Напряжение короткого замыкания трансформатора физический смысл

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Измерения сопротивления короткого замыкания (Zк) выполняют на отключенном и полностью расшинованном трансформаторе методом амперметра и вольтметра при напряжении питающей сети до 400 В. При измерении Zк трехфазных трансформаторов напряжение подают на все три фазы со стороны обмотки, соединенной по схеме «звезда» с обязательным присоединением нулевого провода. Измерение значений тока и напряжения производят пофазно. При всех измерениях Zк обмотки НН должны быть соединены по схеме «треугольник».

Е.1 Схемы измерения Zк.

На рисунках Е.1 — Е.3 приведены схемы измерений Zкавтотрансформаторов для трех пар обмоток. Для трансформаторов, имеющих расщепленную обмотку НН, следует выполнять два измерения при поочередном закорачивании частей обмотки НН. На схемах не показаны регулировочные обмотки, так как их наличие не меняет принципиальных схем измерений, а учитывается положением РПН. Схемы измерений приведены при включении приборов в фазу А. Измерения на фазах В и С выполняют аналогично.

Рисунок Е.1 — Схема измерения сопротивления короткого замыкания автотрансформатора для пары обмоток ВН-НН

Рисунок Е.2 — Схема измерения сопротивления короткого замыкания автотрансформатора для пары обмоток ВН-СН

Рисунок Е.3 — Схема измерений сопротивления короткого замыкания автотрансформатора для пары обмоток СН-НН

Е.2 Требования к средствам измерений

Для измерения сопротивления короткого замыкания Zк применяют вольтметры и амперметры класса не ниже 0,5.

Измерения в опытах осуществляют при непосредственном включении приборов или при применении измерительных комплектов К-540 (К-50, К-505).

Для измерения Zк с требуемой точностью с использованием трансформатора тока, применяют трансформатор тока класса не ниже 0,2.

Сечение закорачивающих проводов, устанавливаемых на выводах, должно составлять не менее 30% сечения проводов обмотки трансформатора. Сечение проводов обмотки следует определять по значению номинального тока, исходя из средней плотности тока в обмотках, равной 3 А/мм2.

Мощность источника при проведении измерений должна быть не менее 35 кВА.

Все присоединения питающих и закорачивающих проводов должны быть выполнены «под болт». Длина закорачивающих проводов должна быть минимальной. Контактные места установки закорачивающих проводов должны быть тщательно зачищены до блеска.

Е.3 Проведение измерений

Возбуждают, как правило, обмотку ВН. На блочных трансформаторах допускается выполнять измерения без расшиновки стороны НН с установкой закорачивающих проводов на выводах НН трансформатора.

Предварительно, для определения значений тока, напряжения и пределов приборов при измерениях, по паспортным данным трансформатора следует определить Zк, Ом, по формуле

(Е.1)

где Uк — напряжение короткого замыкания для рассматриваемого режима, %;

Uном — номинальное линейное напряжение возбуждаемой обмотки на соответствующем ответвлении, В;

Iном — номинальный ток возбуждаемой обмотки на данном ответвлении, соответствующий полной мощности трансформатора, А.

При необходимости Iномопределяют по формуле

(Е.2)

где Sном — номинальная мощность трансформатора, кВА.

Выбор пределов на измерительных приборах производят исходя из наилучшего их использования, т.е. чтобы отклонение стрелки было возможно большим (во второй половине шкалы).

При определении uкна крайних положениях РПН или при нерабочих режимах (например между обмотками СН и РО или ВН н НН), следует пользоваться расчетными для этих режимов значениями uк, приводя их пропорционально к измеренным на основном ответвлении по формуле

(Е.3)

Измерения следует производить 3 раза; в расчет принимают средние значения тока и напряжения. Если при измерениях частота питающей сети, f’ отличается от номинальной, равной 50 Гц, полученные значения , Ом, необходимо привести к номинальной частоте по формуле

(Е.4)

где f’ — частота питающей сети, при которой производились измерения.

