3 Опыт короткого замыкания

Короткое замыкание является одним из аварийных режимов при эксплуатации трансформатора. Термическое и ударное действие резко возросших токов в обмотках (10 20)І_н при определённых условиях может вывести трансформатор из строя.

Опыт короткого замыкания проводят при пониженном подводимом напряжении (2 10%)U_н, которое вызывает в обмотках трансформатора неопасные величины токов короткого замыкания.

Целью этого опыта является определение напряжения и потерь короткого замыкания, а также снятие характеристик короткого замыкания трансформатора.

Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называют такое пониженное напряжение при номинальной частоте, которое, будучи подведенным к выводам одной обмотки при накоротко замкнутой другой, создаёт в обеих обмотках номинальные токи.

При опыте короткого замыкания потери мощности в трансформаторе состоят из потерь в меди обмоток. Потери в стали сердечника трансформатора, вследствие пониженного подводимого напряжения, а следовательно, и малой индукции в сердечнике, незначительны и ими можно пренебречь. С достаточной точностью можно принять, что мощность, потребляемая трансформатором при коротком замыкании, наследуется на покрытие потерь в обмотках трансформатора:

Характеристики короткого замыкания представляют собой зависимости подводимого напряжения U_к, потребляемой мощности Р_к и коэффициента мощности cosφ_к от тока в первичной обмотке трансформатора I_1к при накоротко замкнутой вторичной, т.е.

U_к, Р_к, cosφ_к = f(I_1к) при f_н = const и U₂ = 0

Схема для проведения опыта короткого замыкания трансформатора представлена на рис. 5.8.

Для изменения подводимого напряжения при проведении опыта в схеме используют индукционный регулятор. До включения трансформатора на напряжение убеждаются в том. что на выходных зажимах индукционного регулятора можно установить напряжение, близкое к нулю или не больше 1-2% от номинального.

Измерительные приборы в схеме опыта подбирают по номинальному току обмотки, к которой подводят напряжение, и по напряжению короткого замыкания. В том случае, когда номинальный ток амперметров и ваттметрa недостаточен для непосредственного измерения, их включают через трансформаторы тока.

Опыт короткого замыкания производят в такой последовательности. Индукционный регулятор включают на сеть (включают рубильник Р1) и его ротор устанавливают в такое положение, при котором напряжение на выходных зажимах будет минимальным. Это напряжение подводят к первичной обмотке трансформатора (включают рубильник SA2(1). Затем подводимое к трансформатору напряжение изменяют так, чтобы токи в обмотках трансформатора изменялись через примерно равные промежутки в пределах от 20% до 130% от номинальных. Снимают 6-8 точек характеристик. При этом каждый раз измеряют токи в фазах, линейные напряжения первичной обмотки, потребляемую трансформатором мощность и коэффициент мощности cos . Чтобы исключить погрешности при измерениях от нагрева обмоток, опыт производят по возможности быстрее. Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 4. Необходимые вычисления производят по формулам:

Таблица 5.3 – Результаты измерений и расчета в опыте короткого замыкания

№ п/п	Опытные данные								Расчётные данные
	UАВ(В)	UВС(В)	UАС(В)	ІА(А)	ІВ(А)	ІС(А)	Рк(Вт)	cos φк	Uк(В)	Ік(А)	zк(Ом)	rк(Ом)	хк(Ом)
1	9	9	9	1,5	1,5	1,5	20	0,94	9	1,5	3,46	2,96	1,88
2	12,5	12,5	12,5	2,2	2,2	2,2	45	0,94	12,5	2,2	3,28	3,01	1,07
3	14,5	14,5	14,5	2,3	2,3	2,3	56	0,94	14,5	2,3	3,64	3,52	0,97
4	15,5	15,5	15,5	2,5	2,5	2,5	65	0,94	15,5	2,5	3,58	3,46	0,92

На основании данных опыта строят характеристики короткого замыкания, примерный вид которых представлен на рисунок 5.9.

cos φ_k

U_k, P_k

0

I_1Н

I_1К

Рисунок 5.9 Характеристики короткого замыкания трансформатора

Рисунок 5.10 Характеристики короткого замыкания трансформатора (теоретические).

