Как проводится опыт короткого замыкания трансформатора

В электротехнике систематически проводятся испытания приборов и оборудования на устойчивость к электрическим и динамическим нагрузкам. Одной из таких проверок является опыт короткого замыкания трансформатора. В процессе проверки ток в первичной обмотке остается со своим первоначальным значением, а вторичной обмотке устраивается искусственное короткое замыкание. Данное мероприятие дает возможность определить номинальный ток во вторичной обмотке, потери мощности проводников, величину падения потенциала внутреннего сопротивления трансформаторного устройства. Опыты холостого хода и короткого замыкания позволяют установить не только электрические, но и магнитные потери.

Какие параметры определяются в ходе опыта

В качестве примера можно рассмотреть обычный однофазный трансформатор. При выполнении данного исследования производится специальное КЗ обмотки № 2. В обмотку № 1 напряжение подается с заниженным значением, чтобы не причинить вреда трансформатору.

Когда проводится опыт короткого замыкания однофазного трансформатора – устанавливается специальный режим, позволяющий определить несколько основных параметров:

• Номинальное напряжение КЗ (U_k). Оно возникает в первичной обмотке, при этом, токи короткого замыкания в обеих обмотках будут равны номиналу. Процентное соотношение выражается формулой U_k = (U_k/U_1H) x 100%, где U_1H является напряжением первичной трансформаторной обмотки.
• Показатели замещающей схемы. Если нет ветвей намагничивания во время проведения опыта, токи в обеих обмотках станут равны между собой. Таким образом, величина полного сопротивления КЗ определяется как Z_k = U_1k/I1_H или Z_k = √rk 2 + xk 2 . В свою очередь, rk = r1 + r₂’, а xk = x₁ + x₂’.
• Сопротивление во вторичной обмотке будет равно r₂ = r₂’/k₂, а x₂ = x₂’/k₂.
• Величина полного падения напряжения при КЗ (U_k) в обмотках, а также его активные (U_ka) и реактивные (U_kp) компоненты в процентном соотношении. С этой целью используются следующие формулы: U_k = (I_1H x Z_k/U_1H) x 100%; U_ka = (I_1H x rk/ U_1H) x 100%; U_kp = (I_1H x xk/ U_1H) x 100%.
• Потери короткого замыкания (Рк). Поскольку во время проведения опыта первичная обмотка подключается к пониженному напряжению, величина магнитного потока в этом случае очень мала, и ее можно не принимать в расчет. Для этого отдельно используется холостой ход. Таким образом, вся мощность, потребленная устройством, вызывает и электрические потери в обмотках. Величина мощности КЗ состоит из следующих компонентов, рассмотренных ранее: P_k = (I_1H2 x r₁) + (I_1H2 x x₂’).

Физические процессы во время исследования

Опыт короткого замыкания проводят как специальную испытательную процедуру, для которой и предназначен трансформатор. В этом случае к обмотке № 1 подключается номинальный ток, а вторичная обмотка попадает под действие аварийного режима. В ходе проведения данного мероприятия определяется номинальный ток в обмотке № 2, потерянные мощности в проводниках и спад напряжения внутреннего сопротивления прибора.

После того как создано короткое замыкание трансформатора, ток в обмотке-2 будет ограничивать лишь ее незначительное внутреннее сопротивление. Следовательно, даже при небольшой величине ЭДС Е₂, показатель тока I₂ может возрасти до опасного предела. Как правило, это приводит к перегреву обмоточных проводов, разрушению изоляционного слоя и аварии трансформаторного устройства.

С учетом этих условий, опыт проводится при нулевом входном напряжении трансформатора или U₁ = 0. Далее потенциал в обмотке-1 постепенно увеличивается до показателя U_1k, когда ток в этом же месте подходит к своему установленному номиналу. В это же время ток в обмотке-2 измеряется амперметром А₂ и условно принимается равным номиналу. Параметр U_1k имеет название напряжения короткого замыкания.

Во время опыта определенное напряжение U_1k в обмотке № 1 будет незначительным и составит всего 5-10% от номинала. В связи с этим, действующая величина ЭДС Е₂ во вторичной обмотке также будет небольшой – в пределах 2-5%. В пропорции со значением ЭДС происходит снижение магнитного потока, а, в связи с этим, и потерь мощности в магнитопроводе Р_с. Поэтому ваттметр, измеряющий мощность, покажет лишь количество потерь в проводниках Р_пр.

