Что такое напряжение короткого замыкания трансформатора определение

Что такое напряжение короткого замыкания трансформатора определение

Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (ZH = 0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора, при котором накоротко замыкают зажимы вторичной обмотки, а к первичной подводят такое напряжение Uк, при котором ток в первичной обмотке не превышает номинального значения (Iк

где U1ном — номинальное первичное напряжение.

Напряжение короткого замыкания зависит от высшего напряжения обмоток трансформатора. Так, например, при высшем напряжении 6—10 кВ uK = 5,5%, при 35 кВ uK = 6,5÷7,5%, при 110 кВ uK = 10,5% и т. д. Как видно, с повышением номинального высшего напряжения увеличивается напряжение короткого замыкания трансформатора.

При напряжении Uк составляющем 5—10% от номинального первичного напряжения, намагничивающий ток (ток холостого хода) уменьшается в 10—20 раз или еще более значительно. Поэтому в режиме короткого замыкания считают, что

Основной магнитный поток Ф также уменьшается в 10—20 раз, и потоки рассеяния обмоток становятся соизмеримыми с основным потоком.

Так как при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора напряжение на ее зажимах U2 = 0, уравнение э. д. с. для нее принимает вид

а уравнение напряжения для трансформатора записывается как

Этому уравнению соответствует схема замещения трансформатора, изображенная на рис. 1.

Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании соответствующая уравнению и схеме рис. 1, показана на рис. 2. Напряжение короткого замыкания имеет активную и реактивную составляющие. Угол φк между векторами этих напряжений и тока зависит от соотношения между активной и реактивной индуктивной составляющими сопротивления трансформатора.

Рис. 1. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании

Рис. 2. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании

У трансформаторов с номинальной мощностью 5—50 кВА XK/RK = 1 ÷ 2; с номинальной мощностью 6300 кВА и более XK/RK = 10 и более. Поэтому считают, что у трансформаторов большой мощности UK = Uкр, а полное сопротивление ZК = Хк.

Опыт короткого замыкания.

Этот опыт, как и опыт холостого хода, проводят для определения параметров трансформатора. Собирают схему (рис. 3), в которой вторичная обмотка замкнута накоротко металлической перемычкой или проводником с сопротивлением, близким к нулю. К первичной обмотке подводится такое напряжение Uк, при котором ток в ней равен номинальному значению I1ном.

Рис. 3. Схема опыта короткого замыкания трансформатора

По данным измерений определяют следующие параметры трансформатора.

Напряжение короткого замыкания

где UK — измеренное вольтметром напряжение при I1, = I1ном. В режиме короткого замыкания UK очень мало, поэтому потери холостого хода в сотни раз меньше, чем при номинальном напряжении. Таким образом, можно считать, что Рпо = 0 и измеряемая ваттметром мощность — это потери мощности Рпк, обусловленные активным сопротивлением обмоток трансформатора.

При токе I1, = I1ном получают номинальные потери мощности на нагрев обмоток Рпк.ном, которые называются электрическими потерями или потерями короткого замыкания .

Из уравнения напряжения для трансформатора, а также из схемы замещения (см. рис. 1) получаем

где ZK — полное сопротивление трансформатора.

Измерив Uк и I1 можно вычислить полное сопротивление трансформатора

Потери мощности при коротком замыкании можно выразить формулой

поэтому активное сопротивление обмоток трансформатора

находят из показаний ваттметра и амперметра. Зная Zк и RК, можно вычислить индуктивное сопротивление обмоток:

Зная Zк, RК и Хк трансформатора, можно построить основной треугольник напряжений короткого замыкания (треугольник ОАВ на рис. 2), а также определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания:

Читайте также:  Как затереть углы в ванной

Напряжение короткого замыкания трансформатора относится к числу его важнейших паспортных характеристик, указываемых на щитке устройства. Оно имеет постоянное значение для каждого изделия и определяется его конструкцией.

Короткое замыкание в трансформаторе

В случае номинального режима для трансформатора с первичной обмоткой w1 (для подключения к сети) и вторичной обмоткой w2 при подключении нагрузки r на вторичную обмотку напряжение U2 вызовет ток нагрузки I2 .

Этот ток пропорционален нагрузке на трансформаторе. При нарушении изоляции проводов цепи питания приемников возможны соприкосновения оголенных участков в отдельных точках до пользователя энергией.

Создается совсем иной режим функционирования прибора – короткое замыкание (КЗ) на участке цепи. На схеме КЗ в цепи пользования выделены обмотки первичная (поз.1) и вторичная (поз.2), а также магнитопровод (поз.3).

