Досвідчене визначення параметрів схеми заміщення трансформаторів

Отримана в § 1.6 електрична схема заміщення (див. мала. 1.18,6) дозволяє з достатньою точністю досліджувати властивості трансформаторів у будь-якому режимі. Використання цієї схеми при визначенні характеристик має найбільше практичне значення для трансформаторів потужністю 50 кВа й вище, тому що дослідження таких трансформаторів методом безпосереднього навантаження пов'язане з деякими технічними труднощами: непродуктивною витратою електроенергії, необхідністю в громіздкому й дорогому навантажувальному пристроях.

Визначення параметрів схеми заміщення , ,  можливо або розрахунковим (у процесі розрахунку трансформатора), або досвідченим шляхом. Нижче викладається порядок визначення параметрів схеми заміщення трансформатора досвідченим шляхом, сутність якого складається в проведенні досвіду холостого ходу (х.х.) і досвіду короткого замикання (к.з).

Досвід холостого ходу. Холостимо ходом називають режим роботи трансформатора при розімкнутій вторинній обмотці (  , ). У цьому випадку рівняння напруг і струмів (1.34) приймають вид

Тому що корисна потужність при роботі трансформатора вхолосту дорівнює нулю, то потужність на вході трансформатора в режимі х.х.  витрачається на магнітні втрати в  магнітопровіді  (втрати на перемагнічування магнітопровода й вихрові струми) і електричні втрати в міді  (втрати на нагрівання обмотки при проходженні по ній струму) однієї лише первинної обмотки. Однак через невелике значення струму , що звичайно не перевищує 2–10% від  електричними втратами  можна зневажити й уважати, що вся потужність х.х. являє собою потужність магнітних втрат у сталі магнітопровода. Тому магнітні втрати в трансформаторі прийнято називати втратами холостого ходу (дів. § 1.14).

Рис. 1.29 Схеми досвіду х х. трансформаторів однофазного (а), трифазного (б)

Досвід х.х. однофазного трансформатора проводять за схемою, зображеної на малий. 1.29, а. Комплект електровимірювальних приладів, включених у схему, дає можливість безпосередньо виміряти напругу , підведена до первинної обмотки; напруга  на висновках вторинної обмотки; потужність х.х.  і струм х.х. .

Напруга до первинної обмотки, трансформатора звичайно підводять через однофазний регулятор напруги РНО, що дозволяє плавно підвищувати напруга від 0 до . При цьому через приблизно однакові інтервали струму х.х. знімають показання приладів, а потім будують характеристики х.х.: залежність струму х.х. , потужності х.х.  і коефіцієнта потужності х.х.  від первинної напруги  (малий. 1.30).

Криволінійність цих характеристик обумовлена станом магнітного насичення магнітопровода, що наступає при деякому значенні напруги .

У випадку досвіду холостого ходу із трифазним трансформатором напругу  встановлюють за допомогою трифазного регулятора напруги РНТ (малий. 1.29,6). Характеристики х.х. будують по середніх фазних значеннях струму й напруги для трьох фаз:

;                       (1.41)

.                      (1.42)

Коефіцієнт потужності для однофазного трансформатора

;                               (1.43)

для трифазного трансформатора

де  й  – показання однофазних ваттметров;  і  – фазні значення напруги й струму.

За даними досвіду х.х. можна визначити: коефіцієнт трансформації ; струм х.х. при  (у відсотках від номінального первинного струму)  втрати х.х. .

Рис. 1 30. Характеристики х.х. трансформатора

У трифазному трансформаторі струми х.х. у фазах неоднакові й утворять несиметричну систему (дів. § 1.8), тому потужність  варто вимірювати двома ваттметрами за схемою, зображеної на малий. 1.29, б. Спадання напруги в первинній галузі схеми заміщення в режимі х.х.  (малий. 1.31) становить досить незначну величину, тому, не допускаючи помітної помилки, можна користуватися наступними вираженнями для розрахунку параметрів галузі намагнічування:

                                       (1-46)

                                   (1-47)

                                    (1.48)

Звичайно в силових трансформаторах загального призначення середньої й великої потужності при номінальній первинній напрузі струм х.х. .

Якщо ж фактичні значення струму х.х.  і потужності х.х.

 

, що відповідають номінальному значенню первинної напруги , помітно перевищують значення цих параметрів, зазначені в каталозі на даний тип трансформатора, те це свідчить про несправності цього трансформатора: наявність короткозамкнених витків в обмотках або замиканні частини пластин магнітопровода.

 

Рис. 1.31. Схема заміщення трансформатора в режимі х.х.

 

Приклад 1.4. На мал. 1.30 наведені характеристики холостого ходу (  = 20,5 А; = 0,08) трифазного трансформатора з даними: =100 кв  А; кв; з'єднання обмоток . Визначити параметри галузі намагнічування схеми заміщення трансформатора ,  і  й струм холостого ходу при номінальній фазній напрузі на стороні обмоток НН В.

Рішення. Повний опір галузі намагнічування по (1.46)

Ом

активний опір галузі намагнічування по (1.47)

Ом

індуктивний опір галузі намагнічування по (1.48)

Ом

Струм холостого ходу по (1.45)

де номінальне значення струму в обмотці НН

Тут (  – лінійне значення вторинної напруги.

Досвід короткого замикання. Коротке замикання трансформатора – це такий режим, коли вторинна обмотка замкнута накоротко (  ), при цьому вторинна напруга . В умовах експлуатації, коли до трансформатора підведене номінальна напруга , коротке замикання є аварійним режимом й являє собою більшу небезпеку для трансформатора (див. § 4.1).

