Режим короткого замыкания

В процессе эксплуатации трансформатора в аварийных условиях самопроизвольно возникает режим короткого замыкания (замыкание вторичной обмотки трансформатора накоротко), в результате чего весьма значительные токи могут вывести его из строя.

Опыт короткого замыканиятрансформатора проводится в процессе исследований трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора. При этом напряжение на вторичной обмотке равно нулю (U₂= 0).

a)б)

Рис. 3

При проведении опыта короткого замыкания трансформатора к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение U₁, сниженное (в зависимости от типа и мощности трансформатора) в 1020 раз по сравнению с номинальным значением напряженияU_1НОМ. Величина этого напряженияU₁=U_1к.звыбирается так, чтобы при проведении опыта по первичной обмотке протекал номинальный токI_1НОМ. При этом условии во вторичной накоротко замкнутой обмотке будет также протекать номинальный токI_2НОМ.

Так как при опыте короткого замыкания напряжение, подводимое к первичной обмотке, мало и равно U_1к.з =E₂ = 4,44n₂ fФ_m, то магнитный поток трансформатора, а следовательно, и магнитная индукция будут также малы. Это означает, что магнитные потери мощности в магнитопроводе, которые пропорциональны квадрату магнитной индукцииВ_m², при опыте короткого замыкания ничтожно малы и ими можно пренебречь, т.е.P_М= 0.

Таким образом, можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность P_к.з,потребляемая трансформатором, идет на нагрев обмоток трансформатора, т.е. равна электрическим потерям в проводах обмоток:

Р_к = Р_э + Р_м R₁I ²_1ном + R₂I² _2ном = I ²_1ном(R₁ + R'₂) = I ²_1номR_К.З,

где R_К.З=R₁+R'₂.

Т

Рис. 4

ак как опыт короткого замыкания проводится при номинальном значении тока, то эта мощность равна электрическим потерям мощности при номинальной нагрузкеP_к.з=P_э.

Следовательно, зная напряжение, ток и активную мощность при опыте короткого замыкания (Z_ПР=0), можно определить параметры упрощенной схемы замещения трансформатора (рис. 4) при коротком замыкании:Z_К.З=U_1К.З/I_1НОМ,иХ_К.З=Х₁+Х'₂=.

Характеристики трансформатора

К нагрузочным характеристикам трансформатора относятся зависимости напряжения на вторичной обмотке U₂, коэффициента мощности сos₁и коэффициента полезного действияот тока нагрузкиI₂потребителя электроэнергии при сos ₂= const. Характер этих зависимостей представлен на рис. 5.

Зависимость U₂(I₂), вольт-амперная характеристика вторичной обмотки, являетсявнешней характеристикойтрансформатора. Из уравнения электрического равновесия для вторичной обмотки получим выражение для напряжения

.

Из полученного выражения следует, что изменение тока нагрузки трансформатора приводит к изменению напряжения на зажимах его вторичной обмотки.

Внешняя характеристика трансформатора при различном характере нагрузки различна. Анализ зависимостей на рис. 5, апоказывает, что при индуктивном характере нагрузки трансформатора, напряжение на его вторичной обмотке с ростом тока нагрузки уменьшается (кривая 3). При чисто активной нагрузке внешняя характеристика трансформатора будет более жесткой (кривая 2). При емкостном характере нагрузки с увеличением тока нагрузки происходит возрастание напряжения на зажимах вторичной нагрузки трансформатора (кривая 1).

a)б)

Рис. 5. Нагрузочные характеристики трансформатора

Рабочие характеристики трансформатора приведены на рис. 5, б. Характер изменения коэффициента мощности показывает его возрастание при увеличении тока нагрузки от некоторого значения сos₀, которому равен коэффициент мощности в режиме холостого хода. При отсутствии нагрузки во вторичной цепи трансформатор потребляет активную мощность, равную мощности холостого хода:

Р_х.х = U_1ном I₀ сos₀.

Так как мощность, ток и напряжение в режиме холостого хода не равны нулю, то не может быть равным нулю и сos₀ приI₂= 0.

Несколько другой характер имеет зависимость коэффициента полезного действия от тока нагрузки. Как известно, представляет собой отношение полезной мощности к мощности, потребляемой трансформатором из сети, и рассчитывается на практике по формуле

,

где =I₂/I_2ном— отношение тока нагрузки к номинальному значению тока (коэффициент нагрузки трансформатора). КПД трансформатора зависит от величины нагрузкии ее характера (сos₂ ). При отсутствии нагрузки, когда мощность не потребляется, КПД оказывается равным нулю. Из формулы видно, что при малых значениях нагрузки, когда электрическими потерями мощности вследствие небольшого значения тока нагрузки можно пренебречь и когда потери мощности в магнитопроводеР_м оказываются соизмеримыми с полезной мощностьюР₂, значение КПД трансформатора оказывается небольшим. С увеличением тока нагрузки КПД растет.

Полагая, что =U₂/U_2номучитывает влияние изменения напряжения при изменении нагрузки;S₂=U₂I₂, получаем следующую зависимость:

 = S сos₂ /(S сos₂ +Р_х.х + ²Р_к.з).

Потери мощности в магнитопроводе трансформатора не зависят от нагрузки, в то время как с увеличением нагрузки электрические потери мощности в обмотках растут пропорционально квадрату тока. С учетом этого анализ приведенной формулы показывает, что КПД трансформатора имеет максимальное значение при нагрузке, для которой магнитные потери равны электрическим: Р_х.х=²Р_к.з.Отсюда значение коэффициента нагрузки, соответствующее максимальному КПД,=. При дальнейшем возрастании нагрузки трансформатора потерями в магнитопроводе можно пренебречь вследствие их относительно небольшого значения по сравнению с довольно большими электрическими потерями мощности в обмотках трансформатора. Анализ показывает, что при этих условиях КПД трансформатора с увеличением тока нагрузки сверх номинального, хотя и незначительно, будет снижаться.

КПД современных трансформаторов весьма высок. С увеличением номинальной мощности трансформатора КПД растет, причем, для мощных трансформаторов он достигает значений порядка 98‑99 %. Большинство трансформаторов имеют максимальный КПД при нагрузке 50‑70 % от номинальной, что соответствует наиболее часто встречающейся средней нагрузке при их эксплуатации.