полной зависимости от его конструкции. На основании напряжения короткого замыкания можно установить способность трансформатора работать параллельно с другими устройствами, исключая возможные перегрузки и увеличение токов. Это позволяет с большей эффективностью решать задачи электроснабжения.

Назначение трансформатора

Определение параметров

• Коротким замыканием именуют режим, когда выходы вторичной трансформаторной обмотки замкнуты проводником, сопротивление которого практически нулевое. КЗ при функционировании устройства вызывает аварийную ситуацию, поскольку в обмотках происходит возрастание электротоков, существенно превосходящее номинальный электроток. В связи с этим в цепях с трансформаторами используют защиту, способную при коротком замыкании отключать питание.

Что такое режим КЗ

При воспроизведении КЗ накоротко замыкают выводы вторичной трансформаторной обмотки, а на первичную подают напряжение, ограничивающее ток в ней до номинального значения (I_К < I_1ном). Напряжение U_К, соответствующее номинальному току в первичной обмотке и выраженное в процентах, называют напряжением короткого замыкания трансформатора. Его указывают в паспорте устройства, а расчет выполняют по формуле:

Формула напряжения КЗ

Напряжение короткого замыкания силового трансформатора зависит от высшего напряжения на его обмотках. Если U_К составляет 5–10% от номинального напряжения на первичной обмотке, то ток холостого хода (намагничивающий ток) снижается в 10–20 раз, а то и намного больше. Поэтому считают, что в режиме КЗ

Равенство токов

Значение основного магнитопотока Ф тоже снижается в 10–20 раз, поэтому потоки рассеивания обмоток оказываются соизмеримыми с основным. На зажимах вторичного контура напряжение в режиме КЗ трансформатора становится нулевым. Поэтому формула ЭДС для вторичной обмотки принимает вид:

Вычисление ЭДС

Расчет напряжения осуществляется с помощью такого уравнения:

Расчет напряжения

Как видим, у напряжения КЗ есть активная и реактивная составляющая. Угол между ними определяется соотношением активного и реактивного (индуктивного) сопротивления трансформатора:

Угол между составляющими напряжения КЗ

На основании выше приведенных уравнений можно изобразить схему замещения и векторную диаграмму устройства.

Схема замещения и векторная диаграмма

Определение КЗ опытным путем

Опыт, связанный с напряжением КЗ, проводят с целью определения параметров трансформаторного устройства. В ходе эксперимента вторичную обмотку замыкают накоротко с помощью металлической перемычки или провода с практически нулевым сопротивлением. На первичную обмотку подают напряжение, при котором в ней возникает ток, равный номинальному значению. На основе измерений определяют напряжение КЗ, используя уже известную формулу.

Схема для опыта

Когда происходит короткое замыкание, напряжение U_к достигает минимального значения, поэтому потери холостого хода будут в сотни раз меньше, чем при наличии номинального напряжения. Следовательно, Р_по = 0, а мощность, измеряемая ваттметром, соответствует потерям мощности Р_пк, обусловленным активным сопротивлением трансформаторных обмоток. При номинальном значении тока возникают номинальные потери мощности

Р_{пк. ном}, связанные с нагревом обмоток. Их называют электропотерями или потерями КЗ.

На основании уравнения напряжения можно записать:

Определение полного сопротивления

Расчет полного сопротивления несложно выполнить, воспользовавшись результатами измерений:

Формула сопротивления

Формула для определения мощности при КЗ выглядит так:

Формула мощности

Отсюда находим активное сопротивление

Вычисление активного сопротивления

Если известны значения полного и активного сопротивлений, можно без особого труда найти индуктивную составляющую:

Вычисление индуктивного сопротивления

Выполнив расчет сопротивлений, можно построить треугольник напряжений, а затем использовать его для определения активной и индуктивной составляющей напряжения КЗ:

Вычисление составляющих напряжения

Опыт КЗ обычно проводится на заводе при выпуске трансформатора нового исполнения. Задача такого опыта — проверка электродинамической стойкости типовой конструкции. В ходе испытаний оцениваются потери, возникающие в обмотках, а также потоки рассеивания.

Напряжения КЗ стандартизованы. Например, для трансформаторов мощностью 25–630 кВ оно должно составлять 4.5–4.7%, мощностью 6300 — 7.5%. Реальные показатели могут отличаться от стандартных не более чем на десять процентов.

Пример таблицы со значениями напряжения КЗ

Расчет токов

Если известно значение u_к, можно найти ток КЗ в обмотке:

Вычисление тока КЗ

Поскольку напряжение выражается в процентах, то формулу можно представить так:

Другой вид формулы

На основании этой формулы можно сделать вывод, что при u_к = 5% ток I_1к будет в 20 раз больше по сравнению с первичным током I₁, обеспечивающим нормальную работу трансформатора.