Для схем, в которых измерительное напряжение подают между зажимами фазы и нейтрали, получают сопротивление короткого замыкания Zкфазы.

Для схемы, в которой обмотка ВН соединена по схеме «звезда», Zк для каждой фазы определяют по формулам

(Е.5)

ZC = ZBC — ZB, (Е.6)

ZA = ZAB — ZB (Е.7)

Для схемы, в которой обмотка ВН соединена по схеме «треугольник», Zк для каждой фазы определяют по формулам

(Е.8)

(Е.9)

(Е.10)

где Z(A, B, c) — фазное сопротивление к.з.

Z(Ав, вс, АС) — линейное сопротивление к.з.

Качество стали

Чтобы правильно определить процентные потери из-за различных магнитных причин при нормальной работе трансформаторного оборудования, специалистам обязательно нужно будет учитывать характеристики электротехнической стали, используемой в устройстве. Для проведения измерений нужно учесть также технологические особенности магнитной системы, массу, методику производства стальных пластин и другие ее характеристики.

Все факторы, влияющие на потери трансформатора можно разделить на две группы: конструктивную и техническую. К конструктивной группе факторов принято относить форму, размеры и используемую методику крепежа металлических пластин, способ их прессовки, особенности обработки стержней и т.д. Технологическими факторами называют методику резки стальных пластин, используемые технологии для удаления заусенцев на них, методику отжига, материал лакировки и т.д.

Достаточно распространенными причинами потерь на трансформаторах являются ошибки при производстве элементов такого оборудования, а также ошибки в ходе сборки трансформаторного устройства.

Согласно нормам ГОСТа, правильно собранный трансформатор должен иметь уровень реальных потерь с отклонением не более 5% от расчетного уровня потерь, указанного в технической документации.

Как проводится опыт холостого хода

При проведении опыта холостого хода появляется возможность определить следующие характеристики агрегата:

коэффициент трансформации;
мощность потерь в стали;
параметры намагничивающей ветви в замещающей схеме.

Для опыта на устройство подаётся номинальная нагрузка.

При проведении опыта холостого хода и расчёте характеристик на основе данной методики необходимо учитывать разновидность устройства.

В данном состоянии трансформатор обладает нулевой полезной мощностью по причине отсутствия на выходной катушке электротока. Поданная нагрузка преобразуется в потери тепла на входной катушке I02×r1 и магнитные потери сердечника Pm. По причине незначительности значения потерь тепла на входе, их в большинстве случае в расчёт не принимают. Поэтому общее значение потерь при холостом ходе определяется магнитной составляющей.

Далее приведены особенности расчёта характеристик для различных видов трансформаторов.

Для однофазного трансформатора

Опыт холостого хода для однофазного трансформатора проводится с подключением:

вольтметров на первичной и вторичной катушках;
ваттметра на первичной обмотке;
амперметра на входе.

Приборы подключаются по следующей схеме:

Для определения электротока холостого хода Iо используют показания амперметра. Его сравнивают со значением электротока по номинальным характеристикам с использованием следующей формулы, получая итог в процентах:

Iо% = I0×100/I10.

Чтобы определить коэффициент трансформации k, определяют величину номинального напряжения U1н по показаниям вольтметра V1, подключённого на входе. Затем по вольтметру V2 на выходе снимают значение номинального напряжения U2О.

Коэффициент рассчитывается по формуле:

K = w1/w2 = U1н/ U2О.

Величина потерь составляет сумму из электрической и магнитной составляющих:

P0 = I02×r1 + I02×r0.

Но, если пренебречь электрическими потерями, первую часть суммы можно из формулы исключить. Однако незначительная величина электрических потерь характерна только для оборудования небольшой мощности. Поэтому при расчёте характеристик мощных агрегатов данную часть формулы следует учитывать.

