2.3 Режимы работы трансформаторов собственных нужд

Для начала рассмотрим режимы работы всех силовых трансформаторов [4].

Различают несколько режимов работы трансформаторов.

Рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному или равно ему, а ток определяется нагрузкой трансформатора.

Нагрузочным или рабочим называется режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подведено напряжение U₁, а к вторичной подключены потребители Z_Н (рисунок 10), так  что I₂  > 0.

Рисунок 10 — Нагрузочный режим однофазного трансформатора

Это основной режим, при котором вторичный ток изменяется в пределах 0<I₂ ≤ I_2Н , а коэффициент мощности cosφ₂ определяется характером нагрузки и может изменяться от нуля до 1,0. Особенности взаимодействий в рабочем режиме трансформатора определяются тем, что ток I₂ создает МДС F₂ = I₂W₂ и соответствующий магнитный поток Ф₂, действующие встречно по отношению к МДС F₁ и потоку Ф₀, т.е. в соответствии с принципом Ленца реакция вторичной обмотки направлена на уменьшение основного магнитного потока взаимоиндукции Ф₀, созданного при холостом ходе. Однако, поскольку подводимое к первичной обмотке напряжение не изменяется, а оно, в основном, уравновешивается ЭДС Е₁₀, то поток Ф₀не должен изменяться, что соответствует уравнению равновесия:

(1)

Для поддержания неизменным магнитного потока при переходе от холостого хода трансформатора к нагрузке МДС I₀W₁ первичной обмотки увеличивается до такой величины I₁W₁, при которой компенсируется размагничивающее действие МДС вторичной обмотки I₂W₂. При этом закон Ома для магнитной цепи трансформатора в рабочем режиме записывается в виде:

(2)

Левые части соотношений одинаковы, поэтому справедливо равенство:

(3)

которое называют уравнением равновесия МДС трансформатора.

Из последнего равенства получают уравнения равновесия токов, которые записывают в виде:

(4)

Или

(5)

При нагрузках, близких к номинальной, током холостого хода иногда пренебрегают и второе уравнение упрощается:

(6)

откуда следует соотношение:

(7)

Таким образом, соотношение токов при нагрузках, близких к номинальной, определяется соотношением числа витков, причем оно обратно пропорционально коэффициенту трансформации. Поэтому для номинального режима можно записать приближенное равенство:

(8)

из которого следует, что полная мощность, потребляемая трансформатором из сети, примерно равна полной мощности, отдаваемой потребителю.

Схема замещения первичной обмотки при переходе от режима холостого хода к нагрузке не изменяется, однако первичный ток увеличивается до значения I₁ (рисунок 11, а), что должно найти отражение в уравнении равновесия ЭДС первичной обмотки при нагрузке:

(9)

Ток вторичной обмотки подобно току первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Ф_рс2, действие которого учитывается или величиной ЭДС самоиндукции Е_рс2, или уравновешивающим ее па­дением напряжения I₂x₂, на индуктивном сопротивлении рассеяния:

(10)

где  L₂ — индуктивность рассеяния вторичной обмотки.

Рисунок 11 — Схемы замещения первичной (а) и вторичной (б)   обмоток трансформатора при нагрузке

Электрическая схема замещения вторичной обмотки показана на рисунке 11, б, на которой r₂ — её активное сопротивление, а полное сопротивление нагрузки:

(11)

Уравнение электрического равновесия вторичной обмотки при нагрузке имеет вид:

(12)

Это уравнение источника электрической энергии, что и представляет собой трансформатор по отношению к нагрузке. Как видно, при работе под нагрузкой напряжение на нагрузке отличается от ЭДС Е₂  на величину падения напряжения на внутренних сопротивлениях вторичной обмотки. Следует отметить, что соотношение между ЭДС Е₂ и напряжением U₂  зависит также от характера нагрузки, о чем будет сказано ниже.

Векторные диаграммы первичной и вторичной обмоток являются графическим решением уравнений:

	(13)
	(14)
	(15)
	(16)

Для вторичной обмотки (рисунок 12, б) сдвиг по фазе между током I₂ и напряжением U₂ , (угол φ₂) определяется соотношением параметров нагрузки:

(17)

а угол ψ₂ — соотношением реактивных и активных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки, т.е.

