книги из ГПНТБ / Китаев, В. Е. Трансформаторы учеб. пособие

При отключении части витков в середине обмотки механиче­ ская прочность обмотки снижается в меньшей степени, чем при отключении части витков у конца обмотки. При многослойных ци­ линдрических обмотках у трансформаторов небольших мощностей отключаемые витки размещают у конца обмотки (рис. 27, а) и от­ ветвления делают около нулевой точки. В обмотках других конст­ рукций ответвления располагают в средней части обмотки. Оборот­ ная схема (рис. 27, б) позволяет разместить ответвления около нулевой точки и в то же время в середине обмотки. Прямую схему обмотки (рис. 27, в) с регулировочными ответвлениями в средней ее части применяют в непрерывных обмотках трансформаторов мощностью выше 1000 ква при напряжении 35 кв.

Рис. 28. Схемы переключателей ответвлений:

В трансформаторах с обмотками, имеющими регулировочные ответвления около нулевой точки, применяют один переключатель, общий для всех трех фаз (рис. 28, а). При прямой схеме обмотки, когда отключаемые витки находятся в середине обмотки, исполь­ зуют три переключателя (по одному для каждой фазы), распола­ гаемых один над другим на общей оси (рис. 28, б). Переключение с одного ответвления на другое производят только после отключе­ ния трансформатора от первичной и вторичной сетей, чтобы избет жать возможных коротких замыканий регулировочных витков обмотки и разрыва цепи обмотки под нагрузкой. Переключение осуществляют поворотом рукоятки переключателя, расположенной на крышке бака трансформатора.

Существуют также схемы регулирования напряжения без от­ ключения трансформатора от сети. В таких трансформаторах ре­ гулирование напряжения производится под нагрузкой (РПН). Для ограничения токов коротких замыканий в регулируемых витках в процессе переключения эти витки замыкаются на относительно большое индуктивное или активное сопротивление.

50

Контрольные вопросы

1. Почему при изменении нагрузки трансформатора изменяется ток в его

4*

Г Л А В А 5

КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

§20. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

ВУСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Короткие замыкания в электрических установках возникают обычно вследствие каких-либо неисправностей в. сетях (при меха­ ническом повреждении изоляции, электрическом ее пробое в ре­ зультате перенапряжений и т. д.) или при ошибочных действиях эксплуатационного персонала.

Для трансформатора короткое замыкание очень опасно, так как при этом возникают очень большие токи. При коротком замыка­ нии зажимов вторичной обмотки сопротивление нагрузки zH пра­ ктически равно нулю и, следовательно, напряжение на зажимах

Рис. 29. Эквивалентная схема (а) и векторная диаграмма (б) для одной фазы трансформатора при коротком замыкании

вторичной обмотки U2 также равно нулю. Таким образом, напря­ жение Uи приложенное к первичной обмотке, будет уравновешено падением напряжения в полных сопротивлениях первичной и вто­ ричной обмоток Zk= 2[+Z2'. Эквивалентная схема для одной фазы трансформатора при коротком замыкании изображена на рис. 29, а.

Уравнение равновесия э. д. с. первичной обмотки трансформа­ тора при коротком замыкании вторичной обмотки запишется в сле­ дующем виде:

t/i= /KzK, где /к— ток короткого замыкания.

На рис. 29, б показана векторная‘диаграмма для одной фазы трансформатора при коротком замыкании. Вертикально вверх на­ правлен вектор тока короткого замыкания / к. Параллельно векто­

62

ру тока направлен вектор падения напряжения в активном сопро­ тивлении короткого замыкания 1кгк. Повернут относительно векто­

вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении корот­ кого замыкания трансформатора 1кхк.