Чем большим будет напряжение при КЗ, тем меньше ток. Вследствие этого температура обмоток будет увеличиваться медленнее, значит, меньше становится опасность возникновения повреждения изоляции и прочих элементов трансформатора. Но чем больше u_к, тем выше рассеяние, поэтому увеличиваются потери в конструкции и происходит падение напряжения в обмотках. В результате уменьшается КПД.

Напряжение короткого замыкания трансформатора

В энергетических системах существуют различные устройства, предназначенные для производства, преобразования и передачи электроэнергии на большие расстояния. Среди них следует отметить конструкции силовых трансформаторов. Именно они преобразуют одно значение напряжение в другое, в зависимости от потребностей. Важнейшей характеристикой является напряжение короткого замыкания трансформатора. Данная величина соответствует конкретному изделию и полностью зависит от его конструкции. Зная ее, возможно установить способность трансформатора к параллельной работе, позволяющей избежать увеличения токов, снизить перегрузки, более эффективно решать задачи электроснабжения.

Общие сведения о трансформаторах

Практически на всех объектах энергосистемы практикуется установка трехфазных трансформаторов. Их потери по сравнению с однофазными устройствами снижены на 12-15%, а себестоимость на 20-25% ниже, чем у трех преобразователей с аналогичной суммарной мощностью.

Каждый трансформатор имеет собственную предельную единичную мощность, которая полностью зависит от размеров, веса и условий доставки оборудования к месту монтажа. Так мощность трехфазных устройств на 220 кВ составляет около 1000 МВА, при 330 кВ этот показатель повышается до 1250 МВА и т.д.

Применение однофазных трансформаторов встречается значительно реже. Они устанавливаются при невозможности выбора или изготовления трехфазного устройства с запланированной мощностью. Многие трехфазные преобразователи сложно доставлять к месту установки из-за больших размеров и веса. Поэтому однофазные устройства группируются в зависимости от требуемой общей мощности. Приборы на 500 кВ составляют 3х533 МВА, на 750 кВ – 3х417 МВА, на 1150 кВ – 3х667 МВА.

В соответствии с числом обмоток, рассчитанных на разные потенциалы, преобразователи могут быть двух- или трехобмоточными. В свою очередь, обмотки с одним и тем же напряжением бывают разделены на параллельные ветви в количестве две и выше. Они разъединены между собой перегородками и разделяются изоляцией с заземляющими элементами. Подобные обмотки называются расщепленными, и в соответствии с напряжением, которое бывает высшим, средним или низшим, они обозначаются как ВН, СН и НН.

Читайте также:
Как рассчитать мощность трансформатора

Наиболее значимые характеристиками трансформаторов:

• Номинальная мощность. Это наибольший показатель, до которого преобразователь может быть беспрерывно нагружен в обычных условиях, определенных паспортными данными
• Номинальное обмоточное напряжение. Включает в себя сумму потенциалов обмоток №№ 1 и 2 в режиме холостого хода. При подключении к потребителю и подаче на обмотку-1 обыкновенного напряжения, во вторичной обмотке оно будет снижено на величину потерь. Отношение высшего напряжения к низшему называется коэффициентом трансформации.
• Номинальные токи. Их величина отмечена в документации и должна обеспечивать нормальную функциональность трансформатора в течение продолжительного времени.
• Номинальный ток обмоток. Величина определяется номинальной мощностью и потенциалом преобразователя.
• Напряжение КЗ трансформатора. Образуется в условиях, когда обмотка-2 коротко замыкается, а к первичной подходит обычный номинальный ток. Данный показатель определяется по спаду напряжения и характеризует величину полного сопротивления трансформаторных обмоток.

Характеристика напряжения короткого замыкания

Рассматриваемый параметр является одной из основных характеристик трансформаторных устройств. Его показатели должны быть минимальными во избежание чрезмерных ограничений токов КЗ. Проводимые испытания устанавливают их соответствие нормам и требованиям, определяемым ПУЭ. Одновременно проверяется состояние изоляции проводов.

В трансформаторах с двумя обмотками напряжением, КЗ является величина, приведенная к заданной температуре и номинальной частоте, подводимая к одной из обмоток, в то время как другая замыкается накоротко. После этого номинальный ток устанавливается в каждой обмотке, а переключатель занимает положение, обеспечивающее подачу номинального напряжения.

Используя напряжение КЗ, можно установить падение напряжения, внешние характеристики и токи короткого замыкания преобразователя. Эти данные учитываются при дальнейшем включении трансформатора в параллельную работу. Напряжение короткого замыкания включает в себя активную и реактивную составляющие.