(18)

Рисунок 12 — Векторные диаграммы первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора

На рисунке 12  векторные диаграммы изображены для случая активно-индуктивной нагрузки. На векторной диаграмме первичной обмотки (рисунок 12, а) вектор тока  получают, пристраивая к вектору тока холостого хода   вектор тока  , измененный в отношении 1/к и повернутый на 180°, т.е. вектор

(19)

Построение вектора первичного напряжения U₁  аналогично построе­нию для режима холостого хода, однако, векторы падений напряжения

(20)

ориентируются по отношению к вектору тока  .

Сдвиг по фазе между током I₁ и напряжением U₁ обозначают φ₁. Угол φ₁, определяет, как известно, при заданных значениях тока и напряже­ния, подводимую к трансформатору от сети активную P₁ = U₁I₁cosφ₁ и реактивную  Q₁ = U₁I₁sinφ₁ мощности. Чем больше угол φ₁, тем меньше активная и тем больше реактивная мощности.

Режим параллельной работы трансформаторов, при котором в работе находятся и рабочий и резервный трансформаторы. В таком режиме трансформаторы работают при возросшей нагрузке (для тяговых трансформаторов, например, пропуск тяжелого сверхдлинного состава).

Такое дробление трансформаторной мощности позволяет: отключать часть трансформаторов при уменьшении нагрузки, обеспечивать резервирование мощности при авариях и проведении профилактических ремонтов.

При эксплуатации параллельно включенных трансформаторов важно, чтобы нагрузка между ними распределялась пропорционально их номинальным мощностям. Схема включения на параллельную работу двух однофазных трансформаторов и их упрощенная схема замещения показаны на рисунке 13.

Рисунок – 13 Схема включения на параллельную работу однофазных трансформаторов (а) и их схема замещения (б)

Как видно из схемы замещения по сопротивлению нагрузки протекает ток равный сумме токов первого и второго трансформаторов . Соответственно полная мощность , отдаваемая параллельно работающими трансформаторами в нагрузку

(21)

где полная мощность первого трансформатора, полная мощность второго трансформатора.

Для включения трансформаторов ТрI и ТрII на параллельную работу необходимо, чтобы в режиме холостого хода в их обмотках не возникали уравнительные токи, а при нагрузке не один из трансформаторов не перегружался.

Уравнительные токи протекая между обмотками параллельно работающих трансформаторов вызывают циркуляцию мощности от одного трансформатора к другому, следовательно неравномерную нагрузку трансформаторов, сопровождающуюся увеличением потерь мощности и нагрева:

, (22)

где и ЭДС вторичных обмоток трансформаторов в режиме холостого хода (вторичные напряжения при холостом ходе).

Из (22) следует, что уравнительный ток отсутствует , если разность ЭДС вторичных обмоток не нагруженного трансформатора равна нулю. Равенство выполнимо, если ЭДС вторичных обмоток трансформатора одинаковы по величине и совпадают по фазе, т.е. имеют одинаковое количество витков и принадлежат к одной группе соединения обмоток.

Таким образом, идеальные условия параллельной работы трансформаторов можно сформулировать следующим образом [5]:

- группы соединения обмоток одинаковы;

- соотношение мощностей трансформаторов не более 1:3;

- коэффициенты трансформации (линейных напряжений) отличаются не более чем на ±0,5%;

- напряжения короткого замыкания отличаются не более чем на ±10%;

- произведена фазировка трансформаторов.

Режим «горячего резерва» трансформатора.

Трансформатор считается находящимся в «горячем резерве», если он отключен от источника и приемника энергии только выключателями, а разъединители при этом включены.

Из определения следует, что в «горячем резерве» могут находиться только те трансформаторы, которые в схеме своего присоединения имеют не только разъединители, но и выключатели, либо только одни выключатели. Перевод трансформатора из оперативного состояния «в горячем резерве» в оперативное состояние «в работе» должен осуществляться путем включения только выключателей без операций разъединителями.

Техническое состояние трансформатора, находящегося «в горячем резерве», должно быть таково, чтобы его можно была в любой момент ввести «в работу».

Режим «холодного резерва» трансформатора.

Трансформатор считается находящимся в «холодном резерве», если он отключен разъединителями и выключателями, при наличии таковых в схеме присоединения.

