Лабораторная работа №7 Исследование несимметричной нагрузки трехфазного трансформатора
Цель работы: исследование влияния несимметричной нагрузки на симметрию напряжений при различных схемах соединения обмоток трансформатора и освоение методики опытного определения сопротивлений нулевой последовательности.
Содержание работы:
1. Ознакомиться с паспортными данными трансформатора.
2. Для схемы соединения трансформатора «звезда – звезда» (Y/Y) при однофазной и двухфазной нагрузке снять зависимости линейных и фазных напряжений вторичной обмотки, фазных напряжений и токов первичной обмотки, напряжение смещения нейтрали первичной обмотки трансформатора от тока нагрузки.
3. Для схемы соединения трансформатора «треугольник – звезда» (Δ/Y) при однофазной и двухфазной нагрузке снять зависимости линейных и фазных напряжений вторичной обмотки, линейные и фазные токи первичной обмотки трансформатора от тока нагрузки.
4. Определить сопротивление нулевой последовательности для схем Y/YN и Δ/YN.
5. По данным опытов п.п. 2 и 3 построить зависимости фазных напряжений вторичной обмотки от тока нагрузки и сравнить их между собой.
6. Для заданных точек из опытов п.п. 2 и 3 построить векторные диаграммы линейных и фазных напряжений вторичной обмотки и определить смещение нулевой точки в вольтах. По известным сопротивлениям нулевой последовательности и току нагрузки рассчитать смещение потенциала нулевой точки и сопоставить его с найденным графически из векторных диаграмм.
7. Рассчитать линейные токи первичной обмотки для п.п. 2 и 3 и сравнить их с опытными данными.
8. Дать оценку полученных результатов.
Выполнение работы
В эксплуатации трёхфазные трансформаторы могут быть нагружены несимметричной нагрузкой, при которой по отдельным фазам протекают разные токи. Это приводит к несимметрии напряжений являющейся нежелательной как для трансформатора, так и для потребителей электрической энергии. Так, например, асинхронные двигатели, присоединённые к сети с несимметричным напряжением, могут перегреваться из-за увеличенных потерь в них, что снижает срок их службы. Питание осветительной сети от трёхфазного трансформатора с несимметричным напряжением может привести к быстрому перегоранию ламп накаливания, если напряжение выше номинального, или недоиспользованию их световой энергии, если они включены на пониженное напряжение.
Кроме того, несимметричная нагрузка может неблагоприятно отражаться и на работе самого трансформатора: одни фазы его будут перегружены током, другие – недогружены, в нём могут возникнуть добавочные потери от токов нулевой последовательности (если они имеют место). Это приводит к увеличенному нагреву отдельных частей трансформатора и снижению его КПД.
Наиболее вероятная причина несимметричных явлений в трансформаторах – несимметричная нагрузка главным образом из–за неравномерности распределения по фазам однофазных потребителей – осветительных установок, однофазных асинхронных двигателей, однофазных сварочных аппаратов, выпрямительных установок однофазного тока и т. д. Кроме того, несимметричные режимы возможны при к. з. на линиях и обрывах проводов.
В настоящей работе проводятся исследования несимметрично нагруженного трансформатора при крайних случаях несимметрии нагрузки: однофазной и двухфазной.
Для исследования электрических несимметричных цепей применяется метод симметричных составляющих, согласно которому ток каждой фазы можно представить как сумму токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.
Сопротивление для токов прямой и обратной последовательностей в трансформаторах одинаковы и равны сопротивлению короткого замыкания ZК. Поэтому токи прямой и обратной последовательности можно рассматривать совместно:
İ
а1
+ İa2
= İa'
İb1 + İb2= İb' (1)
İc1 + İc2= İc'
Фазные токи, учитывая равенство (1), можно записывать в следующем виде:
İ а = İа' + İа0
İb = İb' + İb0 (2)
İc = İc' + İc0,
где İa0 = İb0 = İc0 = İ0 − ток нулевой последовательности.
При несимметричной нагрузке ток нулевой последовательности появляется только в случаях, когда вторичная цепь трансформатора соединена с нагрузкой нулевым проводом. Токи нулевой последовательности создают потоки, имеющие во всех стержнях сердечника трансформатора в любой момент времени одинаковые направления и величину. Величина потока нулевой последовательности зависит от магнитного сопротивления пути, по которому он проходит, в связи с чем и величина сопротивления нулевой последовательности Z0 зависит от конструкции сердечника трансформатора. Наибольшее значение сопротивление нулевой последовательности имеет в трёхфазном групповом трансформаторе, а также в пятистержневом и броневом трансформаторах, где потоки нулевой последовательности замыкаются независимо друг от друга по стальным сердечникам, т. е. по путям с малым магнитным сопротивлением. В этом случае значение Z0 может приближаться к величине сопротивления холостого хода.
В трансформаторе с магнитосвязанной системой (трех стержневая конструкция) потоки нулевой последовательности трех фаз не могут замкнуться по стальному сердечнику, и вынуждены проходить по воздуху, т. е. по путям с большим магнитным сопротивлением, используя на своём пути стенки бака (в масляных трансформаторах) и металлические конструкции. В этом случае сопротивление Z0 может значительно меньше сопротивления холостого хода. На сопротивление Z0 в трансформаторах с магнитосвязанной системой большое влияние оказывает масляный бак.
В системах
без нулевого провода (двухфазная
нагрузка) в фазах вторичной обмотки
будут протекать токи только прямой и
обратной последовательностей, которые
магнитно уравновешены токами первичной
цепи в каждой фазе. В этом случае каждую
фазу трехфазного трансформатора можно
рассматривать как однофазный трансформатор.
Если первичная
обмотка соединена в звезду (рис.7.1), то
в ней ток нулевой последовательности
протекать не может. Поэтому в первичную
обмотку в этом случае будут трансформироваться
токи только прямой и обратной
последовательностей.
При соединении первичной обмотки в треугольник (рис.7.2) в ней будут трансформироваться токи как прямой, обратной, так и нулевой последовательностей. В этом случае каждую фазу трёхфазного трансформатора можно рассматривать как однофазный трансформатор.
До выполнения экспериментальной части работы необходимо ознакомиться с паспортными данными трансформатора и произвести расчёт номинальных токов первичной и вторичной обмоток трансформатора и привести их отчете.
При проведении опытов перед включением в сеть первичной обмотки трансформатора (автомат QF1) необходимо установить максимальным сопротивление нагрузки R1. После включения в сеть первичной обмотки уменьшают сопротивление нагрузки и устанавливают заданный ток во вторичной обмотке трансформатора.
Для экспериментального исследования соединения обмоток Y/YN и однофазной нагрузки собирается схема рис.7.1а; для соединения обмоток Y/Y и двухфазной нагрузки схема рис. 7.1б. Опыты проводятся для трёх значений тока нагрузки: 0; 0,5IH; IH. Данные измерений заносятся в таблицу 7.1. Измерение токов и напряжений первичной обмотки трансформатора производится измерительным комплектом К505. Измерение напряжений вторичной обмотки производится вольтметром V1.
Опытные данные распределения токов первичной обмотки могут быть проверены путём их сопоставления с расчётными, полученными по приводи-
мым ниже соотношениям (для абсолютных значений), в которых ток холостого хода принят равным нулю.