Потери холостого хода для трансформаторов мощностью 30-2500 кВА

Для трёхфазного трансформатора

Трёхфазные агрегаты испытываются по аналогичной схеме. Но напряжение подаётся отдельно по каждой фазе, с соответствующей установкой вольтметров. Их потребуется 6 единиц. Можно провести опыт с одним прибором, подключая его в необходимые точки поочерёдно.

При номинальном напряжении электротока обмотки более 6 кВ, для испытания подаётся 380 В. Высоковольтный режим для проведения опыта не позволит добиться необходимой точности для определения показателей. Кроме точности, низковольтный режим позволяет обеспечить безопасность.

Применяется следующая схема:

Работа аппарата в режиме холостого хода определяется его магнитной системой. Если речь идёт о типе прибора, сходного с однофазным трансформатором или бронестержневой системе, замыкание третьей гармонической составляющей по каждой из фаз будет происходить отдельно, с набором величины до 20 процентов активного магнитного потока.

В результате возникает дополнительная ЭДС с достаточно высоким показателем – до 60 процентов от главной. Создаётся опасность повреждения изолирующего слоя покрытия с вероятностью выхода из строя аппарата.

Предпочтительнее использовать трехстержневую систему, когда одна из составляющих будет проходить не по сердечнику, с замыканием по воздуху или другой среде (к примеру, масляной), с низкой магнитной проницаемостью. В такой ситуации не произойдёт развитие большой дополнительной ЭДС, приводящей к серьёзным искажениям.

Для сварочного трансформатора

Для сварочных трансформаторов холостой ход – один из режимов их постоянного использования в работе. В процессе выполнения сварки при рабочем режиме происходит замыкание второй обмотки между электродом и металлом детали. В результате расплавляются кромки и образуется неразъёмное соединение.

После окончания работы электроцепь разрывается, и агрегат переходит в режим холостого хода. Если вторичная цепь разомкнута, величина напряжения в ней соответствует значению ЭДС. Эта составляющая силового потока отделяется от главного и замыкается по воздушной среде.

Чтобы избежать опасности для человека при нахождении аппарата на холостом ходу, значение напряжения не должно превышать 46 В. Учитывая, что у отдельных моделей значение данных характеристик превышает указанное, достигая 70 В, сварочный агрегат выполняют со встроенным ограничителем характеристик для режима холостого хода.

Проверка работы холостого хода производится при подключении в сеть первичной обмотки.

Вторичная, при этом, на нагрузку не включается. Имеем напряжение U1на первичной обмотке, и напряжение U2 на вторичной. Ток I1будет иметь некоторое значение, в отличие отI2 который будет равен нулю.

Схема подключения для данного опыта представлена на рис. 4

Рисунок 4

Для лучшего понимания процесса перечертим трансформатор (см. рис.5) в ином виде:

Рисунок 5

Первичная обмотка с числом витков W1 подключена в сеть стандартного напряжения U1. Если обмотка имеет сопротивление не равное бесконечности, то по ней потечет ток I1. Из курса физики знаем, что всякая обмотка, через которую протекает ток, создает магнитное поле. В данном случае переменное поле, то есть интенсивность его меняется во времени и направление поля тоже меняется во времени. Магнитный поток Ф зависит от индуктивности катушки Lи силы тока в ней, в данном случае I1. Формула: Ф = L* I1. Сердечник трансформатора, на котором намотаны катушки, обычно делаются из тонких стальных листов, для уменьшения потерь этого магнитного потока. Однако потери все равно есть, из-за, так называемого, рассеивания. Данный магнитный поток будет одинаковым, как в режиме холостого хода, так и в режиме нагрузки, то есть, когда на вторую обмотку подключен потребитель и по ней потечет ток.

Вышеназванный переменный магнитный поток Ф будет создавать электродвижущую силу как во вторичной обмотке e2, так и в первичнойe1. Во вторичной обмотке нагрузки нет (потребитель не подключен), то нет и тока I2. То есть он равен нулю. А напряжение U2 есть, какое оно мы рассмотрим позже.

