Определение характеристик холостого хода, короткого замыкания и параметров активных и пассивных элементов схемы замещения силового трансформатора

Параметры схемы замещения трансформатора могут быть определены как расчетным, так и опытным путем.

В практике трансформаторостроения широко используются методы опытного определения параметров схемы замещения.

Т-образная схема замещения трансформатора представляет собой пассивный четырехполюсник, параметры которого, как известно из теоретической электротехники, могут быть определены из опытов холостого хода и короткого замыкания.

Классическая схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора приведены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Классическая схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

Сетевая обмотка трансформатора подключается к синусоидальному напряжению, а нагрузочная обмотка разомкнута.

Для трехфазного трансформатора по показаниям трех амперметров и вольтметров определяются средние значения линейного тока и междуфазного напряжения, а по показаниям ваттметров – мощность холостого хода трех фаз, Р₀ = Р′ + Р″. Физический смысл имеют только значения сопротивлений, рассчитанные для фазы, поэтому необходимо принимать во внимание схему соединения обмоток. В случае соединения сетевой обмотки в «звезду»

; ; ,

а при соединении ее в «треугольник»

; ; .

Коэффициент мощности при холостом ходе

.

Коэффициент трансформации

,

где w₁, w₂ – число витков обмоток ВН и НН соответственно.

При холостом ходе, согласно схеме замещения, приведенной на рис. 3.3,

,

или, так как Z₁ << Z₀, с большой точностью ; .

Вследствие преобладания индуктивного сопротивления при U₀ = U_н коэффициент мощности cosφ ≤ 0,1.

Поскольку r₁ << r₀, то потери холостого хода практически равны магнитным потерям в сердечнике, включая потери от вихревых токов в стенках бака. Опыт холостого хода производят обычно для ряда значений U₀: от U₀ ≈ 0,3 · U_н до U₀ ≈ 1,1 · U_н – и по полученным данным строят характеристики холостого хода, представляющие собой зависимости I₀, P₀, z₀, r₀, cosφ₀ в функции U₀ (рис. 3.5).

При увеличении U₀ насыщение сердечника увеличивается, вследствие чего I₀ растет быстрее U₀. Поэтому z₀ и х₀ с ростом U₀ также уменьшаются. Так как P₀ ≡ Е₂ ≡ U₂, a I₀₂ растет быстрее U₀₂, то r₀ с ростом U₀ также уменьшается. По характеристикам холостого хода устанавливаются значения соответствующих величин для U_0н = U_н.

Классический опыт КЗ производится по схеме, приведенной на рис. 3.6. Нагрузочные обмотки замыкаются накоротко, а к сетевым обмоткам, во избежание перегрева и повреждения трансформатора, подводится пониженное напряжение с таким расчетом, чтобы ток находился в пределах номинального.

Рис. 3.5. Характеристики ХХ трансформатора в относительных единицах

Рис. 3.6. Классическая схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

В случае трехфазного трансформатора по показаниям приборов определяются средние значения междуфазного напряжения U_к.л, линейного тока I_к.л и мощности короткого замыкания трех фаз P_к. При соединении сетевой обмотки в «звезду» параметры короткого замыкания на фазу будут следующими:

; ; ,

а при соединении сетевой обмотки «треугольником»:

; ; ,

Коэффициент мощности при коротком замыкании определяется по формуле аналогичной для опыта ХХ.

Согласно схеме замещения, приведенной на рис. 3.3, сопротивление короткого замыкания

.

Так как в сотни раз больше , то в знаменателе второго слагаемого в правой части можно пренебречь . Поэтому высокую точность обеспечивают отношения

; ; .

Они соответствуют упрощенной схеме замещения при замкнутых между собой зажимах нагрузочной обмотки (U₂′ = 0).

Так как x₁ и x₂′ определяются потоками, замыкающимися по воздуху, то их значения, а также значение z_к не зависят от U_к и I_к. Характеристики короткого замыкания трансформатора приведены на рис. 3.7.

Напряжение U_к = U_кн, при котором ток короткого замыкания равен номинальному, I_к = I_н, носит название напряжения короткого замыкания и обозначается u_к. Активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания:

; .

Согласно изложенному напряжение короткого замыкания является важной характеристикой трансформатора. Значение u_к% указывается в паспортной табличке трансформатора.

При выполнении опыта холостого хода трансформатора включают одну из его обмоток (обычно низшего напряжения) под номинальное напряжение. Потребляемый при этом ток называют током холостого хода I_ХХ (обычно выражают в % от I_ном).

, %.

Ток холостого хода – это ток сетевой обмотки ненагруженного трансформатора при номинальном напряжении. Ток холостого хода состоит из двух составляющих: активной и реактивной. Активная составляющая определяется потерями в стали и на вихревые токи, реактивная составляющая – магнитным потоком рассеяния.

Рис. 3.7. Характеристики КЗ трансформатора, определенные со стороны ВН в относительных единицах

Потребляемую при этом активную мощность называют потерями холостого хода Р_хх (кВт). Эта мощность расходуется в основном на перемагничивание электротехнической стали (потери на гистерезисе) и на вихревые токи. Ток и потери холостого хода являются паспортными данными силовых трансформаторов.

Для большей точности измерения при опыте холостого хода обмоткой возбуждения служит обмотка низшего напряжения, а обмотка высшего напряжения – разомкнута. Это объясняется тем, что для обмотки НН номинальный ток будет больше, чем для обмотки ВН. Так как ток холостого хода небольшой и составляет несколько процентов от номинального, то при использовании обмотки НН в качестве обмотки возбуждения ток холостого хода окажется больше и может быть измерен более точно, чем в случае использования обмотки ВН в качестве обмотки возбуждения.

Заводы-изготовители производят измерения потерь холостого хода либо при номинальном напряжении, либо при малом напряжении (обычно 380 В).

Таблица 3.2

Допустимая перегрузка трансформаторов ваварийных случаях

Измерение потерь холостого хода может быть произведено также при напряжении, равном 5 – 10 % номинального. Отличие полученных значений потерь от заводских данных должно быть не более 10 % для однофазных и не более 5 % для трехфазных трансформаторов.

Напряжения холостого хода обмоток НН трансформаторов – это значения напряжений при номинальном напряжении сетевой обмотки ненагруженного трансформатора. При отсутствии нагрузки напряжения обмоток НН всегда несколько больше их номинальных значений. Обычно этот параметр производитель не указывает в паспорте на трансформатор.

Значение u_к в относительных единицах равно сопротивлению короткого замыкания z_к в относительных единицах:

.

Величина u_к на практике выражается также в процентах:

.

Для силовых трансформаторов u_к% = 4,5 … 15 %. Первая цифра относится к трансформаторам с номинальным линейным напряжением U_лн ≤ 10 кВ, а вторая – с U_лн ≥ 500 кВ, которые обладают большим рассеянием вследствие большого расстояния между обмотками.