Для определения каких потерь в трансформаторе выполняют опыт короткого замыкания: Опыт короткого замыкания однофазного трансформатора

Содержание

Опыт короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания трансформатора

Електроенергетика мережi, обладнання

Деталі: Категорія: Теорія

трансформатор

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.

Опыт короткого замыкания производится при пониженном первичном напряжении, величина которого определяется из следующих соображений. Допустим, что у трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой (рисунок 1) и с токами I₁_K и I₂_K, в 10—20 раз большими токов I₁ и I₂, снизили первичное напряжение U₁. Очевидно, и токи в обмотках тоже уменьшатся. Если напряжение U₁ уменьшить, например, в 3—5 раз, то во столько же раз уменьшатся и токи I₁_K и I₂_K. Другими словами, можно установить

напряжение U₁ такой величины, что токи I₁_K и I₂_K станут равными своим значениям при нормальной работе трансформатора, т. е. I₁_K = I₁ и I₂_K = I₂.

1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — магнитопровод

Рисунок 1 — Короткое замыкание вторичной обмотки двухобмоточного трансформатора

Напряжение, которое надо приложить к одной из обмоток (при другой короткозамкнутой), чтобы в обмотках установились номинальные токи I₁ и I₂, называют напряжением короткого замыкания и обозначают U_K. Напряжение короткого замыкания обычно выражают в процентах от первичного напряжения U₁:

Величиной u_K и оценивают потоки рассеяния, а также их влияние на работу трансформатора.

Чтобы показать непосредственную связь между u_K и рассеянием, представим, что в трансформаторе с определенными u_K (например, 5%) нам удалось каким-то образом «раздвинуть» обмотки. Тотчас же амперметр в цепи первичной обмотки 1 покажет снижение тока I₁_K, хотя напряжение, показанное вольтметром, останется неизменным (5% от U₁). Однако оно уже не будет равным u_K, так как токи в обмотках понизились и стали меньше своих номинальных значений. Чтобы восстановить их величину, надо повысить напряжение до величины u`_K, большей u_K (например, до 8% от U₁). Значит, при увеличении расстояния между обмотками u_K растет.

Увеличение канала между обмотками увеличивает поток рассеяния, замыкающийся по воздуху вокруг обмоток. Соответственно увеличиваются эдс рассеяния Е_р1 и E_р2 и, следовательно, индуктивные сопротивления обмоток. Вследствие этого токи в обмотках уменьшаются, и чтобы повысить их до нормальных значений, надо увеличить первичное напряжение до u`_K. Рассуждая точно так же, можно установить, что при уменьшении расстояния между обмотками напряжение короткого замыкания снижается.

Чем больше u_K, тем меньше ток короткого замыкания, следовательно, медленнее растет температура обмоток, по которым течет этот ток, и тем меньше опасность разрушительных механических усилий. В то же время чем больше u_K, тем больше рассеяние, что увеличивает потери в конструкции и падение напряжения в обмотках. Следствием этого является снижение кпд и отдаваемой трансформатором мощности.

Зная величину u_K, очень просто определить ток короткого замыкания в обмотке. Действительно, ток I₁_K будет во столько раз больше номинального тока I₁, во сколько первичное напряжение U₁ больше U_K, т. е.

I₁_K = I₁ · U₁/U_K.

Учитывая, что u_K обычно выражают в процентах от U₁, получим

I₁_K = I₁ · 100/u_K.

Так, если u_K равно 5%, то ток I₁_K в 100/5 = 20 раз больше тока I₁при нормальной работе трансформатора.

Попередня
Наступна

Трансформатори

Близьки публікації

Теплопроводность обмоток и охлаждение трансформаторов малой мощности
Теплопередача в трансформаторах и вязкостные свойства масел
Эксплуатация трансформаторного масла
Сушка активной части силовых трансформаторов
Стяжка и крепеж силового трансформатора

Наверх

Опыты холостого хода и короткого замыкания

Цель опытов.

Опыты холостого хода и короткого замыкания проводятся для определения коэффициента трансформации, потерь в трансформаторе и параметров схемы замещения.

Опыт холостого хода.

Для однофазного трансформатора опыт холостого хода выполняется по схеме рис. 2.11. К первичной обмотке подводится номинальное напряжение , к вторичной — подключен вольтметр , имеющий достаточно большое сопротивление. Практически можно считать, что ток .