Геометрическая сумма векторов 1кгк и 1кхк определит вектор приложенного к первичной обмотке напряжения U|, который по­ вернут относительно вектора тока короткого замыкания /к в сторо­ ну опережения на угол короткого замыкания фк. Этот угол зависит от соотношения сопротивлений хк и гк. Чем больше индуктивное сопротивление х„ и чем меньше активное сопротивление гк, тем большим будет угол tp„.-Таким образом, сил^ тока короткого замы­

кания трансформатора /к ■= — . гк

Так как падение напряжения в полном сопротивлении обмоток трансформатора при номинальном токе /н составляет 5ч-7% от но­ минального напряжения, т. е. /HzK~ (0,05-^0,07) Uu ток короткого замыкания окажется большим номинального тока во столько раз, во сколько номинальное напряжение больше падения напряжения в полном сопротивлении обмоток при номинальном токе.

имели в виду установившееся значение тока короткого замыкания трансформатора. Такой ток, во много раз больший номинального, будет протекать в обмотках трансформатора в течение всего вре­ мени короткого замыкания, как бы велико оно ни было. Однако в момент короткого замыкания кратность тока короткого замыкания может оказаться еще большей. В зависимости от мгновенного зна­ чения приложенного напряжения мгновенный ток короткого замы­

произошло в момент, когда мгновенное значение напряжения и{ равно максимальному значению Ulm, то мгновенный ток короткого замыкания /'к равен установившемуся значению /к. При коротком замыкании в момент, когда напряжение равно нулю, мгновен­ ный ток короткого замыкания окажется в 2 раза большим устано­ вившегося тока.

Ток короткого замыкания резко повышает температуру обмот­ ки, что угрожает целости изоляции. Потери в проводах обмоток трансформатора пропорциональны току во второй степени (Рм= = Ргк). Поэтому в случае, когда ток короткого замыкания окажет­ ся, например, в 20 раз большим номинального тока, потери в про­

53

водах обмоток будут в 400 раз большими, чем при номинальном токе (если не учитывать увеличения сопротивления обмоток от на­ грева). Выделение большой мощности в проводах обмоток вызы­ вает резкое повышение их температуры, вследствие которого воз­ можно нарушение целости изоляции и выход трансформатора из строя.

Поэтому все трансформаторы снабжаются достаточно быстро­ действующей защитой, которая отключает трансформатор в случае его короткого замыкания. Если время, в течение которого транс­ форматор находится в режиме короткого замыкания, будет мало, обмотки его не успеют нагреться до температуры, опасной для' их изоляции.

Короткое замыкание трансформатора очень опасно, так как может привести к его разрушению. Как известно, между провода­ ми, обтекаемыми током, воз­ никает механическое взаимо­ действие. Если в двух парал­ лельных проводах протекают токи, направленные в одну и ту же сторону, эти провода притягиваются друг к другу, а если токи направлены в проти­ воположную сторону, провода

взаимно отталкиваются.

В трансформаторе имеется очень много параллельных друг другу витков, каждый из которых можно рассматривать как отдельный провод. В вит­ ках какой-либо одной обмотки

(первичной или вторичной) протекают токи одинакового направ­ ления, так что все витки одной обмотки взаимно притягиваются. Намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток имеют встречное направление, поэтому обмотки стремятся оттолкнуться одна от другой.

Механические силы, действующие на обмотки, зависят от кон­ струкции обмоток, размещения витков и токов, протекающих в об­ мотках. В концентрических симметричных обмотках силы F, дей­ ствующие на обмотки, направлены перпендикулярно оси катушек (рис. 30, а); в дисковых чередующихся обмотках силы направлены параллельно оси катушек (рис. 30, б).

Так как .срлы, действующие на провода с током, зависят от произведения токов, то и силы F, действующие на обмотки транс­ форматоров при коротком замыкании, будут во много раз боль­ ше сил, которые возникают при номинальной нагрузке. Под дей­ ствием очень больших механических сил обмотки трансформатора деформируются настолько, что может быть нарушена изоляция и резко уменьшена их электрическая прочность.

Конструкция обмоток должна быть рассчитана на такую меха­

54

ническую прочность, которая противостояла бы силам, возникаю­ щим в первый момент от мгновенных токов короткого замыкания /,/, превышающих установившиеся токи короткого замыкания /„ примерно в два раза.