Важную роль играет уже рассмотренное внутреннее сопротивление трансформатора, значение которого используется при составлении схемы замещения в виде векторной диаграммы. Эта диаграмма дает возможность установить снижение выходного напряжения трансформатора, благодаря падению напряжения комплексного сопротивления.

Для устройств мощностью свыше 1000 В*А, опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора дает возможность проконтролировать величину коэффициента трансформации. В аварийном режиме у таких приборов можно не учитывать холостой ход. Данные расчеты не годятся для трансформаторов малой мощности, поскольку их параметры существенно отличаются от мощных преобразовательных устройств, в том числе и трёхфазного прибора.

Выполнение опыта КЗ на практике

При подключении обмотки-1 трансформатора к сети и замыкании обмотки-2 на клеммах, наступит опасный режим, известный как короткое замыкание. Под влиянием токов провода обмоток выделяют большой объем теплоты, пагубно воздействующий на изоляцию. В аварийном режиме нередко возникают механические напряжения, разрушающие трансформаторные обмотки.

Во избежание разрушительного воздействия полных токов, обмотка № 2 все также замыкается накоротко, а к обмотке-1 выполняется подводка сниженного напряжения. В этом случае ток КЗ становится равным величине номинала, при котором трансформатор обычно и работает. То есть, во время проверки с ним ничего не произойдет.

Данная процедура известна как опыт короткого замыкания трансформатора, когда потенциал подключенной обмотки-1 будет равно всего лишь нескольким процентам от номинала. Оно получило название напряжения короткого замыкания. Этот показатель у силовых устройств, в том числе у трехфазного трансформатора, равняется 5-10% от номинального значения. Полученное значение измеряется вольтметром, подключенным в цепь первичной обмотки. Дополнительно устанавливаются амперметры для замеров номинальных токов в обеих обмотках, а ваттметр учитывает мощность потерь, выявленных во время короткого замыкания.

Ранее уже отмечалось, что величина магнитного потока трансформатора будет пропорциональна напряжению в его первичной обмотке. Во время проведения опыта КЗ его значение в сердечнике слишком маленькое, поскольку напряжение в данном режиме, во много раз ниже номинала. В связи с этим, потери в стальных пластинках можно не учитывать и условно считать основным назначением мощности перекрытие потерь в трансформаторных обмотках.

Используемая схема опыта короткого замыкания и ее результаты создают предпосылки для определения коэффициента мощности cos φ, активного и реактивного сопротивления обмоток.

В любых трансформаторах определяют так называемые обязательные потери. Они включают в себя потери в обмотках и стальном сердечнике. Первая часть относится к категории электрических потерь, пропорциональных квадрату тока. Они определяются показаниями ваттметра, полученными в процессе опыта. Вторая часть представляет собой магнитные потери, связанные с частотой данной электрической сети и значением магнитной индукции. Данные потери также определяет ваттметр, когда трансформатор вводится в режим холостого хода.

Проводимые исследования позволяют установить коэффициент полезного действия трансформатора. При его определении нужно активную мощность обмотки-2, соотнести с мощностью обмотки № 1. КПД трансформаторных устройств достаточно высокий и в некоторых случаях доходит до 98-99%.

Опыт – короткое замыкание – трансформатор

Опыт короткого замыкания трансформатора проводится в процессе исследований трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток и параметров упрощенной схемы замещения трансформатора. [1]

Опыт короткого замыкания трансформатора проводится в процессе исследований трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток и параметров упрощенной схемы замещения трансформатора. Этот опыт проводится при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора. [2]

Опыт короткого замыкания трансформатора проводится в процессе исследований трансформатора для определеия электрических потерь мощности в проводах обмоток и параметров упрощенной схемы замещения трансформатора. Этот опыт проводится при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора. [3]

Опыт короткого замыкания трансформатора состоит в том, что вторичную обмотку замыкают накоротко, а к первичной подводят такое небольшое напряжение, при котором токи в обоих обмотках были бы равны номинальным. [5]

Опыт короткого замыкания трансформатора позволяет определить напряжение короткого замыкания, потери в обмотках и входное сопротивление трансформатора в режиме короткого замыкания. [6]

Опыт короткого замыкания трансформатора позволяет определить напряжение короткого замыкания, потери в ббмотках и сопротивление короткого замыкания трансформатора. [7]

