для чего проводится опыт короткого замыкания трансформатора
Напряжение короткого замыкания
Как и для чего проводится опыт короткого замыкания трансформатора?
Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (ZH = 0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.
В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора, при котором накоротко замыкают зажимы вторичной обмотки, а к первичной подводят такое напряжение Uк, при котором ток в первичной обмотке не превышает номинального значения (Iк
находят из показаний ваттметра и амперметра. Зная Zк и RК, можно вычислить индуктивное сопротивление обмоток:
Зная Zк, Rк и Хк трансформатора, можно построить основной треугольник напряжений короткого замыкания (треугольник ОАВ на рис. 2), а также определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания:
5. Как и для чего проводится опыт холостого хода трансформатора.
Для чего проводится опыт холостого хода: Опыты холостого хода и короткого замыкания проводятся для определения коэффициента трансформации, потерь в трансформаторе и параметров схемы замещения. Холостой ход трансформатора – это один из предельных режимов работы трансформатора.
Опыт холостого хода.Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором первичная обмотка включена на номинальное напряжение 
, а вторичная обмотка разомкнута (рис. 10.1)
 |
| Рис. 10.1. Схема опыта холостого хода |
Режим холостого хода позволяет опытным путем установить следующие характерные для трансформатора величины: а) коэффициент трансформации; б) ток холостого хода; в) потери мощности в стали.
Коэффициент трансформации трансформатора
,
где 
и 
– число витков обмоток.
Мощность 
определяет затраты энергии в пределах трансформатора. Она приблизительно равна потерям в стали, поскольку потери в стали независимы от нагрузки трансформатора, так как при работе трансформатора магнитный поток почти не меняется. Поэтому 
при любой нагрузке.
При холостом ходе 
. Коэффициент мощности нагруженного трансформатора в основном зависит от коэффициента мощности нагрузки. При холостом ходе 
обычно не превышает 0,2…0,3.
ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания.
Коротким замыканием трансформатора называется его режим, когда вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко. В эксплуатационных условиях короткое замыкание является аварийным режимом, при котором внутри трансформатора выделяется большое количество теплоты, способное его разрушить.
Опыт короткого замыкания выполняется при сильно пониженном до небольшого значения первичном напряжении (примерно 5-10% номинального первичного напряжения). Его значение выбирают так, чтобы ток I1 в первичной обмотке был равен номинальному значению, несмотря на короткое замыкание вторичной обмотки. При помощи комплекта измерительных приборов (рис. 103) посредством опыта определяются напряжение U1к, ток I1k и мощность P1k.
Ток I2 при номинальном значении I1также будет иметь номинальное значение. Эдс Е2 при этом опыте будет лишь покрывать внутреннее падение напряжения, т. е. E2K = I2z2, а при номинальной нагрузке
2 = 
2 
+ 
2
поэтому Е2k составляет лишь несколько процентов от Е2. Малой эдс Е2 соответствует малый основной магнитный поток. Потери энергии в магнитопроводе пропорциональны квадрату магнитного потока, поэтому при опыте короткого замыкания они незначительны. Но в обеих обмотках при этом опыте токи имеют номинальные значения, поэтому потери энергии в обмотках такие же, как и при номинальной нагрузке. Следовательно, мощность Р1к, получаемая трансформатором из сети при опыте короткого замыкания, затрачивается на потери энергии в проводах обмоток:
 103. Схема включения приборов при опыте короткого замыкания |
Вместе с тем на основании напряжения короткого замыкания определяется (в % к первичному напряжению) падение напряжения в трансформаторе при номинальной нагрузке. По этим соображениям напряжение короткого замыкания (при короткозамкнутой обмотке низшего напряжения) всегда указывается на щитке трансформатора.
Трехфазный трансформатор.
Для передачи энергии не применяют однофазный переменный ток. Для этих целей получил широкое распространение трехфазный ток. Поэтому большинство трансформаторов являются трехфазными.