Пример. Трансформатор имеет напряжение короткого замыкания нк=5,5% и номинальный ток Уи= 120 а. Определить наибольший возможный мгновенный ток короткого замыкания.

Решение. Считая приложенное напряжение Uy номинальным, полагаем его равным 100%.

Установившийся ток короткого замыкания

/ к= / н -1 - = 120- — =2180 а. ик 5,5

Наибольший мгновенный ток короткого замыкания

/' = 2 /к=4360 а.

§ 21. ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Опыт короткого замыкания производится при значительно по­ ниженном напряжении и является вторым предельным режимом работы трансформатора, который наряду с опытом холостого хода позволяет определить параметры трансформатора при любой на-

•грузке.

При опыте короткого замыкания вторичную обмотку трансфор­ матора замыкают накоротко, а к первичной обмотке подводят та­ кое пониженное напряжение UK, при котором в обмотках транс­ форматора протекают номинальные токи. Это напряжение назы­ вается напряжением короткого замыкания и измеряется в процентах от номинального, т. е.

ы % = 3 .1 0 0 .

иа

Согласно ГОСТ 11677—65 напряжение короткого замыкания ц„% =5,5ч-10,5. При столь малом напряжении магнитный поток незначителен, а следовательно, мал и намагничивающий ток, т. е. / О1!3= 0 . Поэтому можно считать, что намагничивающая сила пер­ вичной обмотки трансформатора идет лишь на компенсацию н. с. вторичной обмотки. Пренебрегая намагничивающим током при опыте короткого замыкания, можно записать равенство: Л = —/ 2', т. е. ток первичной обмотки равен приведенному току вторичной обмотки с обратным знаком.

При опыте короткого замыкания по обмоткам трансформатора протекают номинальные токи и приложенное напряжение к пер­ вичной обмотке, как это видно из эквивалентной схемы (см. рис. 29, а), равног

UK—IazK—Uл+ Uх, Ua —/ нгк, Uх= /нхк,

' где In — номинальный ток первичной обмотки; z„, гк, хк — соответ- ' сгвенно полное, активное и реактивное сопротивления короткого

55

замыкания; Ua и Ux — соответственно активная и реактивная со­ ставляющие напряжения короткого замыкания (UK—У и а2-\-Их2).

При опыте короткого замыкания трансформатора для пониже­ ния напряжения используют индукционный регулятор, трансфор­ матор и т. д. В цепь первичной обмотки включают амперметр А , вольтметр V и ваттметр W (рис. 31). Для большей точности изме­ рения первичной обмоткой является обмотка ВН. Напряжение ко­ роткого замыкания составляет всего несколько процентов от номи­ нального, поэтому для обмотки ВН оно будет иметь большую ве­

вольтметра при номинальном токе трансформатора.

Потери в обмотках Рм определяются показанием ваттметра. При опыте короткого замыкания полезная мощность трансформатора равна нулю, а потери в стали ничтожно малы, так как мал магнит­ ный поток в магнитопроводе. Поэтому мощность Рк, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, расходуется на нагревание проводов обмоток (на потери в меди Рм), т. е. Рк= = Рм = 1и2гк, где /н— номинальный ток первичной обмотки.

Активное сопротивление короткого замыкания

полное сопротивление

t/к.

Iн

индуктивное сопротивление

Если опыт короткого замыкания производят при «холодном» (неработающем) трансформаторе, то параметры, короткого замы­ кания приводят к рабочей температуре 75° С. При изменении тем­ пературы меняется активное сопротивление и потери в обмотках.

56

Приведенные к температуре 75° С активное сопротивление и мощ­ ность потерь в обмотках равны:

температуры, полное сопротивление при температуре 75° С

Напряжение короткого замыкания, его активная и реактивная составляющая в процентах при температуре 75° С равны:

h i

При испытании трехфазного трансформатора во все выражения подставляют фазные значения токов, напряжений и мощности для одной фазы.