Трансформатор, находящийся «в холодном резерве», может быть как в исправном, так и в неисправном состоянии, что отмечается в оперативной документации при приеме и сдаче дежурства.

На трансформаторе, находящемся «в холодном резерве», не должны стоять защитные переносные заземления, при установке последних оборудование переходит в оперативное состояние «в ремонте».

Также существуют ненормальные (аварийные) режимы работы трансформаторов:

Режимы холостого хода и короткого замыкания возникают при авариях. Эти режимы могут создаваться специально для испытания трансформаторов на заводах изготовителях в опытах холостого хода и короткого замыкания.

Режим холостого хода, т.е. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута (или подключена к нагрузке с очень большим сопротивлением).

Режим холостого хода трансформатора рассмотрим на практическом режиме отключении нагрузки. В этом режиме путем проведения специальных измерений (опыт холостого хода) могут быть оценены важные технико-эксплуатационные параметры трансформатора. Анализ режима XX позволяет выявить основные физические процессы в трансформаторе, знание которых важно для других режимов.

Рисунок 14 – Электрическая схема трансформатора

Напряжение холостого хода:

(23)

В режиме XX трансформатор подключается под номинальное напряжение, то напряжение, при котором предусматривается работа трансформатора:

(24)

Для дальнейшего рассмотрения и составления электрической модели трансформатора удобно ЭДС E_10S за счет рассеяния трактовать, как падение напряжения на чисто реактивном сопротивлении индуктивности рассеяния в цени первичной обмотки jI₁₀X₀. Тогда:

(25)

Для построения векторной диаграммы за точку отправления возьмем направление вектора магнитного потока

Рисунок 15 – Пример векторной диаграммы на холостом ходу

При действии в магнитном проводнике переменного магнитного потока совершается работа по перемагничиванию реального магнитного материала (явление гистерезиса) и расходуется энергия на нагревание сердечника, возникающее в нем из-за появления вихревых токов (токов Фуко). В этой связи имеет две составляющих:

- активную (отражает потери на гистерезис и вихревые токи)

- составляющую в виде тока намагничивания , которую создает основной магнитный поток.

Пользуясь представленным выше уравнением (25) и поясняющей его векторной диаграммой трансформатора на ХХ (рисунок 15), можно поставить в соответствие следующую его схему замещения (эквивалентную схему, электрическую модель трансформатора) (рисунок 16).

Рисунок 16 – Эквивалентная схема замещения трансформатора

Приведенная эквивалентная схема является строгим электрическим аналогом реального трансформатора, если должным образом определены величины сопротивлений:

R₁, X₁, R₀, X₀.

Эта схема позволяет производить все электрические расчеты токов, напряжения, мощности, углов запаздывания и т.д.

Опыт холостого хода:

Рисунок 17 – Схема проведения опыта холостого хода

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет протекать ток холостого хода I₁₀, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5— 10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25—30% номинального тока. Ток холостого хода I₁₀ создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покрытие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3.

По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила тока холостого хода I₁₀, потери в стали сердечника Р_с и коэффициент транс­формации К.

Силу тока холостого хода I₁₀ измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора.

При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода.

О потерях в стали сердечника P_с судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток:

(26)

Активная составляющая тока холостого хода:

(27)

Потери в стали сердечника:

(28)

Потери холостого хода трансформатора:

(29)

Режим короткого замыкания трансформатора, при котором его вторичная обмотка замкнута накоротко (или подключена к нагрузке с очень малым сопротивлением).

При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях.

При опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.

По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания U_кз %, его активная U_а % и реактивная U_х % составляющие, потери на нагревание обмоток трансформатора P_обм при номинальной нагрузке и активное, реактивное и полное сопротивления трансформатора при коротком замыкании r_кз, x_кз и z_кз.

Потери в обмотках указываются ваттметром.

Рисунок 18 – Схема проведения опыта короткого замыкания

(примерно 1-3%)

На входе действует малое напряжение , то мала и электродвижущая сила (ЭДС (противо-ЭДС)), уравновешивающей его, а значит, мал и магнитный поток, ее создающий.

При малом потоке потерями в стали можно пренебречь.