Опыт короткого замыкания трансформаторов 1 – 2-го габаритов производят при токах, близких к номинальному. [8]

Опыты короткого замыкания трансформаторов РПН обычно производят на трех положениях переключающего устройства. Опыт холостого хода трансформатора с реакторным устройством производится и на соседнем положении мост, если последнее не используется в качестве нормального положения. [9]

Под опытом короткого замыкания трансформатора понимается такой режим, при котором его вторичная обмотка при испытании замкнута накоротко ( рис. 11 – 10, а), а к первичной обмотке подведено пониженное напряжение UiK. [11]

Под опытом короткого замыкания трансформатора понимается такой режим, при котором его вторичная обмотка при испытании замкнута накоротко ( рис. 11 – 10, а), а к первичной обмотке подведено пониженное напряжение UlK. [13]

В опыте короткого замыкания трансформатора измерены: потребляемая мощность Рк 50 Вт, токи в первичной и вторичной цепях / № 10 А; / 2к 2 5 А. [14]

При проведении опыта короткого замыкания трансформатора , в отличие от опасного режима короткого замыкания, возникающего в аварийных условиях самопроизвольно, к первичной обмотке трансформатора подводится такое напряжение U K, при котором в обмотках возникают токи, равные соответствующим номинальным их значениям h – h ном, h – h ном. [15]

Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном токе первичной обмотки. Схема для проведения опыта короткого замыкания приведена на рис. 11.3. Опыт проводится для определения номинального значения тока вторичной обмотки, мощности потерь в проводах и падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора.

При коротком замыкании цепи вторичной обмотки, ток в ней ограничивается только малым внутренним сопротивлением этой обмотки. Поэтому, даже при относительно небольших значениях ЭДС Е₂, токI₂может достигнуть опасных величин, вызвать перегрев обмоток, разрушение изоляции и выход трансформатора из строя. Учитывая это опыт начинают при нулевом напряжении на входе трансформатора, т.е. при. Затем постепенно увеличивают напряжение первичной обмотки до значения, при котором ток первичной обмотки достигает номинального значения. При этом ток вторичной обмотки, измеренный по амперметру А_{2 ,} принимают равным номинальному. Напряжениеназывают напряжением короткого замыкания.

Величина напряжения первичной обмотки в опыте короткого замыкания мала и составляет 510% от номинального. Поэтому и действующее значение ЭДС вторичной обмотки Е₂составляет 25%. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток, а значит и мощность потерь в магнитопроводе – Р_с. Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте короткого замыкания, практически определяют только потери в проводах Р_пр, причем

(11.3)

Выразим ток I_2Кчерез приведенный ток

Учтем, что , а также что

.

Тогда выражение (11.3) перепишем в виде

(11.4)

где R_К– активное сопротивление трансформатора в режиме короткого замыкания, причем

(11.5)

Значение активного сопротивления трансформатора позволяет рассчитать его индуктивное сопротивление

При точном расчете нужно учитывать, что R_Кзависит от температуры. Поэтому полное сопротивление трансформатора определяют приведенным к температуре 75 0 С, т.е.

.

Теперь легко определить падение напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора – Z_К:

На практике пользуются приведенным значением U_К, в процентах, обозначая его звездочкой, т.е.

(11.6)

Это значение приводят на паспортном щитке трансформатора.

Знание внутреннего сопротивления трансформатора позволяет представить его схему замещения в виде рис.11.4. Векторная диаграмма, соответствующая этой схеме приведена на рис. 11.5.

Векторная диаграмма позволяет определить уменьшение напряжения на выходе трансформатора Uза счет падения напряжения на комплексном сопротивлении. ВеличинаUопределяется как расстояние между прямым, выходящим из точек начала и конца вектораи параллельными оси абцисс. Из диаграммы видно, что эта величина складывается из катетов двух прямоугольных треугольников, гипотенузы которыхи, а острые углы равны₂.

На практике пользуются относительной величиной U, в процентах, обозначенной звездочкой, т.е.

(11.7)

Для мощных трансформаторов ( S_H1000 ВА) опыт короткого замыкания может служить для контроля коэффициента трансформации. Для таких трансформаторов в режиме короткого замыкания током холостого хода можно пренебречь, считая

(11.8)

Последнее выражение тем точнее, чем больше мощность трансформатора. Однако оно не приемлимо для маломощных трансформаторов.