3.12. Определение характеристик холостого хода, короткого замыкания и параметров активных и пассивных элементов схемы замещения силового трансформатора

Параметры схемы замещения трансформатора могут быть определены как расчетным, так и опытным путем.

В практике трансформаторостроения широко используются методы опытного определения параметров схемы замещения.

Т-образная схема замещения трансформатора представляет собой пассивный четырехполюсник, параметры которого, как известно из теоретической электротехники, могут быть определены из опытов холостого хода и короткого замыкания.

Классическая схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора приведены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Классическая схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

Сетевая обмотка трансформатора подключается к синусоидальному напряжению, а нагрузочная обмотка разомкнута.

Для трехфазного трансформатора по показаниям трех амперметров и вольтметров определяются средние значения линейного тока и междуфазного напряжения, а по показаниям ваттметров – мощность холостого хода трех фаз, Р₀ = Р′ + Р″. Физический смысл имеют только значения сопротивлений, рассчитанные для фазы, поэтому необходимо принимать во внимание схему соединения обмоток. В случае соединения сетевой обмотки в «звезду»

^{; ; ,}

а при соединении ее в «треугольник»

^{; ; .}

Коэффициент мощности при холостом ходе

^.

Коэффициент трансформации

^,

где    w₁, w₂ – число витков обмоток ВН и НН соответственно.

При холостом ходе, согласно схеме замещения, приведенной на рис. 3.3,

^,

или, так как Z₁ << Z₀, с большой точностью ; .

Вследствие преобладания индуктивного сопротивления при U₀ = U_н коэффициент мощности cosφ ≤ 0,1.

Поскольку r₁ << r₀, то потери холостого хода практически равны магнитным потерям в сердечнике, включая потери от вихревых токов в стенках бака. Опыт холостого хода производят обычно для ряда значений U₀: от U₀ ≈ 0,3 · U_н до U₀ ≈ 1,1 · U_н – и по полученным данным строят характеристики холостого хода, представляющие собой зависимости I₀, P₀, z₀, r₀, cosφ₀ в функции U₀ (рис. 3.5).

При увеличении U₀ насыщение сердечника увеличивается, вследствие чего I₀ растет быстрее U₀. Поэтому z₀ и х₀ с ростом U₀ также уменьшаются. Так как P₀ ≡ Е₂ ≡ U₂, a I₀₂ растет быстрее U₀₂, то r₀ с ростом U₀ также уменьшается. По характеристикам холостого хода устанавливаются значения соответствующих величин для U_0н = U_н.

Классический опыт КЗ производится по схеме, приведенной на рис. 3.6. Нагрузочные обмотки замыкаются накоротко, а к сетевым обмоткам, во избежание перегрева и повреждения трансформатора, подводится пониженное напряжение с таким расчетом, чтобы ток находился в пределах номинального.

Рис. 3.5. Характеристики ХХ трансформатора в относительных единицах

Рис. 3.6. Классическая схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

В случае трехфазного трансформатора по показаниям приборов определяются средние значения междуфазного напряжения U_к.л, линейного тока I_к.л и мощности короткого замыкания трех фаз P_к. При соединении сетевой обмотки в «звезду» параметры короткого замыкания на фазу будут следующими:

^{; ; ,}

а при соединении сетевой обмотки «треугольником»:

^{; ; ,}

Коэффициент мощности при коротком замыкании определяется по формуле аналогичной для опыта ХХ.

Согласно схеме замещения, приведенной на рис. 3.3, сопротивление короткого замыкания

^.

Так как в сотни раз больше , то в знаменателе второго слагаемого в правой части можно пренебречь . Поэтому высокую точность обеспечивают отношения

^{; ; .}

Они соответствуют упрощенной схеме замещения при замкнутых между собой зажимах нагрузочной обмотки (U₂′ = 0).

Так как x₁ и x₂′ определяются потоками, замыкающимися по воздуху, то их значения, а также значение z_к не зависят от U_к и I_к. Характеристики короткого замыкания трансформатора приведены на рис. 3.7.

Напряжение U_к = U_кн, при котором ток короткого замыкания равен номинальному, I_к = I_н, носит название напряжения короткого замыкания и обозначается u_к. Активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания:

^{; .}

Согласно изложенному напряжение короткого замыкания является важной характеристикой трансформатора. Значение u_к% указывается в паспортной табличке трансформатора.

При выполнении опыта холостого хода трансформатора включают одну из его обмоток (обычно низшего напряжения) под номинальное напряжение. Потребляемый при этом ток называют током холостого хода I_ХХ (обычно выражают в % от I_ном).

^{, %.}

Ток холостого хода – это ток сетевой обмотки ненагруженного трансформатора при номинальном напряжении. Ток холостого хода состоит из двух составляющих: активной и реактивной. Активная составляющая определяется потерями в стали и на вихревые токи, реактивная составляющая – магнитным потоком рассеяния.

Рис. 3.7. Характеристики КЗ трансформатора, определенные со стороны ВН в относительных единицах

Потребляемую при этом активную мощность называют потерями холостого хода Р_хх (кВт). Эта мощность расходуется в основном на перемагничивание электротехнической стали (потери на гистерезисе) и на вихревые токи. Ток и потери холостого хода являются паспортными данными силовых трансформаторов.

Для большей точности измерения при опыте холостого хода обмоткой возбуждения служит обмотка низшего напряжения, а обмотка высшего напряжения – разомкнута. Это объясняется тем, что для обмотки НН номинальный ток будет больше, чем для обмотки ВН. Так как ток холостого хода небольшой и составляет несколько процентов от номинального, то при использовании обмотки НН в качестве обмотки возбуждения ток холостого хода окажется больше и может быть измерен более точно, чем в случае использования обмотки ВН в качестве обмотки возбуждения.

Заводы-изготовители производят измерения потерь холостого хода либо при номинальном напряжении, либо при малом напряжении (обычно 380 В).

Таблица 3.2