Опыт короткого замыкания трансформатора: как проводится, измерение сопротивления, напряжения и потерь

Назначение опыта короткого замыкания

Открытый тест без нагрузки проводится для определения потерь в сердечнике без нагрузки.

Суть проверки заключается в том, что обмотка высокого напряжения остается разомкнутой, пока выходная обмотка подключена к обычной сети потребителя. Туда же подключаются необходимые измерительные приборы – ваттметр, амперметр и вольтметр.

В результате такого подключения внешнее напряжение, подаваемое на устройство, медленно увеличивается от нуля до своего номинального значения.

Для этого в схему включен дополнительный автотрансформатор с скользящими контактами.

Показания всех приборов фиксируются в момент достижения испытательным напряжением требуемой величины в выходной цепи. Физическая сущность результатов измерений заключается в следующем:

1. Амперметр показывает значение тока холостого хода, величина которого очень мала, и поэтому падением напряжения можно пренебречь.
2. Входная мощность указывается ваттметром. Но другая сторона трансформатора открыта, поэтому выходной мощности нет, и показатель на ваттметре представляет собой сумму только потерь мощности на степень насыщения материала сердечника и потерь в проводах.
3. Через внешнюю обмотку прибора подключается высокоомный вольтметр. Обмотка высокого напряжения рассматривается как разомкнутая цепь, потому что ток через вольтметр незначителен.
4. Результаты испытаний очень точны благодаря низким значениям тока холостого хода и отсутствию потерь в элементах электрической цепи. Поэтому показания ваттметра гарантированно определяют полные потери в сердечнике.

Режим холостого хода трансформатора

Этот режим характеризует подачу переменного напряжения, изменяющегося по принципу синусоиды, на первичную обмотку прибора, в то время как во вторичной, находящейся в разомкнутом состоянии, электрического тока вообще нет.

В этом случае блок трансформатора напоминает индуктор с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом. Для проведения опытов с трансформатором в таком состоянии необходимо будет изучить электрическую схему, соответствующую используемому устройству (однофазному или трехфазному)

Про опыт холостого хода

 

Проведение холостого эксперимента позволяет узнать основные показатели работы устройства: процент потерянного тока, коэффициент трансформации, величину электрического тока на холостом ходу.

Опыт проводят с помощью измерительных приборов: ваттметра, амперметра и пары вольтметров, один из которых (превосходящий по внутреннему сопротивлению) подключают к выводам вторичной обмотки. На первичку подается номинальное напряжение.

В ходе эксперимента вы можете найти:

• электрический ток холостого хода (измеряется амперметром) — обычно величина небольшая, не более 0,1 от номинального тока первой обмотки;
• потери тока в магнитопроводе устройства;
• показатель трансформации напряжения примерно равен значению в первичной цепи, деленному на значение во вторичной (оба значения — данные вольтметра);
• по результатам измерений тока, мощности и напряжения первичной цепи можно рассчитать коэффициент мощности: мощность делится на произведение двух других величин.

Процедура следующая: первичная катушка (или ВН) подключается к источнику тока через три традиционных измерительных прибора (амперметры, ватты и вольтметры). На вторичке (NN) выводы сокращены. Потребляемый электрический ток будет очень высоким, особенно учитывая низкое сопротивление обмотки.

Для номинального тока измеряют напряжение и мощность. На первичной обмотке требуется низкое напряжение. Он, как и ток для ХХ, имеет очень низкое значение по сравнению с номиналом — в пределах 0,05.

Тем не менее, эта техническая особенность имеет большое практическое значение – по ней вычисляют вторичное напряжение и определяют, допустимо ли параллельное соединение устройств.

Важно! Потерями тока в сердечнике можно пренебречь из-за обедненного напряжения. Поэтому показания ваттметра принимают за потери в меди.

Рабочее сопротивление обмотки R можно найти следующим образом:

Р=П/I2,

куда:

• P — данные вольтметра,
• I — сила тока.

Показатель полного сопротивления Z=U/I, реактивного — X=√(Z² — R²).

Проведение эксперимента с коротким замыканием

Принцип работы трансформатора в режиме холостого хода

Особенности применения и использования устройства УЗО

При подаче на обмотку прибора синусоидального напряжения в ней возникает слабый ток, как правило, не превышающий 0,05-0,1 от номинального значения (это ток холостого хода).