Можно трансформировать трехфазный ток, пользуясь тремя однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмотки которых соединены в трехфазную систему — в звезду или треугольник. Именно так и работают мощные однофазные трансформаторы, устанавливаемые на крупных электростанциях. Они подключены к соответствующим фазам генераторов своими первичными обмотками; вторичные их обмотки, соединенные в звезду, подключены к соответствующим фазам дальней линии передачи.
Можно иметь трехфазный трансформатор и в одной единице. Магнитопровод такого трансформатора состоит из трех стержней, замыкаемых сверху и снизу ярмами (рисунок 1). На каждый из стержней насаживают по одной первичной и вторичной обмотке. Первичные обмотки соединяют в звезду или треугольник, так же соединяют и вторичные обмотки. Стержень с обмотками представляет собой однофазный трансформатор. Поэтому все, что было сказано рапсе об однофазном трансформаторе, целиком относится и к отдельной фазе трехфазного.
В каждом стержне трехфазного трансформатора возникает магнитный поток, созданный током первичной обмотки. Но каждая первичная обмотка принадлежит одной из фаз трехфазной системы. Поэтому протекающие по обмоткам токи, так же как и приложенные напряжения, являются трехфазными, следовательно, магнитные потоки тоже трехфазные.
До сих пор мы считали, что магнитный поток обязательно замыкается, т. е. пройдя по стержню, проходит обратный путь к началу того же стержня. Однако в трехфазном трансформаторе такого обратного пути нет и в нем (при одинаковой нагрузке фаз) нет необходимости, как нет нужды и в нейтральном соединении в звезду.
Каждый из потоков циркулирует только по своему стержню, а все вместе они сходятся в серединах верхнего и нижнего ярм — точках D и Е. В этих точках потоки складываются, но так как они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, то складываются геометрически. Как известно, геометрическая сумма таких величин равна нулю. Значит, каждый из магнитных потоков проходит только по своему стержню, не имеет обратного пути, а сумма всех трех потоков равна нулю. Потоки крайних фаз А и С проходят не только по стержню, но и по половине верхнего и нижнего ярм. Поток средней фазы В проходит только по своему стержню. Поэтому и токи холостого хода крайних фаз всегда больше, чем ток холостого хода средней фазы.
Измерительные трансформаторы и автотрансформаторы.
Наряду с преимуществами автотрансформаторов перед трансформаторами они имеют существенные недостатки: малое сопротивление короткого замыкания, что обусловливает большую кратность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями. Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применять автотрансформатор в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устройствах). Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем сильнее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах трансформации (n = 1 
2). В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформаторы, обмотки которых обычно соединяются звездой.
Измерительные трансформаторы Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Их применяют в цепях переменного тока для расширения пределов измерения измерительных приборов и для изоляции этих приборов от токопроводящих частей, находящихся под высоким напряжением. Трансформаторы напряжения конструктивно представляют собой обычные трансформаторы малой мощности. Первичная обмотка такого трансформатора включается в два линейных провода сети, напряжение которой измеряется или контролируется; во вторичную обмотку включают вольтметр или параллельную обмотку ваттметра, счетчика или другого измерительного прибора. 
Коэффициент трансформации трансформатора напряжения выбирают таким, чтобы при номинальном первичном напряжении напряжение вторичной обмотки было 100 В. Режим работы трансформатора напряжения подобен режиму холостого хода обычного трансформатора, так как сопротивление вольтметра или параллельной обмотки ваттметра, счетчика и т. п. велико и током во вторичной обмотке можно пренебречь. Включение во вторичную обмотку большого числа измерительных приборов нежелательно. Если параллельно вольтметру, включенному но вторичную обмотку трансформатора, подсоединить еще один вольтметр или параллельную обмотку ваттметра, счетчика и т. п., то ток во вторичной обмотке трансформатора увеличится, что вызовет падение напряжения на зажимах вторичной обмотки, и точность показания приборов понизится. Трансформаторы тока служат для преобразования переменного тока большой величины в ток малой величины и изготовляются таким образом, чтобы при номинальном токе первичной цепи во вторичной обмотке ток был 5 А.
Первичная обмотка трансформатора тока включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), ток в котором измеряется; вторичная обмотка замкнута на амперметр или на последовательную обмотку ваттметра, счетчика и т. п., т. е. соединена с измерительным прибором, имеющим малое сопротивление. Режим работы трансформатора тока существенно отличен от режима работы обычного трансформатора. В обычном трансформаторе при изменении нагрузки магнитный поток в сердечнике остается практически неизменным, если постоянно приложенное напряжение. Если в обычном трансформаторе уменьшить нагрузку, т. е. силу тока во вторичной обмотке, то и в первичной обмотке сила тока понизится, и если вторичную обмотку разомкнуть, то сила тока в первичной обмотке уменьшится до тока холостого хода I0. При работе трансформатора тока его вторичная обмотка замкнута на измерительный прибор с малым сопротивлением и режим работы трансформатора близок к короткому замыканию.
При работе измерительных трансформаторов напряжения и тока возможен пробой изоляции их первичных обмоток и, как следствие пробоя, электрическое соединение первичной обмотки с сердечником или со вторичной обмоткой. Для безопасности обслуживания сердечники и вторичные обмотки измерительных трансформаторов заземляются. Условные обозначения измерительных трансформаторов показаны на рисунке.
Асинхронные машины.
Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.
В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.
Достоинства:
1. Лёгкость в изготовлении.
2. Отсутствие механического контакта со статической частью машины.
Недостатки:
1. Небольшой пусковой момент.
2. Значительный пусковой ток.
Машины постоянного тока.
Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного токаобратима.
Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.
| Машина постоянного тока | |||
 |  |  |  |
Различают следующие виды машин постоянного тока:
По наличию коммутации:
· с коммутацией (обычные);
· без коммутации (униполярный генератор и униполярный электродвигатель);
· по типу переключателей тока:
· с коллекторными переключателями тока (с щёточно-коллекторным переключателем);
· с бесколлекторными переключателями тока (с электронным переключателем (вентильный электродвигатель)).
По мощности:
· микромашины — до 500Вт;
· малой мощности — 0,5-10 кВт;
· средней мощности — 10-200 кВт;
· большой мощности — более 200 кВт.
в зависимости от частоты вращения:
· тихоходные — до 300 об./мин.;
· средней быстроходности — 300—1500 об./мин.;
· быстроходные — 1500-6000 об./мин.;
· сверхбыстроходные — более 6000 об./мин.
по расположению вала:
Принцип действия
Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило предназначены, заводом изготовителем, для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.
Электродвигатель
Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле, это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор «печки» и др.
В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).
Генератор
В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью.
Автомобильный генератор представляет собой генератор переменного трёхфазного тока с трёхфазным выпрямителем на шести диодах по схеме академика Ларионова.
Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 11.1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока
Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5. Рис. 11.1
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.
Содержание материала
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
а) Определения
Опыт короткого замыкания (КЗ) служит для проверки потерь и напряжения КЗ.
Опытом КЗ называют испытание, при котором одну из обмоток трансформатора, обычно низшего напряжения, замыкают накоротко, а другую питают от источника переменного (периодического) тока при номинальной частоте (допустимое отклонение частоты от номинальной не более 1%) и пониженном (против номинального) напряжении при разомкнутых остальных обмотках и при токах в паре обмоток, не превышающих существенно их номинальные значения [Л. 2-1].
Напряжение, которое нужно подвести при опыте КЗ к одной из обмоток пары, чтобы в этой обмотке установился ток, соответствующий меньшей из номинальных мощностей обмоток пары, называют напряжением КЗ и выражают в процентах номинального напряжения питаеМОй обмотки 
Потери, измеренные в указанных условиях и приведенные к расчетной температуре, называют потерями КЗ. Для двухобмоточного трансформатора понятие «потери и напряжение КЗ пары обмоток» совпадает с понятием «потери и напряжение КЗ трансформатора». Исключением является трансформатор с обмоткой ПН, состоящей из двух или большего числа гальванически не связанных частей, который согласно [Л. 2-1] можно рассматривать как многообмоточный трансформатор. Для трехобмоточного трансформатора проводят опыт КЗ для. трех пар обмоток: ВН и СП; ВН и НН; СН и НН, а для трансформатора о расщепленной на две части обмоткой НН (НН1 и НН2) проводят опыт для следующих пар обмоток: ВН и HH1; ВН и НН2; HH1 и НН2.
За расчетную условную температуру, к которой должны быть приведены потери и напряжения КЗ, принимают для всех масляных и сухих трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости А, Е, В 75°С [Л. 1-3].
Данные опыта КЗ необходимы в следующих случаях: 1) определение превышения температур масла и обмоток трансформатора при испытании на нагрев (гл. 12); 2) расчет или испытание трансформатора на стойкость при КЗ; 3) определение к. п. д. трансформатора; 4) расчет и определение возможности параллельной работы данного трансформатора с другими; 5), расчет изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке.
Потери и напряжение КЗ являются величинами, определяемыми для каждого отдельного трансформатора, они зависят от его типа. Их числовые значения и допуски даются в стандартах или технических условиях на трансформаторы. Так, для трансформаторов общего назначения класса напряжения 330 кВ эти значения указаны в ГОСТ 17545-72 [Л. 7-1].
б) Общие условия испытания
При операционных или специальных электромагнитных испытаниях методом КЗ опыт производят после второй сборки трансформатора с целью определения
потерь и напряжения КЗ без бака или измерения полей рассеяния в различных местах активной части трансформатора. При приемо-сдаточных испытаниях опыт КЗ производят, на собранном и залитом маслом трансформаторе. При квалификационных и периодических испытаниях на нагрев методом КЗ трансформатор собирается полностью вместе с системой охлаждения (гл. 12).
Результаты измерения потерь и напряжения КЗ практически не зависят от того, с какой стороны подводится питание. Поэтому из соображений удобства испытания на двухобмоточных трансформаторах замыкают накоротко обмотку НН, а питание подводят к обмотке ВН. Па трехобмоточных трансформаторах при опыте КЗ пары обмоток ВП и СН напряжение подают на обмотку СН при замкнутой накоротко обмотке ВН.
Перед опытом КЗ должно быть обеспечено надежное замыкание накоротко соответствующей обмотки, а также зажимов всех вторичных обмоток ТТ, встроенных в трансформатор. Замыкание вводов замыкаемой накоротко обмотки следует делать как можно тщательнее, применяя короткие медные провода или шины, сечение которых должно быть не менее сечения токоведущей шпильки или шины ввода этой обмотки.
Согласно [Л. 1-3] при испытании каждого первого образца трансформаторов данного типа плотности тока в подводящих проводах и в проводах, применяемых для выполнения КЗ обмоток, при проведении опытов не должны быть более 1,8 в медных и 1,2 А/мм2 в алюминиевых.
При приемо-сдаточных испытаниях опыт КЗ производят на ступени номинального напряжения, а при квалификационных и периодических испытаниях, кроме того, на ступенях максимального и минимального напряжения обмоток. Перед опытом устройства переключения ответвлений обмоток должны быть установлены на требуемые ступени, а их приводы должны быть застопорены. При неправильной установке приводов устройств, например ПБВ, между подвижными и неподвижными контактами переключателя может образоваться небольшой зазор. Напряжение КЗ при опыте может оказаться достаточным для пробоя зазора между контактами, а возникающая между ними электрическая дуга может вызвать повреждение (оплавление) контактов.
в) Потери КЗ
Активную мощность Ркϑ, измеренную при опыте КЗ с температурой обмоток ϑ, СС, принято считать условно (для удобства расчетов) состоящей из следующих слагаемых: 1) основных потерь в обмотках и других токоведущих частях трансформатора Σ, определяемых током данной обмотки или токоведущей части и ее электрическим сопротивлением, измеренным при постоянном токе; 2) добавочных потерь в опыте КЗ Рдобϑ, определяемых как разность потерь Ркϑ— Σ, измеренных при определенном токе в опыте КЗ, и основных потерь в токоведущих частях, определенных при том же токе.
Добавочные потери при опыте КЗ имеют две слагаемые: а) потери в токоведущих частях, вызванные полем рассеяния; б) потери от гистерезиса и вихревых токов, возникающие в металлических элементах конструкций трансформатора от воздействия поля рассеяния. Кроме того, в добавочные потери могут входить потери от циркулирующих токов, наведенных полем рассеяния и замыкающихся в параллельно соединенных ветвях обмоток трансформатора.
Согласно (Л. 1-31) основные потери в обмотках определяют вычислением, исходя из данных измерения электрического сопротивления обмоток постоянному току. Для однофазного трансформатора эти потери равны, Вт:
(7-2)
где I1-2 — номинальные токи обмоток, участвующих в опыте; r1ϑ, r2ϑ — электрические сопротивления постоянному току этих обмоток при температуре ϑ, °G.
У трехфазного трансформатора основные потери пары обмоток, участвующих в опыте, вычисляются по формулам:
где I1, I2 —линейные токи трансформатора; r — междуфазные электрические сопротивления обмоток, измеренные на линейных вводах при температуре ϑ, °С; Iф1, Iф2 —фазные токи обмоток; rф1ϑ, rфϑ2 — фазные сопротивления обмоток при температуре °С.
При подсчете основных потерь в автотрансформаторах ток последовательной обмотки принимается равным току обмотки ВН, а ток общей обмотки — разности токов СН и ВН.
Междуфазное электрическое сопротивление при соединении фаз в треугольник равно: 
.*
а при соединении в звезду: 
Добавочные потери Рдобϑ определяют вычитанием из потерь КЗ Ркϑ потерь в обмотках Σ, вычисленных по (7-2) или (7-3). Следовательно, 
(7-4)
Таким образом, измерение потерь КЗ требуется, по существу, для определения добавочных потерь, так как основные потери в обмотках легко определяется вычислениями по данным измерений электрического сопротивления обмоток.
г) Мощность, требуемая для опыта КЗ
Полная мощность SK, потребляемая трансформатором при опыте КЗ в номинальных условиях, равна, МВ-А:
(7-5)
где Рн — номинальная мощность испытываемого трансформатора, МВ-А; % — напряжение КЗ, %.
Активная мощность Рк, необходимая для опыта КЗ, и коэффициент мощности нагрузки φн связаны соотношением:
(7-6)
где Рк — потери КЗ, кВт; Рн — номинальная мощность трансформатора, МВ-А; ик — напряжение КЗ, %.
В табл. 7-1 приведены значения cosφ и SK при опытах КЗ трехфазных двухобмоточных трансформаторов класса 330 кВ, вычисленные по данным ГОСТ 17545-72 [Л. 7-1].
Коэффициент мощности cosφK и полная мощность SK при опытах КЗ трансформаторов класса 330 кВ
Мощность источника питания, например испытательного генератора 50 Гц, должна быть больше мощности, требуемой для опыта КЗ, так как не всегда можно использовать генератор при его номинальном токе и напряжении для получения необходимого диапазона токов и напряжений, даже с применением промежуточного трансформатора.
Кроме того, испытываемый трансформатор может иметь напряжение КЗ, большее, чем указано и табл. 7-1, например трансформаторы класса 500 кВ по ГОСТ 17544-72 [Л. 5-1], при этом с положительным допуском + 10% согласно ГОСТ 11677-75 [Л. 1-1].
Из табл. 7-1 следует, что активная мощность КЗ Рн весьма мала по сравнению с полной мощностью SK. Поэтому измерение потерь КЗ мощных трансформаторов имеет специфические особенности (§ 5-5).