Кроме того, в схему включены амперметр , вольтметр и ваттметр . Амперметр показывает ток холостого хода , вольтметр — номинальное напряжение первичной обмотки , вольтметр —напряжение и ваттметр —мощность потерь при холостом ходе . По этим показаниям можно определить коэффициент трансформации для понижающего трансформатора или для повышающего трансформатора. Так как нагрузка отсутствует (), то мощность, показываемая ваттметром, — это мощность потерь в стали трансформатора (магнитопроводе).

Мощностью потерь в проводах обмоток можно пренебречь, так как при опыте холостого хода ток вторичной обмотки равен нулю, а ток в первичной обмотке — ток холостого хода составляет примерно 5 % номинального.

Можно также найти

и полное сопротивление цепи (см. рис. 2.9):

(2.12)

Активное сопротивление цепи

и индуктивное сопротивление цепи

Так как практически сопротивления и , то значения и определяются из приведенных формул.

Опыт короткого замыкания.

Опыт короткого замыкания выполняется по схеме, представленной на рис. 2.12, при условии, что к первичной обмотке подводится пониженное напряжение , составляющее 5—10% , а точнее, такое напряжение, при котором токи и в обмотках равны номинальным.

Вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко.

При этом опыте вольтметр показывает напряжение первичной обмотки , ваттметр — мощность короткого замыкания , амперметр — ток в первичной обмотке.

По этим показаниям можно определить мощность потерь в обмотках, так как потери в магнитопроводе составляют лишь 0,005 – 0,1 потерь при номинальном режиме из-за пониженного напряжения . Мощность потерь при коротком замыкании и номинальных токах

Кроме того, по данным этого опыта можно найти параметры упрощенной схемы замещения (рис. 2.13). Полное сопротивление

суммарное активное сопротивление обеих обмоток

(2.13)

и реактивное сопротивление

. (2.14)

На основе опытов холостого хода и короткого замыкания по формулам (2.12),(2.13),(2.14) определяются параметры схемы замещения трансформатора.

Напряжение короткого замыкания.

Как следует из схемы замещения (рис. 2.13),

Обычно составляет 5—8 % :

Значение указано на щитке трансформатора. Активная составляющая напряжения короткого замыкания находится по формуле

, (2.15)

а реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

. (2.16)

Процентные значения напряжения связаны между собой соотношением:

. (2.17)

Испытание трансформатора на обрыв и короткое замыкание

Эти два испытания трансформатора выполняются для определения параметров эквивалентной схемы трансформатора и потерь трансформатора. Испытание на обрыв цепи и испытание на короткое замыкание трансформатора очень экономичны и удобны, поскольку выполняются без фактической нагрузки на трансформатор.

Испытание трансформатора на разомкнутую цепь или без нагрузки

Испытание на разомкнутую цепь или испытание трансформатора без нагрузки проводят для определения «потери без нагрузки (потери в сердечнике)» и «ток нагрузки без нагрузки I ₀‘. Принципиальная схема для теста на обрыв цепи показана на рисунке ниже.

Обычно обмотка высокого напряжения (ВН) остается разомкнутой, а обмотка низкого напряжения (НН) подключается к нормальному источнику питания. Ваттметр (Вт), амперметр (А) и вольтметр (В) подключены к обмотке НН, как показано на рисунке. Теперь приложенное напряжение медленно увеличивается от нуля до нормального номинального значения стороны НН с помощью вариака. Когда приложенное напряжение достигает номинального значения обмотки НН, снимаются показания со всех трех приборов.

Показание амперметра дает ток холостого хода I ₀ . Поскольку I ₀ сам по себе очень мал, падением напряжения из-за этого тока можно пренебречь.

Потребляемая мощность указывается ваттметром (Вт). И поскольку другая сторона трансформатора разомкнута, выходная мощность отсутствует. Следовательно, эта входная мощность состоит только из потерь в сердечнике и потерь в меди. Как описано выше, ток холостого хода настолько мал, что этими потерями в меди можно пренебречь. Следовательно, теперь входная мощность почти равна потерям в сердечнике. Таким образом, показания ваттметра дают потери в сердечнике трансформатора.

Иногда к обмотке ВН подключают высокоомный вольтметр. Несмотря на то, что вольтметр подключен, обмотку ВН можно считать разомкнутой, так как ток через вольтметр пренебрежимо мал. Это помогает найти коэффициент трансформации напряжения (K).

Две составляющие тока холостого хода могут быть представлены следующим образом: Φ ₀ .
cosΦ ₀ (коэффициент мощности без нагрузки) = Вт / (В ₁ I ₀ ). … (W = показание ваттметра)

Исходя из этого, параметры шунта эквивалентной схемы трансформатора (X ₀ и R ₀ ) можно рассчитать как

X ₀ = V ₁ /I _μ и R ₀ = V ₁ /I _w .