Зависимость U_К = f(І_1к) вследствие слабого насыщения магнитной цепи трансформатора при опыте короткого замыкания имеет вид прямой. При этом cosφ_к=const, а зависимость cоsφ_к=f(I_1к) на графике изображается прямой, параллельной оси абсцисс.

Потери короткого замыкания (потери на нагрев обмоток) пропорциональны квадрату тока І_1к. Следовательно, зависимость Р_к = f(I_к) имеет вид параболы. Напряжение короткого замыкания обычно выражают в процентах от номинального напряжения той обмотки, к которой при проведении опыта подводили напряжение:

Значение напряжения короткого замыкания находится в пределах (3 8)% у трансформаторов малой и средней мощности, и (8 15)% у высоковольтных и мощных трансформаторов от номинального первичного напряжения.

Активную и реактивную составляющие напряжения короткого замыкания определяют по формулам:

или

или

Зная напряжение короткого замыкания и его составляющие, можно определить величины установившегося и ударного токов короткого замыкания, которые могут возникнуть в условиях эксплуатации.

Установившийся ток короткого замыкания определяют по формуле:

Ударный ток короткого замыкания определяют по формуле:

Зная составляющие напряжения короткого замыкания, м ожно определить изменение напряжения трансформатора, т.е. ту арифметическую разность между напряжениями на зажимах вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе и номинальном токе нагрузки, номинальной частоте и номинальном напряжении, подводимом к первичной обмотке.

Согласно ГОСТа 401-41 изменение напряжения вычисляют по формуле:

При :

При :

где и - составляющие напряжения короткого замыкания, выраженные в процентах;

- коэффициент нагрузки трансформатора;

cosφ₂ - коэффициент мощности вторичной цепи.

Когда для определения ΔU% не требуется особой точности, вторым членом суммы пренебрегают и с достаточной степенью точности считают, что

.

Задаваясь значениями α - 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 при определённом значении cosφ₂, по вышеприведенным формулам вычисляют значения ΔU%.

Результаты расчётов сводят в табл. 5

Таблица 5.4 – Результаты расчетов изменения напряжения при .

α	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25
ΔU%	0,965	1,930	2,890	3,866	4,830

Таблица 5.5 – Результаты расчетов изменения напряжения при .

α	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25
ΔU%	0,940	1,870	2,820	3,760	4,700

На основании данных расчётов строят зависимости ΔU% = f(α), примерный вид которых представлен на рис. 5.10.

cos φ₂=1

cos φ₂=0,8

ΔU%

α

0

Рисунок 5.10 - Зависимость изменения напряжения трансформатора от кратности нагрузки

Построим внешнюю характеристику трансформатора U₂ = f(α). Для этого определим ряд значений вторичного напряжения трансформатора при различных коэффициентах нагрузки.

Найдём U₂ при cosφ₂=1:

найдём U₂ при cosφ₂=0,8:

Таблица 5.5 – вторичное напряжение трансформатора при различных коэффициентах нагрузки.

cosφ2=1
α	0.25	0.5	0.75	1.0	1.25
U2	128,15	126,9	125,66	124,36	123,14
cosφ2=0,8
α	0.25	0.5	0.75	1.0	1.25
U2	128,18	126,98	125,75	124,5	123,32

Рисунок 5.12 – Внешняя характеристика трансформатора.

Рисунок 5.10,а - Теоретическая зависимость ΔU% = f(α).

На этом рисунке пунктирной линией изображена зависимость ΔU% = f(α), когда ΔU% вычисляют по формуле с учётом второго члена суммы, а контурной – без учёта его.

Имея зависимость ΔU% = f(α), можно построить внешнюю характеристику трансформатора U₂ = f(α). Для этого определяют ряд значений вторичного напряжения трансформатора при различных коэффициентах нагрузки по формуле:

U₂ = U_2о – ΔU,

где U_2о – напряжение вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе;

ΔU – изменение напряжения.

Необходимость получения внешней характеристики вышеуказанным способом бывает при испытании мощных трансформаторов, опыт непосредственной нагрузки которых практически невозможен.