Соотношение активных и реактивных сопротивлений и состав­ ляющих напряжения короткого замыкания зависит от номиналь­ ной мощности трансформатора. У трансформаторов малой мощ­ ности (до нескольких киловольтампер) активное сопротивление гк больше реактивного хк и активная составляющая напряжения короткого замыкания «а больше реактивной составляющей их. Для трансформаторов больших мощностей (сотни и тысячи киловольтампер) соотношение обратное, т. е. гк< х к и иа<Сих.

С увеличением номинальной мощности увеличиваются сечения проводов обмоток, так как увеличиваются номинальные трки. По­ этому активное сопротивление, обратно пропорциональное сечению проводов, уменьшается и активная составляющая напряжения ко­ роткого замыкания также уменьшается.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания увеличивается с увеличением мощности трансформатора. Это объ­ ясняется тем, что реактивное сопротивление обмоток трансформа­ тора обусловлено потоками рассеяния, магнитные линии которых

•замыкаются по немагнитной среде и сцеплены с проводами той обмотки, токами которой они создаются. Чем больше номинальная мощность трансформатора, тем больше сечение проводов обмоток и объем, занимаемый обмотками. Поэтому увеличиваются как,по­ токи рассеяния, так и реактивная составляющая напряжения ко­ роткого замыкания.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания зависит также от рабочих напряжений обмоток, увеличиваясь с увеличением напряжения. Так, длй трансформаторов с номиналь­

57

ной мощностью 180 ква при напряжении первичной и вторичной обмоток 35 и 3,15 кв реактивная составляющая напряжения корот­ кого замыкания «*= 3,8%, а при напряжении обмоток 35 и 10,5 кв «*= 6%. У трансформатора с номинальной мощностью 20 000 ква при напряжении обмоток 38,5 и 11 кв «*=7,9%, а при напряжении обмоток 121 и 38,5 кв «*=10,4%.

При увеличении рабочих напряжений обмоток трансформатора увеличиваются изоляционные промежутки, что увеличивает как по­ токи рассеяния, так и реактивные сопротивления обмоток.

§ 22. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧИХ СВОЙСТВ ТРАНСФОРМАТОРА ПО ДАННЫМ ОПЫТОВ ХОЛОСТОГО ХОДА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Свойства трансформатора при работе под нагрузкой могут быть определены непосредственным его испытанием. Если включить трансформатор на какую-либо нагрузку и изменять ее, то по пока­ заниям приборов можно судить, каким образом будет изменяться напряжение на зажимах вторичной обмотки и к. п. д. трансформа­ тора. Однако такое определение рабочих свойств трансформатора имеет недостатки. При испытании трансформатора под нагрузкой расходуется очень много электроэнергии; тем больше, чем больше мощность трансформатора. Для создания активной, индуктивной и емкостной нагрузки необходимо очень громоздкое оборудование (реостаты, индуктивные катушки и конденсаторы). Кроме того, при непосредственном испытании трансформатора получаются не­ точные результаты.

Все рабочие свойства трансформатора можно определить по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. На произ­ водство опытов холостого хода и короткого замыкания тратится сравнительно мало энергии; при этом отпадает надобность в гро­ моздком нагрузочном оборудовании и результаты получаются очень точные.

При опыте холостого хода измеряют напряжение первичной и вторичной обмоток Ui и £/г, ток холостого хода /0 и потребляемую при холостом ходе мощность Я0. По данным опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации k\ потери в стали Яст; полное, активное и реактивное сопротивления трансформатора при холостом ходе. |

По данным опыта короткого замыкания определяют потери в обмотках Яки при номинальном токе, полное zK, активное гк и ре­ активное сопротивления трансформатора при коротком замыка­ нии, а также напряжение короткого замыкания «к, активную «а и реактивную «*■ составляющие напряжения короткого замыкания.

Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора изменяется в зависимости от его нагрузки. Это происходит вслед­ ствие падения напряжения в сопротивлениях обмоток от нагрузоч­ ного тока. Процентное понижение вторичного напряжения при лю­ бой нагрузке

68

По данным опытов холостого хода и короткого замыкания мож­ но определить к. п. д. трансформатора при любой нагрузке:

По данным опыта короткого замыкания находим:

59