(Эти значения относятся к стороне НН трансформатора.)
Отсюда видно, что испытание на разомкнутую цепь дает потери в сердечнике трансформатора и параметры шунта эквивалентной схемы.

Короткое замыкание или проверка импеданса трансформатора

Схема подключения для проверки на короткое замыкание или проверка импеданса трансформатора показана на рисунке ниже. Сторона низкого напряжения трансформатора закорочена, а ваттметр (W), вольтметр (V) и амперметр (A) подключены к стороне высокого напряжения трансформатора. Напряжение подается на сторону ВН и увеличивается от нуля до тех пор, пока показания амперметра не сравняются с номинальным током. Все показания снимаются при этом номинальном токе.

Показания амперметра дают первичный эквивалент тока полной нагрузки (I _sc).

Напряжение, подаваемое для тока полной нагрузки, очень мало по сравнению с номинальным напряжением. Следовательно, потерями в сердечнике из-за малого приложенного напряжения можно пренебречь. Таким образом, показания ваттметра можно принять за потери в меди в трансформаторе.

Следовательно, W = I _sc ² R _eq ……. (где R _eq — эквивалентное сопротивление трансформатора)
Z _экв = V _sc /I _sc .

Следовательно, эквивалентное реактивное сопротивление трансформатора можно рассчитать по формуле Z _eq ² = R _eq ² + X _eq ² .

Эти значения относятся к стороне высокого напряжения трансформатора.
Отсюда видно, что испытание на короткое замыкание дает потери в меди трансформатора и приблизительное эквивалентное сопротивление и реактивное сопротивление трансформатора.

Почему трансформаторы оцениваются в кВА?

Из приведенных выше испытаний трансформатора видно, что потери меди в трансформаторе зависят от тока, а потери в стали зависят от напряжения. Таким образом, общие потери трансформатора зависят от вольт-ампер (ВА). Она не зависит от угла сдвига фаз между напряжением и током, т.е. потери трансформатора не зависят от коэффициента мощности нагрузки. Это причина, по которой трансформаторы рассчитаны на кВА .

Испытание на обрыв цепи и короткое замыкание трансформатора

В этом руководстве мы узнаем, что такое испытание на обрыв цепи и испытание на короткое замыкание в контексте трансформаторов, как выполнить испытание на обрыв цепи и короткое замыкание на трансформаторе, рассчитать эффективность этих испытаний на обрыв и короткое замыкание, а также рассчитать регулирование.

Краткое описание

Введение

Можно прогнозировать работу трансформатора при различных уровнях нагрузки, зная все параметры эквивалентной схемы. Эти параметры цепи предоставляются в виде данных испытаний трансформатора на обрыв цепи (OC) и короткое замыкание (SC). Без фактической нагрузки трансформатора эти два оцененных испытания дают результаты испытаний, которые используются для определения параметров эквивалентной схемы.

По этим параметрам мы можем легко определить КПД и регулирование трансформатора при любых условиях коэффициента мощности, а также при любых условиях нагрузки. Этот метод определения параметров трансформатора называется методом косвенной нагрузки.

В этом учебном пособии описывается, как выполнять эти тесты, как определить эквивалентные параметры из тестовых данных и значение стороны HV или LV, в которой должен быть выполнен расчет.

Проверка трансформатора на разомкнутую цепь или без нагрузки

Эта проверка проводится для определения параметров шунтирующей или ненагруженной ветви эквивалентной схемы трансформатора. Этот тест дает потери в железе и значения тока без нагрузки, таким образом, мы можем определить параметры ветви без нагрузки с помощью простых расчетов.

Как следует из названия, клеммы вторичной обмотки трансформатора остаются разомкнутыми, а входное напряжение подается на первичную сторону. Поскольку этот тест проводится без какой-либо нагрузки, этот тест также называется тестом без нагрузки.

Как выполнить тест на обрыв цепи?

Испытание на разомкнутую цепь (OC) выполняется путем подключения стороны низкого напряжения (как первичной) трансформатора к источнику переменного тока с помощью вариаторов, амперметров, вольтметров и ваттметров. Клеммы вторичной обмотки или стороны высокого напряжения остаются открытыми, и в некоторых случаях к ним подключается вольтметр для измерения вторичного напряжения.