Он создается магнитодвижущей силой обмотки, именно благодаря ее действию в замкнутом элементе магнитопровода возникают проводящий магнитный поток (обозначается F) и рассеивающий поток F1, замыкающиеся вокруг тела обмотки. Величина магнитодвижущей силы равна произведению тока холостого хода на число колебаний обмотки.

Проводящий ток создает в устройстве две электродвижущие силы: самоиндукцию для первой обмотки и взаимоиндукцию для второй. F1 создает ЭДС рассеяния на первой катушке.

Он имеет очень малую величину, так как ток, его создающий, замыкается, большей частью, по воздушным массам, проводящий ток Ф — по магнитопроводу. Поскольку основной ток намного больше, электродвижущая сила, которую он создает для первичной катушки, также намного больше.

Важно! Так как приложенное напряжение имеет форму синусоиды, то основной ток и создаваемые им обмоточные ЭДС имеют одинаковые характеристики. Однако из-за магнитного насыщения ток в устройстве не пропорционален электрическому току, создающему намагниченность, поэтому последний не будет синусоидальным.

Практикуется замена его реальной кривой соответствующей синусоидой того же значения. Искажение тока связано с третьей гармонической составляющей (величина, определяемая вихревыми токами и насыщением потока).

Таблица потерь

Методика расчета освещения в жилых и производственных помещениях

Когда цепь второй катушки разомкнута, она не использует рабочую силу. Ток, используемый первым, имеет определенный активный процент (это потери устройства), но преобладает реактивный, отвечающий за намагничивание и отдаваемый генератору.

Что касается теряемой мощности, то большая ее часть расходуется на процессы перемагничивания и генерацию вихревых токов в магнитопроводе.

Из-за этого последний начинает перегреваться. Поскольку поток рассеяния не зависит от электрического тока нагрузки, потери мощности происходят не только на холостом ходу, но и при приложении нагрузки. Другая часть потерь (очень небольшая) идет на нагрев змеевика. Небольшое его значение обусловлено показателями сопротивления проводов и тока холостого хода.

При напряжении 10/0,4 кВ потери будут увеличиваться по мере увеличения мощности. Для номинальной мощности 250 кВА потери составят 730 Вт, для 400 кВА — 1000 Вт, для 2500 кВА — 4200 Вт.

После многолетней эксплуатации в магнитопроводе происходят процессы, увеличивающие объем потерь: изнашивается изоляция вне, структурные свойства, пока металл не изменится. Из-за этого может теряться до 50% мощности.

Понятие потерь

Выбор коммутационных аппаратов и токоведущих частей коммутационных систем — подбор токоограничивающих реакторов

При работе установки часть тока отводится в первичную цепь. Он исчезает в системе. Поэтому поступающая мощность в нагрузку определяется на более низком уровне. Разница заключается в общем снижении мощности трансформатора.

Существует два типа причин, по которым происходит увеличение энергопотребления оборудования. На них влияют различные факторы. Они делятся на следующие виды:

1. Магнитный.
2. Электрический.

Их следует понимать, чтобы иметь возможность уменьшить электрические потери в силовом трансформаторе.

Магнитные потери

В первом случае потери в стали на магнитный режим состоят из вихревых токов и гистерезиса. Они прямо пропорциональны массе сердечника и его магнитной индукции. На это свойство влияет само железо, из которого изготовлен магнитный привод. Поэтому сердечник изготовлен из электротехнической стали. Пластины сделаны тонкими. Между ними лежит слой утеплителя.

Электрические потери

Снижение мощности можно определить в обмотках при их нагреве электричеством. В сетях такие затраты составляют 4-7% от общего количества потребляемой энергии. Они зависят от нескольких факторов. Это включает:

• Электрическая нагрузка системы.
• Конфигурация внутренних сетей, их длина и размер участка.
• Рабочий режим.
• Средневзвешенный коэффициент мощности системы.
• Размещение компенсационных единиц.

Потери мощности в трансформаторах величина переменная. На него влияет квадрат тока в цепях.