При досвіді к. з. обмотку нижчої напруги однофазного трансформатора замикають накоротко (мал. 1.32, а), а до обмотки вищої напруги підводять знижена напруга, поступово підвищуючи його регулятором напруги РНО до деякого значення , при якому струми к. з. в обмотках трансформатора стають рівними номінальним струмам у первинній (  ) і вторинної (  ) обмотках.    При цьому знімають показання приладів і будують характеристики к. з., що представляють собою залежність струму к. з. , потужності к. з.  і коефіцієнта потужності  від напруги к. з.  (рис. 1.33).

У випадку трифазного трансформатора досвід проводять за схемою, показаної на мал. 1.32,б, а значення напруги к. з. і струму к. з. визначають як середні для трьох фаз:

Коефіцієнт потужності при досвіді к. з.

 

Рис. 1.32. Схеми досвіду к.з. трансформаторів однофазного (а), трифазного (б)

 

При цьому активну потужність трифазного трансформатора вимірюють методом двох ваттметрів. Тоді потужність к. з. . (1.52)

В (1.52)  і  – показання однофазних ваттметрів, Вт.

Напруга, при якому струми в обмотках трансформатора при досвіді дорівнюють номінальним значенням, називають номінальною напругою короткого замикання й звичайно виражають його в % від номінального:

(1.53)

Рис. 1.33. Характеристики к.з. трансформатора

 

Для силових трансформаторів  від . Як треба з (1.20), магнітний потік у Магнітопровіді трансформатора пропорційний первинній напрузі . Але тому що ця напруга при досвіді к. з. становить не більше 10 % від , те таку ж невелику величину становить магнітний потік. Для створення такого магнітного потоку потрібно настільки малий струм, що намагнічує, що значенням його можна зневажити. У цьому випадку рівняння струмів (1.24) приймає вид

(1.54)

а схема заміщення трансформаторів для досвіду к.з. не містить галузі намагнічування (мал. 1.34, а). Для цієї схеми заміщення можна записати рівняння напруг

,                 (1.55)

або

                    (1.56)

Тут опір трансформатора при досвіді к. з.

,                                (1.57)

де  й  – активного й індуктивна складового опору к. з. .

Рис. 1.34. Схема заміщення (а) і векторна діаграма (б) трансформатора в режимі к. з.

 

Скориставшись рівняннями струмів (1.54) і напруг (1.55), для досвіду к. з. побудуємо векторну діаграму трансформатора (мал. 1.34, б). Побудова цієї діаграми починають із вектора напруги к. з. . Потім під кутом  до вектора  проводять вектор струму к. з. . Побудувавши вектори спадань напруги в первинній обмотці  й  і вектори спадання напруги у вторинній обмотці  й , одержують прямокутний трикутник АОВ, називаний трикутником короткого замикання. Сторони цього трикутника будут:

Тут

,                           (1.58)

де  й  – активної й реактивна складової напруги к. з., В.

Повний, активний й індуктивний опори схеми заміщення при досвіді к. з.:

;                            (1.59)

;                                (1.60)

.                               (1.61)

Отримані значення опорів  й , потужності , коефіцієнта потужності  й напруги к. з.  варто привести до робочої температури обмоток +75 °С:

;                      (1.62)

;                              (1.63)

;                                            (1.64)

.                            (1.65)

Тут  – активний опір к. з. при температурі ; = 0,004 – температурний коефіцієнт для міді й алюмінію. Тому що при досвіді к. з. основний потік  становить усього лише кілька відсотків у порівнянні з його значенням при номінальній первинній напрузі, те магнітними втратами, викликуваними цим потоком, можна зневажити. Отже, можна вважати, що потужність , споживана трансформатором при досвіді к. з., іде повністю на покриття електричних втрат в обмотках трансформатора:

.

Потужність к. з. приводять до робочої температури обмоток +75 °С:

.                                          (1.66)

Приклад 1.5. Результати вимірів при досвіді короткого замикання трифазного трансформатора потужністю 100 кв  А лінійними напругами 6,3/0,22 У, з'єднанням обмоток  наведені в табл. 1.1 (напруга підводила з боку ВН). Побудувати характеристики короткого замикання: залежність струму к. з. , потужності к. з.  і коефіцієнта потужності  від напруги короткого замикання .

Рішення. Нижче наведений розрахунок значень параметрів досвіду короткого замикання, що відповідають номінальному (фазному) напрузі к. з. В, при якому струм к. з.  (вимір 4 у табл.. 1.1.)

Середнє (для трьох фаз) значення фазної напруги к. з по (1 49)

В.

Середнє (для трьох фаз) значення струму к. з. по (1.50) А.

Параметри схеми заміщення трансформатора при досвіді короткого замикання, повний опір до з. по (1.59) Ом; з вираження потужності к. з.  визначимо активний опір к. з.:

Ом;

індуктивний опір к. з. по (1.61)

Ом

Прийнявши температуру , отримані значення величин приводимо до робочої температури обмоток +75  : активний опір к. з. по (1.62)

Ом;

повний опір к. з.

Ом;

потужність к. з. по (1.66)

Вт;

коефіцієнт потужності по (1.64)

;

напруга к.з. по (1.65)

 %.

У такому ж порядку розраховуємо параметри досвіду к. з. для інших значень струму к. з. Результати розрахунку заносимо в табл. 1.2, а потім будуємо характеристики короткого замикання (див. мал. 1.33).