Вольтметр на первичной стороне считывает приложенное к трансформатору напряжение, амперметр считывает ток без нагрузки, ваттметр показывает входную мощность, а вариатор используется для изменения напряжения, подаваемого на трансформатор, чтобы номинальное напряжение прикладывалось к номинальной частоте. Схема испытания трансформатора на открытый ток показана на рисунке ниже:

Когда на трансформатор подается однофазное питание, номинальное значение первичного напряжения регулируется путем изменения вариатора. При этом номинальном напряжении снимают показания амперметра и ваттметра. Из этого теста получаем номинальное напряжение В _O , входной ток или ток без нагрузки I _O и потребляемая мощность Вт _O .

Мы знаем, что когда трансформатор работает без нагрузки, ток холостого хода или первичный ток очень мал, обычно от 3 до 5 процентов от номинального значения тока. Таким образом, потери в меди в первичной обмотке незначительны.

При испытании на открытый ток трансформатор работает при номинальном напряжении и номинальной частоте, поэтому максимальные потери будут связаны с магнитным потоком в сердечнике. Поскольку потери в железе или сердечнике находятся при номинальном напряжении, потребляемая мощность потребляется трансформатором для покрытия потерь в железе без нагрузки.

Вт _O = Потери в стали

Параметры шунта без нагрузки рассчитываются на основе теста OC как Я _О

После получения коэффициента мощности токи компонентов холостого хода определяются как:

Потери в сердечнике тока холостого хода, I _м = I _О cos Φ _О

Затем реактивное сопротивление намагничивающей ветви, X _O = V _O / I _м

Сопротивление, представляющее потери в сердечнике, R _O = V _O / I _O

Когда трансформатор работает без нагрузки, ток, потребляемый шунтирующими или параллельными параметрами, очень мал, примерно от 2 до 5 процентов от номинального тока. Таким образом, во время теста OC через цепь будет протекать слабый ток. Чтобы приборы могли считывать показания, измерения напряжения, тока и мощности должны выполняться на стороне низкого напряжения.

Также должны быть выбраны токовые катушки низкого диапазона и амперметр низкого диапазона. Коэффициент мощности трансформатора на холостом ходу слишком низкий. обычно ниже 0,5. Итак, для работы с этим низким значением выбран ваттметр LPF. Эквивалентная схема, полученная с помощью теста OC, показана ниже:

Тест короткого замыкания на трансформаторе

Этот тест выполняется для определения параметров последовательных ответвлений эквивалентной схемы, таких как эквивалентное сопротивление (Z _o1 или Z _o2 ), полное сопротивление обмотки (R _o1 или R _o2 ) и полное реактивное сопротивление рассеяния (X _o1 или X _o2 ). Кроме того, можно определить потери в меди при любой желаемой нагрузке и общее падение напряжения трансформатора относительно первичной или вторичной обмотки. В этом тесте обычно обмотка НН закорочена толстым проводом. И тест проводится с другой стороны, т.е. со стороны ВН (как основной).

Как выполнить тест на короткое замыкание?

При испытании на короткое замыкание (КЗ) первичная обмотка или обмотка высокого напряжения подключается к источнику переменного тока через вольтметр, амперметр, ваттметр и вариатор, как показано на рисунке. Этот тест также называется тестом пониженного напряжения или тестом низкого напряжения. Поскольку вторичная обмотка замкнута накоротко, при номинальном напряжении трансформатор потребляет очень большой ток из-за очень малого сопротивления обмотки.

Такой большой ток может вызвать перегрев, а также возгорание трансформатора. Таким образом, для ограничения большого тока первичная обмотка должна быть запитана низким напряжением, которого как раз достаточно для создания номинального тока в первичной обмотке трансформатора.

Тест SC проводится на стороне ВН по двум основным причинам. Во-первых, испытание КЗ проводится с применением номинального тока, а номинальный ток на стороне ВН намного меньше, чем на стороне НН. Таким образом, номинальный ток легко достигается на стороне ВН (из-за низкого значения тока) по сравнению со стороной НН.

С другой стороны, если мы закоротим клеммы ВН, подключив измерительный прибор на стороне НН, напряжение на вторичной обмотке будет равно нулю. Следовательно, ток, протекающий через сторону ВН, очень высок (поскольку номинальная мощность ВА постоянна) по сравнению со стороной НН, и, следовательно, это приведет к возгоранию трансформатора.