Читайте также: Ограничитель мощности однофазный, трехфазый: ОМ 630, ОМ 310

Как рассчитать

Правильный выбор трансформатора тока по ГОСТ

На практике применяют два основных метода расчета потерь электромагнитного оборудования, для чего используют технические характеристики трансформаторов. Минэнерго России рекомендовало в отчетном периоде рассчитывать потери нагрузки исходя из схемы электросетевого хозяйства:

ΔWHj= KK *ΔРСР * ТJ * K2Ф, где

ΔРСР — средние потери мощности, кВт;

K2Ф – коэффициент формы графика;

КК — параметр отсечки (0,99);

TJ – продолжительность расчетного периода.

При отсутствии графика загрузки К2Ф = (1+2КЗ)/3КЗ), а при отсутствии сведений о коэффициенте загрузки графика КЗ = 0,5.

Для двухобмоточных

Для выполнения расчетов необходимо использовать технические (каталожные) параметры трансформатора, к которым относятся:

• номинальная мощность;
• потери на холостом ходу;
• затраты на короткое замыкание.

Для расчетов также необходимы расчетные данные:

• фактическая энергия, потребленная за период;
• количество рабочих часов (в месяц/квартал);
• время работы трансформатора при номинальной нагрузке сети.

Получив приведенные выше данные, измеряют угол cos φ, выступающий в роли средневзвешенного коэффициента мощности, отталкиваясь от значения tg φ — коэффициента компенсации единицы диэлектрических потерь:

Если в энергосистеме нет счетчика реактивной мощности, используйте выражение:

Формулы

Для расчетов используйте формулу:

К = ЕА / РНОМ * ТОЧКА * cos φ, где

ЭА — активное электричество;

cos φ = r/Z — фазовый угол (r — активное и Z — сопротивление цепи).

Или эта запись:

Соответственно потери трансформатора в рабочем режиме (под нагрузкой и не на холостом ходу) рассчитываются следующим образом:

Р = МАК * ПУНКТ * РКЗ * К2 * ТНФ

Описанная методика используется при расчете потерь в двухцепных трансформаторах.

Для трехобмоточных

Для расчета потерь электроэнергии в трехобмоточных силовых агрегатах в расчетную формулу дополнительно включаются технические характеристики оборудования, указанные изготовителем в паспорте. Формула расчета:

Э = ЭСН + ЭНН,

где Е — фактическая потребляемая энергия;

ЭСН и ЭНН соответственно электроэнергии в цепях среднего и низкого напряжения или по формуле, где коэффициенты находятся следующим образом:

В формуле используется номинальная мощность каждой цепи обмотки и потери, возникающие при коротком замыкании.

Проверка работы

Основная цель этого эксперимента в сочетании с экспериментом в условиях короткого замыкания состоит в том, чтобы найти эффективность устройства преобразования. После настройки трансформатора на правильный режим выполняются следующие измерения:

1. Данные о напряжении поступают на первую обмотку, а затем на выводы второй. Сделать это можно не только парой вольтметров, но и мультиметром, выставив правильный режим работы. Если для измерений используются вольтметры, на другую катушку помещают высокоомное устройство для поддержания нулевого тока. Измерив оба показателя, можно найти коэффициент трансформации, разделив номинал первичной обмотки на номинал вторичной обмотки.
2. Ваттметр для регистрации потребляемой мощности расположен в первичной электрической цепи. К нему подключен амперметр, он показывает силу тока устройства на холостом ходу.

Измерение напряжения трансформатора мультиметром

Виды КЗ у трансформаторов

В случае короткого замыкания трансформатор выходит на предельный режим работы. При этом на первичную обмотку подается некоторое напряжение, а вторичная оказывается замкнутой.

Короткое замыкание трансформатора может быть аварийным или контрольным. В первом случае опасная ситуация возникает в режиме работы устройства, когда оно подключено к номинальному первичному напряжению.

В обмотках появляется ток короткого замыкания, во много раз превышающий номинал, и устройство выходит из строя. Как правило, основные детали перегорают, и вся схема просто разваливается.

Избежать таких негативных последствий можно с помощью средств защиты – автоматических выключателей, предохранителей, реле и т д. Его как можно быстрее отключают со стороны первичной обмотки, тем самым спасая устройство от разрушения.