В первичной обмотке цепь замкнута и ЕДС e1 создает ток противодействующий основному току I1 и собственный магнитный поток, который противодействует потоку Ф. В связи с этим, ток холостого хода никогда не бывает большим. Для крупных трансформаторов это в пределах 5%, максимум 10% от номинального. Для трансформаторов малой мощности вне ответственных изделиях, например зарядных устройствах телефонов, этот ток может доходить до 30 и более процентов от номинального.

Напряжение U1 есть сумма от падений напряжений на активном сопротивлении UА1, а так же от создания магнитного потока Ф, которое обозначим UL1 и падения напряжения от создания потока рассеивания ULS1.

Значит формула, согласно закону Кирхгофа будет иметь вид: U1=UА1+UL1+ULS1. В свою очередь UА1=I1*R1. Где R1 – активное сопротивление на первичной обмотке. Витки обмотки, как правило, медные, по этой причине сопротивление R1 имеет очень малое значение.

Если трансформатор собран для ответственной работы, то и поток рассеивания так же будет мал. ULS1=XLS*I1=2πfLs1* I1, где f–промышленная частота 50 герц, а Ls1 – поток рассеивания. И тем и другим слагаемым можно пренебречь по сравнению с потерями на перемагничивание стали сердечника трансформатора. В этом случае мы допускаем, что все напряжение тратится на создание потока Ф, а он зависит от тока в проводнике, в данном случае I1 и индуктивности L, которая зависит от количества витков в обмотке. Но так как магнитный поток в первичной и вторичной обмотке одинаков, то напряжение U1 и U2 зависят только от количества витков в первичной и вторичной обмотке. Коэффициент зависимости этих напряжений и называется коэффициентом трансформации К = U1/U2= e1/e2 = W1/W2.

Напомним, что противодействие основному потоку возникает только при его изменении, то сеть при переменном потоке (иными словами при переменном токе в цепи). Если обмотку трансформатора включить в цепь постоянного тока, то она наверняка перегорит, поскольку противодействие будет составлять только активное сопротивление, а оно очень мало.

Если нам известен ток первичной обмотки I1, напряжение на первичной обмотке U1, напряжение на вторичной обмотке U2 и потребляемая трансформатором мощность S, то мы можем вычислить следующие параметры:

Коэффициент трансформации К = U1/U2
Процентное значение тока холостого хода: i = (Ixx/IH)*100, где Ixx – ток холостого ходав данном случае I1, IH – ток при номинальной нагрузке.
Активное сопротивление первичной обмотки R1 = PА/Ixx
Полное сопротивление первичной обмотки Z1 = U1/Ixx
Индуктивное сопротивление первичной обмотки X1 = (Z21 -R21)
Коэффициент мощности трансформатора cosφ = S/I12R1

Поскольку пункт 2 невозможно вычислить без проверки трансформатора при нагрузке, то и последовательность проверок, как правило, следующее: под нагрузкой, при коротком замыкании и при режиме холостого хода.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Дубровкин Кирилл АТП-Т19

Как и для чего проводится опыт короткого замыкания трансформатора?

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 < I1ном). При этом выраженное в процентах напряжение Uк, при Iк = I1ном обозначают uK и называют напряжением короткого замыкания трансформатора. Это характеристика трансформатора, указываемая в паспорте.

Таким образом (%):

где U1ном — номинальное первичное напряжение. Как проводится опыт короткого замыкания.

Этот опыт, как и опыт холостого хода, проводят для определения параметров трансформатора. Собирают схему, 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.

Схемы замещения

Схема замещения электрической системы представляет собой совокупность схем замещения отдельных элементов, соединенных между собой в той же последовательности, что и на расчетной схеме.

Для составления схемы замещения возьмём трансформатор с двумя обмотками: первичной с количеством витков W1 для подключения к сети питания и вторичной с количеством витков W2 для подключения нагрузки.