В режиме КЗ катушка w2 продолжает запитываться энергией из первички w1 и передавать ее в свою укороченную цепь, состоящую теперь лишь из проводов соединения и витков самой катушки.

Негативные факторы КЗ в преобразователе напряжений

КЗ сопровождается следующими негативными факторами:

  1. Резко возрастает сила тока в замкнутой электроцепи. Без нагрузки сопротивление вторичного контура представлено лишь сопротивлениями витков катушки и коммутирующих проводов, что в десятки раз ниже величины r. Соответственно, в той же пропорции возрастут токи в проводах обмоток.
  2. Тепловые потери в обеих обмотках возрастут уже в сотни раз, поскольку они кратны (I 2 r). Температура обмоток в течение одной-двух секунд достигнет 300-500 градусов С, обмотки быстро сгорят.
  3. При возрастании токов в обеих обмотках резко увеличиваются механические усилия, воздействующие на провода намотки. Напомним, что при прохождении токов в параллельных проводниках, какими являются витки катушек , между проводниками действуют силы взаимного притяжения в случае направленности токов в одну сторону или силы взаимного отталкивания – для направления токов в противоположные стороны. Силы намагничивания обмоток имеют встречные направления, потому обмотки стремятся к взаимным отталкиваниям друг от друга. Значения этих силовых воздействий пропорциональны произведению I 1I 2 , значит, при коротком замыкании они также возрастут в сотни раз и способны разрушить устройство.

Механические силы, мгновенно возрастающие от резко подскочивших значений токов КЗ, способны деформировать обмотки трансформатора вплоть до нарушения изоляции и уменьшения их электрической прочности.

При штатной эксплуатации КЗ является аварийной ситуацией, потому цепи устойства оснащаются защитой, автоматически отключающей устройство при возникновении короткого замыкания. Здесь существенную роль выполняет показатель напряжения короткого замыкания.

Методика определения Uкз

В отличие от режима КЗ, считающегося аварийным в условиях штатной эксплуатации, при лабораторном определении характеристик трансформатора уже сознательно идут на создание КЗ в системе.

Последовательность измерений следующая:

  1. Вольтаж на входе устанавливается нулевым (равным нулю);
  2. Клеммы на выходе замыкают, вольтаж выхода U 2 = 0;
  3. Плавно поднимается значение входного напряжения U 1 , чтобы в катушках установить номинальные значения токов;
  4. Зафиксированное значение входного напряжения U 1 при установившихся номинальных токах является напряжением короткого замыкания U 1 = U КЗ .

В качестве паспортной характеристики трансформаторов напряжение короткого замыкания Ик используется в виде выраженного в процентах отношения Ик = UКЗ /U1ном , где U1ном — номинальное напряжение на первичной обмотке.

В среднем, величина Ик колеблется в диапазоне от 5,5% до 10,5% от номинального первичного напряжения.

В энергетических системах существуют различные устройства, предназначенные для производства, преобразования и передачи электроэнергии на большие расстояния. Среди них следует особо отметить конструкции силовых трансформаторов, без которых любые действия были бы невозможны. Именно они преобразуют одно значение напряжение в другое, в зависимости от потребностей в тот или иной момент времени. Важнейшей характеристикой является напряжение короткого замыкания трансформатора, отражаемое в паспорте каждого устройства.

Читайте также:  Как разобрать кроватку с маятником

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.

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: Ua = (Pоб1 + Pоб2)/10Sн = Роб/10Sн, в которой Роб – общие потери в трансформаторных обмотках, Sн – номинальная мощность устройства (кВА).

Читайте также:  Пожарный водоем на участке

Значение реактивной составляющей определяется по собственной формуле, в которой все переменные величины определяются заранее: Хк = √Zk2 – Rk2. В ней Zk2 и Rk2 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 Uк, не превышающее номинал. Обмотка-2 замыкается коротко и в ней возникает напряжение, обозначаемое uK, которое является напряжением короткого замыкания трансформатора, выраженное в % от Uк. При этом ток короткого замыкания равен номинальному. Как формула — это будет выглядеть в виде uK = (Uк х 100)/U1ном, где U1ном 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 (Uк), при котором сила тока (Iном) 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 – Рпо = 0, а мощность, замеряемая ваттметром, будет потерянной мощностью короткого замыкания (Рпк), вызванной под влиянием активного сопротивления трансформаторных обмоток.

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

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector