Как проводится и назначение опыта короткого замыкания трансформатора, методика расчета данных

В электротехнике систематически проводятся испытания приборов и оборудования на устойчивость к электрическим и динамическим нагрузкам. Одной из таких проверок является опыт короткого замыкания трансформатора. В процессе проверки ток в первичной обмотке остается со своим первоначальным значением, а вторичной обмотке устраивается искусственное короткое замыкание. Данное мероприятие дает возможность определить номинальный ток во вторичной обмотке, потери мощности проводников, величину падения потенциала внутреннего сопротивления трансформаторного устройства. Опыты холостого хода и короткого замыкания позволяют установить не только электрические, но и магнитные потери.

Назначение опыта короткого замыкания

Испытание на обрыв при отсутствии нагрузки выполняется для определения потерь в сердечнике без нагрузки по току.

Суть испытания заключается в том, что обмотка высокого напряжения остаётся разомкнутой в то время, как выходная обмотка подключается к обычной сети потребителя. Туда же подсоединяются и необходимые измерительные приборы – ваттметр, амперметр и вольтметр. В результате такого соединения, внешнее напряжение, которое прикладывается к устройству, медленно увеличивается от нуля до своего номинального значения.

С этой целью в цепь подключается дополнительный автотрансформатор со скользящими контактами.

Показания всех приборов фиксируются в момент, когда напряжение тестирования достигает необходимого значения в выходной цепи. Физическая сущность результатов замеров такова:

1. Амперметр показывает значение тока холостого хода, значение которого очень мало, и, следовательно, падением напряжения можно пренебречь.
2. Входная мощность указывается ваттметром. Но другая сторона трансформатора разомкнута, следовательно, выходная мощность отсутствует, а показатель на ваттметре складывается только из значений потерь мощности, обусловленных степенью насыщения материала сердечника, и потерь в проводах.
3. Вольтметр с высоким сопротивлением подключается через внешнюю обмотку устройства. Высоковольтная обмотка рассматривается как разомкнутая цепь, поскольку ток через вольтметр пренебрежимо мал.
4. Результаты тестирования отличаются высокой точностью вследствие малости значений тока холостого хода и отсутствия потерь в элементах электрической цепи. Поэтому показания ваттметра гарантированно определят суммарные потери в сердечнике.

Виды КЗ у трансформаторов

При возникновении короткого замыкания, трансформатор вплотную подходит к предельному рабочему режиму. В этом случае на первичную обмотку поступает какое-то напряжение, а вторичная оказывается замкнутой.

Короткое замыкание трансформатора может быть аварийным или испытательным. В первом случае опасная ситуация возникает в режиме эксплуатации устройства, при подключении его к номинальному первичному напряжению. В обмотках появляется ток короткого замыкания, многократно превышающий номинал, и прибор выходит из строя. Как правило, основные детали сгорают, и вся схема просто разваливается на части.

Избежать подобных негативных последствий возможно с помощью защитной аппаратуры – автоматов, предохранителей, реле и т.д. Она производит отключение в максимально короткие сроки со стороны первичной обмотки и тем самым сохраняет устройство от разрушения.

В испытательном режиме, известном в качестве опыта короткого замыкания, подобная ситуация создается искусственным путем. С этой целью на первичную обмотку подается пониженное напряжение. При этом, токи в каждой обмотке не выходят за пределы номинала. Данный опыт позволяет точно установить наиболее важные параметры и характеристики трансформаторного устройства. Каждое из коротких замыканий следует рассмотреть более подробно, с точки зрения его физического воздействия на трансформатор.

Как проводится

Для высоковольтной обмотки задаётся паспортное значение холостого хода. Оно устанавливается по рекомендуемым величинам угла сдвига фаз (sinΦ0 и cosΦ0; индекс указывает на то, что мощность трансформатора определяется в режиме холостого хода).

Далее согласно показаниям вольтметра выполняется измерение параметров шунтирующих эквивалентных цепей. Они относятся к низковольтной обмотке, поэтому тестирование разомкнутой цепи устанавливает и потери в сердечнике, и параметры шунта эквивалентной цепи.

Правильная схема испытания предполагает, что при низком напряжения трансформатор находится в режиме КЗ. Ваттметр, вольтметр и амперметр подключены с высоковольтной стороны. Сигнал подается в силовую схему и увеличивается от нуля до тех пор, пока показания амперметра не будут равны номинальному току. В этот момент снимаются показания всех приборов, причём на амперметре будет показано значение первичного эквивалента тока полной нагрузки, а на ваттметре – потери мощности в проводниках и сердечнике.

Что делать, если измеренный ток КЗ слишком низкий?

Допустим, мы измерили прибором и получили значение тока КЗ в розетке (как правило, измерение проводят в самой удалённой точке). Как понять, что этот ток – слишком низкий? Это оценивается по критерию гарантированного срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя в измеренной цепи. Логично, что для этого ток КЗ должен быть больше, чем верхний предел диапазона расцепления. Напоминаю, для характеристики “В” разброс 3…5 In, для “С” – 5…10 In, для “D” – 10…20 In. Чтобы сказать точнее, обратимся в ПУЭ (п.7.3.139):

7.3.139. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью в целях обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или нулевой защитный проводник возникал ток КЗ, превышающий не менее чем в 4 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и не менее чем в 6 раз ток расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратнозависимую от тока характеристику.

При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (без выдержки времени), следует руководствоваться требованиями, касающимися кратности тока КЗ и приведенными в 1.7.79.

Как я понял, в первой части 7.3.139 говорится только о тепловом расцепителе – его номинальный ток должен быть по крайней мере в 6 раз меньше тока КЗ. Во второй части этого пункта, а также в п.1.7.79 говорится о максимальном времени отключения при КЗ (0,4 с), которое должно быть обеспечено только электромагнитным расцепителем. При этом четко не указано о выборе АВ с учетом его характеристики отключения.

Из-за этой расплывчатости формулировки пользуются правилом, изложенным в ПТЭЭП (проверка срабатывания защиты при системе питания с заземленной нейтралью, п.28.4), где говорится о том, что при замыкании на нулевой защитный проводник ток КЗ должен быть не менее “1,1 верхнего значения тока срабатывания мгновенно действующего расцепителя”.

То есть, для автомата В10 ток КЗ в конце линии, которую он защищает, должен быть не менее 10х5х1,1 = 55 А. Если же установлен автомат С25, ток КЗ должен быть не менее 25х10х1,1 = 275 А.

Если же ток КЗ меньше, допустимое время срабатывания отнюдь не гарантируется. Что же делать? Тут два выхода:

1. увеличивать ток КЗ, для этого нужны затраты на прокладку новой питающей линии (по крайней мере, её самого слабого звена),
2. уменьшать номинал автомата (например, 25 А на 16) и букву характеристики отключения (с “С” на “В”) в ущерб максимальной мощности нагрузки.

Читайте подробнее, почему для групповых автоматов всегда предпочтительнее ставить не “С”, а “В”.

Методика расчёта напряжения, потерь и сопротивления КЗ

Расчёты ведутся в следующей последовательности:

1. Определяются оба компонента тока холостого хода:

Iμ = I0sinΦ0 и Iw = I0cosΦ0.

1. Устанавливаются значения реактивного X0 и активного R0 сопротивлений в эквивалентных цепях, которые относятся к низковольтной обмотке:

X0 = V1 / Iμ и R0 = V1 / Iw.

Здесь V1 – показания вольтметра на обмотке низкого напряжения.

1. Рассчитывается итоговое значение мощности:

W1 = 2IμR0 и W2 = 2IwХ0

W = (W21 + W22)0,5

Менее точно мощность W может устанавливаться непосредственно по показаниям ваттметра.

Объясняется это тем, что напряжение, приложенное для появления тока полной нагрузки, хоть и мало по сравнению с номинальным, но всё же присутствует на обмотках.

1. Определяется значение эквивалентного сопротивления Zeq трансформатора:

Zeq2 = R02 + X02.

Полученные данные соответствуют тем, которые относятся к стороне высокого напряжения трансформатора. Таким образом, в результате испытания на КЗ определяются потери в проводниках а, а также его приблизительные эквивалентное и реактивное сопротивление.

В результате анализа полученной информации можно определить зависимость потерь от тока холостого хода и напряжения на вторичной обмотке.

Важно также, что общие потери трансформатора зависят от его реактивного сопротивления, и не зависят от значений фазового угла между напряжением и током.

Физические процессы при аварийном замыкании

С технической точки зрения любой трансформатор должен обязательно разрушиться в результате замыкания и действия высоких токов. Основной причиной выступает незначительное сопротивление проводов и обмоток, которое многократно превышается сопротивлением подключенной нагрузки.

Следует учитывать и резкое повышение температуры в обмотках, достигающей 500-600 градусов в течение 1-2 секунд. Этого вполне достаточно, чтобы они полностью сгорели. Нельзя забывать о механических усилиях, возникающих между обмотками во время работы, и стремящихся сдвинуть их в осевом и радиальном направлениях. Эти усилия существенно увеличиваются при возрастании силы тока, что теоретически должно привести к мгновенному разрушению трансформатора. Тем не менее, на практике все происходит по-другому.

Трансформаторные устройства оказываются способными выдержать токи коротких замыканий в течение малого временного промежутка, пока не сработает защита и они не будут отключены от сети. Было выявлено какое-то дополнительное сопротивление, ограничивающее высокие токи в обмотках. Оно образуется благодаря магнитным потокам рассеяния, отходящим от основного потока и замыкающимся вокруг витков соответствующей обмотки.

Величина и разница этого рассеяния практически не поддается точному измерению, в основном, из-за различных путей, используемых для замыкания магнитных потоков. В связи с этим, его оценка производится по влиянию, оказываемому на ток и напряжение в обмотках. Была выявлена закономерность, в соответствии с которой при возрастании тока в обмотках, увеличиваются и магнитные потоки. В нормальном рабочем режиме они составляют незначительную часть основного потока, поскольку лишь частично связаны с витками. Основной же поток оказывает влияние на все без исключения витки обмоток.

Таким образом, действие дополнительного сопротивления позволяет свести до минимума потери КЗ трансформатора. Все негативные параметры снижаются во много раз и не наносят вреда. То есть, прибор сам способен защититься от высоких токов, возникающих при замыканиях. Подобные ситуации возникают достаточно редко, но все равно к ним нужно готовиться заранее, своевременно осуществляя необходимые защитные мероприятия.

Примеры расчётов

Многообразие ситуаций, при которых целесообразно проводить тест короткого замыкания, рассматривается на страницах журнала Voltland.

Исходными данными для расчётов являются:

• Падение напряжения UI, отнесённое к конкретному типу устройства. Обычно его значения находятся в диапазоне от 4,5% (для устройств с реактивной мощностью 300 … 500 кВА) до 5,7% – для более мощных типов изделий;
• Количество полюсов синхронных двигателей, питание на которые подаётся через трансформатор (от 6 до 14);
• Предельного коэффициента потерь мощности (устанавливается производителем, и приводится в инструкции).

Полагаем, что подвод потенциала подводится пошагово, до тех пор, пока на подключенном амперметре не будет достигнуто значение тока полной вторичной нагрузки.

Приведём результаты применительно к трёхфазному трансформатору, рассчитанному на напряжение U = 480 В, с реактивной мощностью 100 КВА и реактивным напряжением 13800 В.

Полный ток короткого замыкания во вторичной цепи:

I = 1000 / 1,732 × U = 1,202 (А).

При показании вольтметра U1 =793,5 В процент потерь значений полного сопротивления будет

Δ Z = 793,5 / 13800 = 0,0575.

Следовательно, процент потерь составляет 5,75%. Это показывает, что в случае неисправности трёхфазного соединения на вторичной обмотке появится максимальный ток короткого замыкания, величина которого:

Iкз = 1,732× I = 2,0903 (A)

Максимальный ток повреждения Imax на вторичных клеммах:

Imax = Iкз/Δ Z = 2,0903/0,0575 = 36,5437 (А)

По вычисленному значению Imax выбираются характеристики средств защиты агрегата от перегрузки, в частности, главного выключателя, который должен быть установлен в цепи вторичной обмотки.