Принципиальная схема подключения нагрузки к источнику питания через трансформатор

Для создания схемы замещения трансформатора нам потребуются три режима его работы: режим холостого хода (ХХ), рабочий режим (номинальный режим) и режим короткого замыкания (КЗ). Режимы холостого хода и короткого замыкания трансформатора позволяют определить значения элементов схемы замещения трасформатора.

Схемы замещения трансформатора для режима холостого хода:

а — последовательная схема замещения, б — параллельная схема замещения

Схема трансформатора в режиме КЗ принимает вид:

В рабочем режиме трансформатор можно представить эквивалентной схемой:

Основные соотношения между током, напряжением, магнитным потоком в режиме К.З.

Снижение — напряжение — холостой ход

Снижение напряжения холостого хода достигается путем отключения электродержателя от сварочного трансформатора и подачей на сварочный электрод малого напряжения ( не более 12 В) от схемы блока.

Снижение напряжения холостого хода i -го поста ( / х: ухудшает условия возбуждения сварочной дуги ( см. гл.

Устройство снижения напряжения холостого хода сварочных трансформаторов УСНТ-06У2, разработанное ВНИИЭСО и выпускаемое Симферопольским электромашиностроительным заводом, служит для повышения электробезопасности при сварке, резке и наплавке металлов от однофазных сварочных трансформаторов и рассчитано для работы в открытых помещениях ( под навесом, в кузовах, палатках, кожухах и др.) в условиях умеренного климата при высоте над уровнем моря не более 1000 м, температуре окружающего воздуха от — 45 до 45 С и относительной влажности воздуха не более 80 % при температуре 20 С.

Принципиальная схема устройства защиты человека от поражения.

Блок снижения напряжения холостого хода сварочных трансформаторов БСНТ-08У2 предназначен для повышения электробезопасности при дуговой сварке штучными электродами, резке и наплавке металлов от однофазных сварочных трансформаторов.

Трансформаторы ТД-500-4 дополнительно снабжены устройством для снижения напряжения холостого хода с 80 до 12 В, что значительно уменьшает возможность поражения током сварщика при смене электродов.

Основной недостаток тиристоров применительно к устройствам снижения напряжения холостого хода — относительно большие токи утечки. При включении тиристоров в первичную обмотку сварочного трансформатора токи утечки, даже если они составляют 50 — 60 мА, практически не влияют на напряжение вторичной обмотки ( сварочной цепи) и не представляют опасности.

Безопасный электродержатель.

В связи с тем что устройства для снижения напряжения холостого хода в сварочных трансформаторах могут быть неисправными и возникает опасность поражения током, для предупреждения электротравматизма электросварщиков обеспечивают диэлектрическими перчатками.

Необходимо отметить, что различные устройства для снижения напряжения холостого хода источников питания не являются средством защиты от поражения электрическим током. Они лишь повышают электробезопасность при ручной сварке. Наличие этих устройств не освобождает сварщика от полного соблюдения им всех правил и требований безопасности труда.

СТ и выполняет функции регулятора тока и устройства снижения напряжения холостого хода.

Устройство УСНП разработано Вильнюсским филиалом ВНИИЭСО и предназначено для автоматического снижения напряжения холостого хода сварочных генераторов постоянного тока и выпрямителей для ручной дуговой электросварки с пределами регулирования сварочного тока от 40 до 315 А.

Опыт эксплуатации показал, что применение тиристоров в качестве коммутирующих элементов устройств снижения напряжения холостого хода сварочных трансформаторов весьма эффективно. Это обусловлено практически мгновенным включением их в момент прикосновения электродом к свариваемой детали, что существенно облегчает зажигание дуги и повышает производительность труда сварщика, а также практически неограниченным числом включений, которое они выдерживают.

При ручной дуговой сварке используются устройства УСНП-1 и УСНТ-4 ( табл. VII.1) для автоматического снижения напряжения холостого хода сварочных преобразователей постоянного тока, трансформаторов и выпрямителей.