В тестовом режиме, известном как тест на короткое замыкание, эта ситуация создается искусственно. Для этого на первичную обмотку подается пониженное напряжение. При этом токи в каждой обмотке не выходят за номинальные.

Этот опыт позволяет точно определить наиболее важные параметры и характеристики трансформаторной установки. Каждое из коротких замыканий следует рассмотреть более подробно с точки зрения его физического воздействия на трансформатор.

Как проводится

Для высоковольтной обмотки устанавливается проходное значение холостого хода. Устанавливается по рекомендуемым значениям угла фазового сдвига (sinΦ0 и cosΦ0; индекс указывает на то, что мощность трансформатора определяется в режиме холостого хода).

Кроме того, по показаниям вольтметра измеряют параметры шунтирующих схем замещения. Они относятся к обмотке низкого напряжения, поэтому испытание на разомкнутую цепь устанавливает как потери в сердечнике, так и соответствующие параметры шунта цепи.

Правильная тестовая схема требует, чтобы трансформатор находился в режиме короткого замыкания при низком напряжении. Ваттметр, вольтметр и амперметр соединены вместе на стороне высокого напряжения.

Сигнал подается на цепь и увеличивается от нуля до тех пор, пока показания амперметра не сравняются с номинальным током. В этот момент снимаются показания всех приборов, и амперметр покажет значение первичного эквивалента тока полной нагрузки, а ваттметр покажет потери тока в проводниках и сердечнике.

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации определить проще всего. Для этого сравниваются входное и выходное напряжения. Расчет производится по следующей формуле:

n=U1/U2

Это соотношение распространяется на все обмотки трансформатора.

Однофазные трансформаторы

В однофазных трансформаторах показания амперметра характеризуют потребляемый ток при отсутствии нагрузки. Эти измерения являются окончательными и в дальнейших расчетах нет необходимости.

Трехфазные

Для управления трехфазным трансформатором требуется усложнение принципиальной схемы. Требуются следующие устройства:

• амперметр для измерения тока в каждой фазе;
• вольтметры для измерения междуфазных напряжений на первичной обмотке;
• вольтметры для измерения междуфазных напряжений во вторичной обмотке.

При испытании на холостом ходу производятся следующие расчеты:

• вычисляется среднее значение силы тока по показаниям амперметра;
• среднее значение напряжения первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент трансформации рассчитывается из полученных значений напряжения так же, как и для однофазной системы.

Измерение тока

При измерении тока можно определить только величину электрических потерь. Более сложная схема измерений позволяет более полно определить параметры конструкции.

Применение ваттметра

Подключив ваттметр к первичной цепи, можно определить потери тока трансформатора в дежурном режиме. Суммируя с мощностью нагрузки, найденное значение определяет общую мощность трансформатора.

Измерение потерь

Измеряя ток холостого хода и потребляемый ток, можно сделать выводы об общих потерях холостого хода, которые приводят к следующему:

1. Нагрев обмоточных проводов.
2. Тепло ядра.
3. Снижение эффективности.
4. Появление магнитной полосы.

Методика расчёта напряжения, потерь и сопротивления КЗ

Расчеты выполняются в следующем порядке:

1. Обе составляющие тока холостого хода определяются:

Iµ = I0sinΦ0 и Iw = I0cosΦ0.

1. Номиналы реактивных резисторов Х0 и активных R0 задаются в схемах замещения, которые относятся к обмотке низкого напряжения:

X0 = V1/Iµ и R0 = V1/Iw.

Здесь V1 — показания вольтметра на обмотке низкого напряжения.

1. Окончательное значение мощности рассчитывается:

W1 = 2IµR0 и W2 = 2IwX0

Ж = (Ж21 + Ж22)0,5

Менее точно, мощность Вт можно установить непосредственно по показаниям ваттметра.

Это объясняется тем, что напряжение, используемое для появления полного тока нагрузки, хотя и небольшое по сравнению с номинальным, но все же присутствует на обмотках.

1. Значение эквивалентного сопротивления Zeq трансформатора определяют:

Zeq2 = R02 + X02.

Полученные данные соответствуют данным, относящимся к стороне высокого напряжения трансформатора. Таким образом, в результате испытания на КЗ определяются потери в проводниках а, а также их примерный эквивалент и реактивное сопротивление.