§ 6. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ В ТРАНСФОРМАТОРАХ

Общие сведения.

На проводники обмоток с током в поле рассеяния действуют электродинамические силы, которые создают механические напряжения в обмотках и частично передаются на элементы конструкции трансформатора. При нормальной работе эти силы невелики, однако в экстремальных условиях, например при коротком замыкании, они вырастают в сотни раз и могут легко разрушить трансформатор, если не приняты специальные меры к его защите. Многие сборочные работы непосредственно влияют на электродинамические усилия. Иногда качество выполнения сборочных операций не удается проверить ни внешним осмотром, ни контролем испытательной станции. Например, слабая запрессовка внутренней обмотки может обнаружиться только в эксплуатации, после нескольких коротких замыканий, одно из которых окажется разрушительным для трансформатора. Поэтому сборщик должен знать причины возникновения, характер воздействия и способы уменьшения электродинамических усилий.

Электродинамические усилия при равномерном распределении мдс.

На рис. 5, а показаны обмотки и направления действия внутренних Foc1 и Fос2 и внешних сил Fос1 и Fp2 при равномерном распределении мдс. Осевые силы (определяются радиальной составляющей поля рассеяния) стремятся уменьшить высоту обмоток, радиальные (определяются осевой составляющей поля) — сжать внутреннюю и разорвать наружную обмотки (рис. 5, б). Из диаграммы распределения индукции поля рассеяния (см. рис. 3, а) видно, что наибольшие осевые силы, изгибающие провода обмотки в вертикальном направлении, возникают в торцовых катушках, где наибольшая индукция радиального поля, причем осевые усилия не только изгибают провода и катушки, но и сжимают прокладки между ними. При этом максимальные сжимающие усилия испытывают прокладки в середине обмотки, поскольку на них передается сумма всех осевых сил, действующих на все катушки обмотки. Радиальные силы распределяются равномерно по окружности каждой катушки (рис. 5, в). Наибольшие усилия обнаруживаются в катушках средней части обмоток, где индукция осевого поля наибольшая. В торцовых катушках действуют несколько меньшие силы, поскольку индукция осевого поля на торцах обмоток составляет 0,7—0,8 наибольшей, однако суммарные воздействия на провода торцовых катушек осевой и радиальных сил оказываются значительными. Силы, воздействующие на внутреннюю обмотку, сжимают ее, стремясь «сократить» длину проводов обмотки (рис. 5, в). Если результирующее напряжение в обмотке окажется больше предела текучести материала провода, то появляются остаточные деформации и обмотка разрушается, приобретая типичную звездообразную форму (рис. 6, а). Иногда остаточные деформации могут иметь другую форму: в одном пролете происходит прогиб обмотки внутрь, а в соседнем — наружу; такую деформацию называют потерей устойчивости (рис. 6, б). Радиальные усилия, воздействующие на наружную обмотку, стремятся растянуть ее провода. Особенно опасны они для винтовых обмоток, так как могут «раскрутить» их и «оторвать» концы, поэтому эти обмотки редко располагают снаружи и обязательно принимают специальные меры против возможного «раскручивания» витков. Электродинамические усилия при неравномерном распределении мдс. Разная высота обмоток (см. рис. 3, в и 5, б), встречающаяся в практике сборочных работ, приводит к неравномерному распределению мдс и резкому увеличению максимума («пика») радиальной составляющей поля рассеяния, при этом возникают внешние силы, которые имеют не только радиальные, но и осевые составляющие, дополняющие собственные осевые силы. Внешние осевые силы всегда направлены так, чтобы увеличить создавшую их несимметрию. Внешние осевые силы являются частыми причинами аварий, поэтому при сборке трансформаторов необходимо, строго следить за правильным расположением обмоток на стержне, не допуская несовпадения осей и высот обмоток.