Коэффициент трансформации

Для трансформатора существует понятие коэффициента трансформации, формула которого:

Ктр = Е1/Е2 = W1/W2

В итоге напряжение, которое будет на выводах вторичной обмотки, определяется соотношением количества витков обмоток. Это свойство используется для корректировки его величины на выходе.

Для этого в конструкцию входит регулирующее устройство, ступенчато переключающее число витков первичной обмотки. Положений для регулировки у него бывает от 3 до 5, при этом выходное напряжение с каждым шагом регулирования изменяется на 5% выше или ниже номинального. Переключающее устройство называют анцапфой.

Опыт ХХ проводят на среднем положении анцапфы, соответствующем номинальному значению.

При проведении опыта ХХ коэффициент трансформации измеряется. Для этого используются два вольтметра. Один из них подключается к первичной обмотке и измеряет U1. Второй подключается к вторичной обмотке, он измеряет эдс ХХ. Входное сопротивление вольтметра при этом должно быть достаточно большим, чтобы не влиять на измеряемую величину. Деление показаний вольтметров дает величину коэффициента трансформации.

Трансформатор – может работать как повышающий, так и понижающий. Поэтому при проведении ремонтных работ на нем используется подача не только высокого напряжения на обмотку ВН, но и низкого на НН. Даже, если это измерительный трансформатор, имеющий небольшое вторичное напряжение, составляющее 100 В.

Мы рассмотрели холостой ход однофазного трансформатора. Для трехфазных устройств измеряется коэффициент трансформации на всех трех фазах, для чего используются либо одновременно 6 вольтметров, включенных на линейные напряжения трехфазной системы, либо один, подключаемый к точкам измерений поочередно.

Если номинальное напряжение питания первичной обмотки велико (6 кВ и выше), то на первичную обмотку подают 380 В. Для высоковольтных измерений невозможно применить приборы, обладающие соответствующим классом точности. К тому же процесс измерений на низком напряжении питания безопаснее.

Коэффициент должен измеряться на всех позициях анцапфы.

Коэффициент трансформации – показатель, свидетельствующий о том, есть ли в обмотках витковое замыкание. Разброс показаний по фазам более 2% или снижение их по сравнению с предыдущими данными дает основания полагать, что изоляция проводников обмоток где-то нарушена. Подозрение потребует подтверждения другими методами испытаний, например, измерением сопротивления. Также причиной увеличения разброса коэффициента трансформации может быть и повышенное сопротивление между контактами переключающего устройства – анцапфы. Что чаще всего и происходит, особенно если ею часто пользуются.

Понятие потерь

При работе установки часть мощности поступает на первичный контур. Она рассеивается в системе. Поэтому поступающая мощность в нагрузку определяется на меньшем уровне. Разница составляет суммарное снижение мощности в трансформаторе.

Существует два вида причин, из-за которых происходит рост потребление энергии оборудованием. На них влияют различные факторы. Их делят на такие виды:

Магнитные.
Электрические.

Их следует понимать, дабы иметь возможность снизить электрические потери в силовом трансформаторе.

Магнитные потери

В первом случае потери в стали магнитопривода состоят из вихревых токов и гистериза. Они прямо пропорциональны массе сердечника и его магнитной индукции. Само железо, из которого выполнен магнитопривод, влияет на эту характеристику. Поэтому сердечник изготавливают из электротехнической стали. Пластины делают тонкими. Между ними пролегает слой изоляции.

Электрические потери

Снижение мощности может определяться в обмотках при их нагреве током. В сетях на такие затраты приходится 4-7% от общего количества потребляемой энергии. Они зависят от нескольких факторов. К ним относятся:

Электрическая нагрузка системы.
Конфигурация внутренних сетей, их длина и размер сечения.
Режим работы.
Средневзвешенный коэффициент мощности системы.
Расположение компенсационных устройств.

Потери мощности в трансформаторах являются величиной переменной. На нее влияет показатель квадрата тока в контурах.