Во время этого испытания, медленно меняя вариатор, мы прикладываем низкое напряжение к первичной обмотке, обычно от 5 до 10 процентов от номинального напряжения, чтобы вызвать протекание номинального тока как в первичной, так и во вторичной обмотках, что мы можем наблюдать по показаниям амперметра ( в некоторых случаях вторичка закорачивается через амперметр). При этом номинальном токе мы должны записать показания вольтметра (V _sc ), амперметра (I _sc ) и ваттметра (W _sc ).

В этом тесте ток равен номинальному значению, поэтому ток без нагрузки очень мал и составляет от 3 до 5 % от номинального тока. Другими словами, напряжение, подаваемое на первичную обмотку, очень мало, поэтому уровень магнитного потока в сердечнике очень мал. В свою очередь, потери в сердечнике незначительны. Таким образом, шунтирующая ветвь без нагрузки считается отсутствующей в эквивалентной схеме этого испытания, поскольку потери в сердечнике незначительны.

Поскольку потери в стали или сердечнике зависят от напряжения, эти потери очень малы. Таким образом, показания ваттметра показывают потери мощности или потери I ₂ R, равные потерям в меди при полной нагрузке всего трансформатора.

Вт _sc = потери в меди при полной нагрузке

По результатам испытаний мы определяем параметры последовательного ответвления эквивалентной схемы как0 2

Эквивалентное полное сопротивление относительно стороны ВН, Z01 = В _sc / I _sc

Эквивалентное реактивное сопротивление утечки относительно стороны ВН, X01 = √ (Z ² 01 – R ² 01)

А также коэффициент мощности короткого замыкания, Cos Φ _sc = Вт _sc / В _sc I _sc

Эквивалентная схема, полученная в результате этого теста, показана ниже.

Следует отметить, что перед расчетом параметров необходимо знать, в какую сторону (первичную или вторичную) записывается тестовое показание. Предположим, что трансформатор является повышающим трансформатором, тогда мы проводим испытание короткого замыкания на вторичной стороне (сторона высокого напряжения), в то время как первичная сторона или сторона низкого напряжения закорочены. В таком случае мы получаем параметры, относящиеся к вторичной обмотке, из расчетов, таких как R02, X02 и Z02.

Если это понижающий трансформатор, мы получаем значения параметров как R01, X01 и Z01, поскольку счетчики подключены к стороне высокого напряжения первичной обмотки.

Из теста OC мы получаем параметры шунтирующей ветви, относящиеся к стороне НН, а из теста SC получаем параметры последовательной ветви, относящиеся к стороне ВН. Поэтому для осмысленной схемы замещения все параметры должны быть отнесены к одной конкретной стороне. Объяснение этого преобразования объясняется в эквивалентной схеме темы трансформатора в наших предыдущих статьях.

Расчет эффективности от O.C. и S.C. Tests

Как мы уже видели, практический трансформатор имеет два основных типа потерь, а именно потери в меди и потери в сердечнике. Температура трансформатора повышается из-за этих потерь, которые рассеиваются в виде тепла. Из-за этих потерь входная мощность, потребляемая первичной обмоткой, больше не равна выходной мощности вторичной обмотки. Следовательно, КПД трансформатора определяется как

КПД, η = выходная мощность в кВт / потребляемая мощность в кВт.

= Выходная мощность в кВт/(Выходная мощность в кВт + потери)

= Выходная мощность в кВт/(Выходная мощность в кВт + потери в меди + потери в сердечнике)

Мы обсудили, что потери в сердечнике Pcore остаются постоянными от холостого хода до полной нагрузки, поскольку поток в сердечнике остается постоянным. А потери в меди зависят от квадрата тока. Поскольку ток обмотки изменяется от холостого хода до полной нагрузки, потери в меди также изменяются.

Учтите, что мощность трансформатора в кВА равна S, доля нагрузки равна x, а коэффициент мощности нагрузки равен Cos Φ. Затем

Выходная мощность в кВт = xSCos Φ

Предположим, что потери в меди при полной нагрузке составляют P _cu (поскольку x = 1),

Тогда потери в меди при x на единицу нагрузки = x ² P _у.е.
КПД трансформатора равен

В приведенном выше уравнении эффективности потери в сердечнике или в железе и потери в меди при полной нагрузке определяются испытаниями на OC и SC.

Расчет в соответствии с Положением

При фиксированном напряжении в первичной обмотке напряжение на клеммах вторичной обмотки не будет поддерживаться постоянным от холостого хода до полной нагрузки. Это связано с падением напряжения на импедансе рассеяния, величина которого зависит как от степени нагрузки, так и от коэффициента мощности.

Таким образом, регулирование дает изменение вторичного напряжения от холостого хода до полной нагрузки при заданном коэффициенте мощности.