Величина активной составляющей определяется в процентах и вычисляется по следующей формуле: U_a = (P_об1 + P_об2)/10S_н = Р_об/10S_н, в которой Роб – общие потери в трансформаторных обмотках, S_н – номинальная мощность устройства (кВА).

Читайте также:
Заземление нейтрали трансформатора

Значение реактивной составляющей определяется по собственной формуле, в которой все переменные величины определяются заранее: Х_к = √Z_k2 – R_k2. В ней Z_k2 и R_k2 являются общим и активным сопротивлением вторичной обмотки.

Лабораторные испытания

В режиме КЗ обмотка-2 оказывается перемкнутой проводником тока, сопротивление которого стремится к нулю. В процессе деятельности трансформатора, короткое замыкание приводит к возникновению аварийного режима, поскольку величина первичного и вторичного токов многократно возрастает в сравнении с номиналом. В связи с этим для таких устройств предусматривается специальная защита для самостоятельного отключения.

В лабораториях короткое замыкание используется для испытания трансформаторов. С этой целью на обмотку-1 подается напряжение U_к, не превышающее номинал. Обмотка-2 замыкается коротко и в ней возникает напряжение, обозначаемое _uK, которое является напряжением короткого замыкания трансформатора, выраженное в % от U_к. При этом ток короткого замыкания равен номинальному. Как формула — это будет выглядеть в виде _uK = (U_к х 100)/U_1ном, где U_1ном будет номинальным напряжением в первичной обмотке.

Напряжение КЗ напрямую связано с высшим напряжением трансформаторных обмоток. Если оно составляет от 6 до 10 кВ, то величина _uK будет 5,5%, при 35 кВ – 6,5-7,5%, при 110 кВ – 10,5% и далее по нарастающей. Быстро найти значение поможет специальная таблица.

Опыт и напряжение КЗ

Установить параметры трансформатора с достаточно высокой точностью позволяет опыт короткого замыкания. Для этой цели используется специальная методика, при которой обмотка-2 коротко замыкается с помощью токопроводящей перемычки или проводника. Сопротивление замыкающего элемента очень низкое и стремится к нулю. В обмотку-1 поступает напряжение (U_к), при котором сила тока (I_ном) будет номинальной. К выводам подключаются измерительные приборы – амперметр, вольтметр и ваттметр, необходимые для выявления требуемых показателей трансформатора.

В режиме КЗ напряжение короткого замыкания _uK будет слишком маленьким, что вызывает многократное снижение потерь холостого хода по сравнению с номиналом. Следовательно, можно условно принять мощность первичной обмотки равной нулю – Р_по = 0, а мощность, замеряемая ваттметром, будет потерянной мощностью короткого замыкания (Р_пк), вызванной под влиянием активного сопротивления трансформаторных обмоток.

Читайте также:
Режим короткого замыкания трансформатора

При режиме с одинаковыми токами можно определить величину номинальных потерь мощности, связанных с нагревом обмоток, известные как потери короткого замыкания или электрические потери (Р_пк._ном).

Потери холостого хода и короткого замыкания

Помимо напряжения короткого замыкания существуют и другие, не менее важные параметры трансформаторных устройств. Например, экономичность их работы во многом определяется потерями холостого хода (Р_х) и короткого замыкания (Р_к).

В первом случае затраты связаны с потерями в стальных компонентах, задействованных в создании вихревых токов и перемагничивании. Они снижаются за счет использования специальной электротехнической стали, содержащей малое количество углерода и определенные виды присадок. Для защиты используется жаростойкое изоляционное покрытие. Существуют разные уровни потерь холостого хода и причины, от чего зависит величина их для преобразователей. Удельные потери уровня А составляют до 0,9 Вт/кг, а на уровне Б они будут не выше 1,1 Вт/кг.

Потери КЗ включают в себя потери в обмотках, находящихся под нагрузкой, а также дополнительные потери в обмотках и конструктивных элементах. На их появление оказывают влияние магнитные поля рассеяния, способствующие возникновению вихревых токов в витках, расположенных по краям обмотки и самих деталях устройства. Снизить такие потери возможно за счет использования в обмотках многожильного транспонированного провода, а на стенках бака устанавливаются экраны из магнитных шунтов.

Принцип работы и схема генератора переменного тока

Как проверить электродвигатель мультиметром: проверка ротора и статора на межвитковое замыкание, прозвонка асинхронного и трехфазного двигателя

Мультиметр: назначение, виды, обозначение, маркировка, что можно измерить мультиметром

Опыт короткого замыкания трансформатора

Схема и способы подключения асинхронного электродвигателя

Закон Ома для переменного тока