Потери в меди:

(30)

Активное сопротивление:

(31)

Реактивное сопротивление:

(32)

Полное сопротивление:

(33)

Ток короткого замыкания:

(34)

2.3.1 Отказы силовых трансформаторов

Трансформаторы различных габаритов и конфигураций являются сердцем энергетических систем. Будучи крайне необходимым и дорогостоящим оборудованием, трансформаторы играют важную роль в передаче электроэнергии и целостности энергетической системы, в общем. Тем не менее, трансформаторы имеют свой ресурс эксплуатации, в случае превышения которого может произойти отказ трансформатора. Под воздействием неблагоприятных условий системе и системному оборудованию могут быть нанесены тяжелые повреждения, кроме того, возможно недопустимое прерывание снабжения потребителей. Поскольку период ремонта и замены силовых трансформаторов обычно очень длительный, ограничение ущерба, наносимого поврежденным трансформаторам, является первоочередной целью их защиты.

Экономическое воздействие от отказа силового трансформатора:

- прямые экономические последствия ремонта или замены трансформатора;

- непрямые экономические последствия, связанные с потерей мощности или перерывами электроснабжения.

Такие условия эксплуатации, как перегрузка трансформатора вследствие ошибки и т.д., часто приводят к отказу трансформатора. Это подчеркивает необходимость функций защиты трансформатора от перегрузки и перегрева. Длительная работа трансформатора в таких анормальных условиях, как неисправности или перегрузки, может подвергнуть риску силовой трансформатор. Адекватная защита необходима для скорейшего отключения трансформатора при таких обстоятельствах. Используемый тип защиты должен уменьшать время отключения в случае наличия неисправности внутри трансформатора и минимизировать риск катастрофической поломки, чтобы упростить возможный ремонт.

Риск отказа трансформатора измеряется двумя параметрами: частота сбоев в работе и серьезность поломки. Чаще всего отказ трансформатора становится результатом повреждения изоляции. Эта категория включает неправильный или некачественный монтаж, износ изоляции, короткое замыкание и, с другой стороны, внешние факторы резкого изменения напряжения в электросети, такие как молния или порыв на линии электропередачи.

Сбои в работе трансформаторов могут быть классифицированы следующим образом:

- Неисправность обмоток вследствие коротких замыканий (витковое замыкание, замыкание «фаза-фаза», «фаза земля», открытая обмотка);

- Повреждения сердечника (нарушение изоляции сердечника, укороченные пластины);

- Терминальные повреждения (открытые вводы, неплотные соединения, короткие замыкания);

- Сбои системы регулирования напряжения под нагрузкой (механические, электрические, короткие замыкания, перегрев);

- Ненормальные условия эксплуатации (перенасыщение, перегрузка, перенапряжение);

- Внешние неисправности.

Другими причинами отказа трансформатора могут стать:

Перегрузка  – трансформаторы, которые несут устойчивую нагрузку, превышающую номинальную, часто отказывают в связи с перегрузкой.

Перепады напряжения – отказ, вызванный коммутационными перенапряжениями, скачками напряжения, неполадками на линии электропередачи, и другими нарушениями передачи и распределения энергии предполагает, что защите от перенапряжения, адекватности крепления витков обмоток и мощности коротких замыканий должно уделяться больше внимания.

Неплотные соединения – неплотные соединения, неправильное сопряжение разнородных металлов, неправильная затяжка болтовых соединений может также привести к отказу трансформатора.

Загрязнение масла  – загрязнение масла ведет к образованию осадка, влаги и отложению углерода в масляном баке, что часто приводит к поломке трансформатора.

Конструкционные / производственные ошибки – включают такие проблемы, как болтающаяся  или неподдерживаемая ошиновка, плохая фиксация, некачественная пайка, недостаточная изоляция сердечника, низкая выдерживаемая мощность коротких замыканий и посторонние предметы, оставленные в баке.

Неправильное обслуживание / управление – ненадлежащее обслуживание и эксплуатация являются главной причиной отказа трансформаторов. Сюда относятся отключенная или неправильно установленная система управления, потери охлаждения, накопление грязи и масла, коррозия.

Внешние факторы  – некоторые внешние факторы, такие как наводнения, пожары, взрывы, удары молнии, и высокая влажность могут стать причиной повреждения трансформатора.