В результате анализа полученной информации можно определить зависимость потерь от тока холостого хода и напряжения на вторичной обмотке.

Также важно, что полные потери трансформатора зависят от его реактивного сопротивления, а не зависят от значений угла сдвига фаз между напряжением и током.

Холостой ход трехфазного трансформатора

Работа такого устройства в соответствующем режиме зависит от конструкции его магнитной системы. Если используется устройство по типу группы однофазных трансформаторов или системы армированных стержней, то третья гармоническая составляющая каждой фазы будет замыкаться в отдельный сердечник, и будет иметь значение до 20 % активный магнитный поток.

Создается дополнительная электродвижущая сила, которая может достигать очень большой скорости — 0,5-0,6 основной ЭДС. Такие процессы могут стать причиной нарушения целостности изоляции с последующим выходом из строя электроустановки.

Оптимальный вариант – система с тремя стержнями, тогда третий компонент не пойдет по магнитопроводу, а будет замкнут в воздухе или другой среде с малой магнитной проницаемостью (например, масле). В этом случае не будет развиваться массивная дополнительная ЭДС, вносящая серьезные искажения.

Схема для опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

Параметры трансформатора по опытам холостого хода

В паспорте устройства указан ряд значений, с помощью которых можно рассчитать такие показатели эффективности, как максимальное значение электрического тока короткого замыкания, полученное на практике, потери энергии и амплитуду изменчивости напряжения приемника при изменение тока. Эти величины делятся на две группы.

Первый относится к работе на холостом ходу: сюда входят сила тока в процентах от номинальной и потери мощности магнитопровода. Второе — это потери в обмотке при КЗ и напряжение (тоже указано относительно номинального) в этом состоянии.

Расчет КПД трансформатора

Потери энергии в устройстве, возникающие в медных и стальных компонентах, вызывают несоответствие параметров выходной и потребляемой мощности. Вы можете узнать, насколько эффективно устройство, рассчитав КПД: он равен отношению выходной и потребляемой величин.

Последняя равна сумме первых потерь для стального сердечника (они распознаются при холостом ходе эксперимента) и для медных элементов (рассчитываются по измерениям короткозамкнутого устройства).

выполнение испытаний на короткое замыкание и обратное испытание является надежным способом расчета эффективности трансформатора. Он также позволяет определить величину потерь энергии и выяснить, на какой компонент приходится их большая часть.

Примеры расчётов

Разнообразие ситуаций, в которых целесообразно проводить испытание на короткое замыкание, обсуждается на страницах журнала Voltland.

Исходными данными для расчетов являются:

• Пользовательский интерфейс падения напряжения, связанный с определенным типом устройства. Обычно значения находятся в пределах от 4,5 % (для агрегатов реактивной мощностью 300…500 кВА) до 5,7 % — для более мощных видов изделий;
• Количество полюсов синхронных двигателей, питаемых через трансформатор (от 6 до 14);
• Предельный коэффициент потерь мощности (устанавливается производителем и приводится в инструкции).

Будем считать, что потенциал подается поэтапно, пока подключенный амперметр не достигнет значения полного вторичного тока нагрузки.

Приведены результаты для трехфазного трансформатора, рассчитанного на напряжение U = 480 В, реактивной мощностью 100 кВА и реактивным напряжением 13800 В.

Суммарный ток короткого замыкания во вторичной цепи:

I = 1000 / 1,732 × U = 1,202 (А).

Когда вольтметр покажет U1 = 793,5 В, процент потери значений импеданса составит

ΔZ = 793,5/13800 = 0,0575.

Таким образом, процент потерь составляет 5,75%. Отсюда видно, что при нарушении трехфазного соединения на вторичной обмотке появится максимальный ток короткого замыкания, величина которого составляет:

Iкз = 1,732×I = 2,0903 (А)

Максимальный ток короткого замыкания Imax на вторичных клеммах:

Imax = Ikz / Δ Z = 2,0903/0,0575 = 36,5437 (А)

По расчетному значению Imax подбираются характеристики средств защиты устройства от перегрузок, особенно главного выключателя, который необходимо установить в цепи вторичной обмотки.