Эл. машины. Разделы 1, 2, 3

трансформаторов средней и большой мощности составляет несколько процентов). Внешняя характеристика показана на рис. 57; это зависимость

U2=f(I2) при U1=const.

Рис. 57. Внешняя характеристика трансформатора

IX. Коэффициент полезного действия

К.п.д. трансформатора

где Р1=Р2+∑Р – подведенная мощность; Р2=Р1–∑Р – полезная мощность.

Потери ∑Р состоят из потерь в стали (потерь холостого хода) Рс≈Р0, потерь в меди Р1М+Р2М и добавочных потерь РД, причем потери короткого замыкания РК= Р1М+Р2М+РД. Таким образом,

∑Р=Р0+РК.

Потери в стали – это постоянная составляющая потерь, не зависящая от нагрузки; потери короткого замыкания - это переменная составляющая потерь, пропорциональная квадрату тока нагрузки. Если потери при номинальном токе I2н обозначить РКн, то при любом токе

Суммарные потери при любом токе ∑Р=Р0+а2РКн. Номинальная полезная мощность трансформатора (Вт)

Р2н=mU2I2нcosφ2=Pнcosφ2,

где Рн=mU2I2н – номинальная мощность трансформатора (ВА), m – число фаз. Полезная мощность при любом токе нагрузки

Коэффициент полезного действия при любой нагрузке

X. Трехфазные трансформаторы

Трехфазные силовые трансформаторы бывают:

В основном распространение имеют стержневые трансформаторы.

Обмотки первичной и вторичной стороны соединяются (см. рис. 59, б) звездой (Y), треугольником (Δ) или в зигзаг (Z). В обозначении трансформатора в числителе указывают схему соединения первичной, а в знаменателе - вторичной обмотки (при этом индекс «0» указывает на выведение нулевой точки). Соединение обмоток звездой целесообразнее при больших питающих напряжениях и малых токах. При больших токах применяют соединение треугольником. При больших напряжениях питающей сети и больших токах нагрузки наиболее целесообразный способ соединения обмоток

трансформатора – Y/Δ. Отношение U1Ф/U2Ф всегда равно k w1 , а отношение

w2

линейных напряжений зависит от способа соединений обмоток трансформатора.

Рис. 59. Соединения трехфазных трансформаторов

В соответствии с ГОСТ, в трансформаторах применяются соединения:

Y/Y0-12, Y/ -11, Y0/ -11.

Номер группы соединений определяется из построения векторной диаграммы э.д.с. высшей и низшей стороны. При этом векторы э.д.с. обмоток, находящихся на одном стержне, располагают на диаграмме параллельно. Различные схемы соединения обмоток ВН и НН характеризуются смещением относительно друг друга векторов первичного и вторичного линейных напряжений. Угол смещения векторов обозначается цифрой от 1 до 12, каждая порядковая цифра

62

соответствует угловому смещению в 30º. При определении номера группы (рис. 60) минутная стрелка часов устанавливается на цифре 12 и с ней совмещается вектор линейного высшего напряжения, а часовая стрелка совмещается с вектором линейного низшего напряжения. Отсчет угла производится от минутной стрелки к часовой по направлению их вращения.

Рис. 60. К определению номера группы трансформатора

Если обе обмотки (ВН и НН) при соединении Y будут иметь одинаковое направление витков, то и наводимая в них э.д.с. будет иметь одно направление, и векторы первичного и вторичного напряжений совпадут по фазе, как совпадают стрелки часов на цифре 12 – это соединение и соответствует группе

12.

При соединении обмоток по схеме Y/ вектор низшего напряжения окажется сдвинутым относительно вектора высшего напряжения на 330º по часовой стрелке и на часовом циферблате будет указывать на цифру 11 – это группа 11.

XI. Параллельная работа трансформаторов

Для лучшего маневрирования установленной мощностью трансформаторных подстанций и более полной загрузки трансформаторов, особенно при переменном графике нагрузки, трансформаторы могут включаться на параллельную работу; при этом первичные и вторичные обмотки соответственно присоединяются к общим шинам.

Условие нормальной параллельной работы трансформаторов – равенство всех векторов вторичных напряжений и по величине, и по фазе. Практически это сводится к следующим условиям.

1) Равенство первичных и равенство вторичных напряжений, т.е. равенство коэффициентов трансформации:

kI=kII=…

2)Одинаковость групп соединений трансформаторов.

3)Равенство напряжений короткого замыкания трансформаторов:

UKI=UKII=…

При несоблюдении первого условия при х.х. вторичные напряжения, совпадая по направлению, неодинаковы по величине, что вызывает появление

63

стороны трансформаторным путем.

Размеры и вес автотрансформатора определяются мощностью РТ. Чем ближе k к единице, тем меньше РТ и тем меньше магнитопровод. Обычно автотрансформаторы имеют небольшие значения k.

Достоинства: по сравнению с трансформатором одинаковой мощности автотрансформаторы имеют меньшие вес и размеры, более высокий к.п.д.

Недостатки: а) большие токи к.з. в случае понижающего автотрансформатора, так как при замыкании точек a и x напряжение U1 подводится к небольшой части обмотки Aa (рис. 62);

б) электрическая связь высшей стороны с низшей, что требует усиленной изоляции всей обмотки от корпуса и представляет опасность попадания перенапряжения на низкую сторону.

XIII. Измерительные трансформаторы

Различают измерительные трансформаторы напряжения (ИТН) и тока

(ИТТ).

Назначение ИТН – передача информации о напряжении высоковольтной силовой системы с преобразованием высокого напряжения до величины, удобной для подключения низковольтных измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики (рис. 63).

Рис. 63. Подключение ИТН через емкость между первичной и вторичной обмотками ИТН. Наличие этого

тока в цепи приборов снижает точность измерения.

В силу значительной величины сопротивления обмоток напряжения измерительных приборов ИТН работает в режиме, близком к режиму х.х. силового трансформатора. Падения напряжений на первичной Z1I1 и вторичной

Z2I2 обмотках ИТН малы и можно считать U1 E1xx, U2 E2xx, и с учетом известного соотношения

E1xx/E2xx=w1/w2=k,

где k – коэффициент трансформации, получаем

65

U1=kU2,

т.е. первичное и вторичное напряжения связаны постоянным соотношением.

В действительности, в силу неравенства нулю падений напряжений в обмотках ИТН, соотношение между U1 и U2 не остается строго постоянным. Падения напряжения в обмотках вызывают погрешности в измерении напряжения (погрешность напряжения) и в передаче фазы (угловая погрешность).

Погрешность напряжения равна

fu U1изм U1 100% ,

U1

где U1изм и U1 – измеренное и действительное первичные напряжения.

Угловая погрешность определяется как угол u между векторами напряжений U1 и U2 на векторной диаграмме ИТН (аналогична ВД силового трансформатора).

ИТН изготавливаются одно- и трехфазными; сухими с естественным воздушным охлаждением или масляными (для напряжений 6 кВ и выше). Для большинства ИТН величина вторичного напряжения имеет стандартное значение 100 В.

Назначение ИТТ – пропорциональное преобразование первичного тока большой величины к величине, удобной для подключения измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики. Сердечник ИТТ выполняется из особых сортов трансформаторной стали, обладающей специальными

высокую точность трансформации тока из первичной обмотки во вторичную. Со стороны первичной обмотки ИТТ включается последовательно с

контролируемым объектом, вторичная обмотка замыкается непосредственно через токовые цепи измерительных приборов. Учитывая их небольшое сопротивление, ИТТ работает в режимах, близких к режиму к.з. трансформатора.

Начало и конец первичной обмотки ИТТ обозначаются соответственно Л1 и Л2, начало и конец вторичной обмотки – И1 и И2. Число витков первичной обмотки w1 во много раз меньше числа витков вторичной обмотки w2, при измерении больших токов (500 А и более) w1=1 (одновитковый ИТТ).

Напряжение вторичной обмотки ИТТ определяется падением напряжения на малом сопротивлении нагрузки, этому напряжению соответствует малое значение э.д.с. Е2 и малое значение магнитного потока в магнитопроводе ИТТ:

E2=4,44fw2Ф.

66

Для возбуждения такого потока нужна незначительная м.д.с. w1I1xx, поэтому в уравнении

I1w1=I2w2+I1xxw1

этой величиной можно пренебречь и считать I1w1=I2w2, или

I1=(w2/w1)I2=kI2.

Влияние МДС I1xxw1 приводит к возникновению неточности в измерении тока – токовой погрешности, определяемой как

fi I1изм I1 100% ,

I1

и неточности в передаче фазы – угловой погрешности i.

Ток I1 задается режимом работы контролируемой цепи. Учитывая малость сопротивления нагрузки ИТТ, на величину первичного тока повлиять практически нельзя; можно лишь увеличить м.д.с. I1xxw1 вследствие уменьшения тока I2. Следовательно, с увеличением сопротивления вторичной цепи происходит нарушение условия I1xxw1 I2w2, поэтому для ИТТ устанавливается наибольшее значение сопротивления нагрузки, при котором погрешность не превысит допустимую.

Одно из важных условий эксплуатации ИТТ состоит в том, что нельзя допускать размыкания вторичной обмотки работающего ИТТ (т.е. режим холостого хода недопустим). При размыкании вторичной обмотки ток I1 в первичной не изменяется, и весь этот ток становится намагничивающим, т.е. I1w1=I1xxw1, а так как в номинальном режиме I1xxw1 составляет примерно 0,5% I1w1, то такое многократное увеличение м.д.с. вызывает очень большое увеличение магнитного потока (ограничено насыщением магнитопровода), мощности потерь в магнитопроводе, в результате чего магнитопровод сильно нагревается и расширяется. Э.д.с. Е2, пропорциональная потоку, также сильно возрастает (до 1,5 кВ у ИТТ на большие токи), представляя опасность для персонала. Оба названных фактора могут привести к пробою изоляции и к.з. на землю.

ИТТ в соответствии с ГОСТ 7746 изготовляются на номинальные напряжения (линейные) от 0,66 до 750 кВ (0,66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ); номинальные первичные токи – от 1 А до 40 кА (1,

5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 80, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000, 16000,

18000, 20000, 25000, 28000, 30000, 32000, 35000, 40000 А).

Номинальный вторичный ток большинства ИТТ составляет 5 А (в некоторых случаях – 1 А).

Номинальные классы точности ИТТ (наибольшая допустимая погрешность коэффициента трансформации) – 0,2, 0,5, 1, 3, 5, 10.

67