6.3. Экспериментальное определение параметров схемы замещения трансформатора
Параметры R1, X1, R2, X2, R0, X0 схемы замещения (см. рис. 6.3) определяют из опытов холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ) ТР, проводимых по стандартной методике с использованием трёх измерительных приборов: вольтметра, амперметра и ваттметра или измерителя разности фаз.
6.3.1. Опыт холостого хода. При проведении опыта ХХ вторичная цепь разомкнута, а в первичной цепи, к которой подводится номинальное напряжение U1x = U1н, протекает ток ХХ I0 (рис. 6.5). Так как активное и реактивное сопротивления первичной обмотки: R1 << R0 и Х1 << Х0, то ими пренебрегают.
П араметры R0 и Х0 намагничивающей ветви (ветви ХХ) Тр определяют по формулам:
Z0 = U1н/ I0; R0 = Z0cosφ0; X0 = Z0sinφ0.
Е сли в первичную цепь включен ваттметр, то, пренебрегая потерями мощности в первичной обмотке R1I02, считают, что показание ваттметра равно потерям в стали ΔP0 ≈ ΔPcт, а значения сопротивлений элементов находят по формулам:
Используя результаты измерений, рассчитывают коэффициент мощности cosφ0 Тр при ХХ и значение угла магнитного запаздывания δ:
cosφ0 ≈ ΔР0/U1нI0 —> φ0; δ ≈ 90° – φ0.
6.3.2. Опыт короткого замыкания. При опыте КЗ вторичную обмотку замыкают накоротко (рис. 6.6), а к первичной подводят пониженное напряжение U1к = (0,050,1)U1н, при котором т оки в обмотках равны номинальным токам, т.е. I1 = I1к = I1н и I2 = I2к = = I2н. При пониженном напряжении U1 = U1к магнитный поток в сердечнике Ф мал, поэтому потерями мощности в стали ΔРст Тр пренебрегают. Так как в реальном трансформаторе сопротивления R0 >> (R1 + R2') и X0 >> (X1 + Х2'), то в схеме замещения исключают поперечную ветвь. При этом показание ваттметра приближенно равно активным потерям в обмотках (потерям в меди ΔРм). Откуда В каталожных данных на силовой Тр, кроме значений номинальной мощности Sн в кВ·А и номинальных напряжений U1н/U2н, приводят также значения потерь в стали ΔPст = P0 и в меди ΔPм. Значения тока ХХ и напряжения КЗ Тр выражают в процентах:
|
6.3.3. Упрощенная схема замещения Тр и ее векторная диаграмма Тр. Пренебрегая поперечной ветвью с сопротивлением Z0 = R0 + jX0 и зная значения сопротивлений Rк = R1 + + R2' и Xк = X1 + X2', полученные из опыта КЗ, изобразим упрощённую схему замещения Тр (рис. 6.7а).
Напряжение на входе Тр
Этому уравнению соответствует векторная диаграмма (рис. 6.7б).
Вектор ZкI1 (см. рис. 6.7б) соответствует потерям напряжения в Тр при передаче электрической энергии от сети к нагрузке, что отражает внешняя характеристика U2 = f(I) Тр.
Обращаясь к схеме рис. 6.7а и векторной диаграмме (рис. 6.7б), запишем уравнение внешней характеристики Тр:
U2' = U1н – ZкI1 = U1н – ZкI2'.
Поделив это уравнение на коэффициент трансформации n, получим
U2 = U2x – Z2I2 или U2 ≈ E2 – Z2I2, где E2 ≈ U2x.
Внешняя характеристика Тр при RL-нагрузке изображена на рис. 6.8. На практике её строят по двум точкам: U2x = E2 при I2 = 0 и U2 = U2н при I2 = I2н.
П адение напряжения в Тр: ΔUн ≈ ZкI1н ≈ ZкI2н/n.
Напряжение ZкI1н, определенное в опыте КЗ, в силовых Тр составляет U1к ≈ (0.050.15)U1н ≈ ΔUн.
Если обозначить коэффициент нагрузки β = I1/I1н ≈ I2/I2н, то падение напряжения ΔU в трансформаторе при любой нагрузке β
ΔU = βΔUн = βZкI1н ≈ βZкI2н/n = βU1к.
Так как сопротивление Zк = Rк + jXк, то падение напряжения ΔU можно разложить на активную и реактивную составляющие:
ΔUa = βRкI1н ≈ βRкI2н/n; ΔUp = βXкI1н ≈ βXкI2н/n.
Тогда падение напряжения в трансформаторе при любой нагрузке
При заданном коэффициенте мощности нагрузки cosφ2 падение напряжения на Тр:
ΔU = β(ΔUacosφ2 + ΔUpsinφ2).
КПД трансформатора при заданных коэффициентах β и cosφ2
где Sн = U1нI1н и Sн = √3U1нI1н – номинальные мощности соответственно однофазного и трёхфазного трансформаторов.
6.5.1. Особенности трёхфазных трансформаторов В трёхфазном трансформаторе на каждом стержне магнитопровода размещают по две обмотки: обмотку высшего напряжения и обмотку низшего напряжения (рис. 6.9а). Выводы обмоток размечают в порядке чередования фаз: на стороне высшего напряжения выводы А, В, С – начало обмоток, Х, Y, Z – их концы; на стороне низшего напряжения – соответственно а, b, c и x, y, z. Обмотки трёхфазных трансформаторов соединяют по схеме звезда или треугольник. Э ти соединения условно обозначают символами Y и Δ. Кроме указания на схему соединений, указывается также группа соединений обмоток. Основанием для деления трансформаторов по группам соединений служит значение угла сдвига фаз между линейными высшим U1л и низшим U2л напряжениями. Обоснование групп соединений основано на сопоставлении относительного положения векторов высшего и низшего линейных напряжений в комплексной плоскости с положением минутной и часовой стрелок. Для сопоставления минутная стрелка считается установленной на цифре 12 и с ней совмещается вектор линейного высшего напряжения U1л, а часовая стрелка совмещается с вектором линейного низшего напряжения U2л. Группе соединений дают название по положению часовой стрелки. В случае однофазных трансформаторов возможны два положения: 0 (или 12) – одинаковое направление векторов U1л и U2л и 6 – противоположное их направление. У трёхфазных трансформаторов возможны все 12 различных групп соединений, но желательно иметь минимальное их число, учитывая, что трансформаторы, как правило, включаются на параллельную работу. Согласно действующему в Российской федерации ГОСТу для однофазных трансформаторов установлена одна группа соединений – 0, а для трёхфазных – две: 11 для соединений звезда/треугольник, т.е. Y/Δ–11 (рис. 6.9б и рис. 6.9в) и 12 для соединений звезда/звезда, т.е. Y/Y–12 (рис. 6.9г). При соединении обмоток по схеме Y/Y отношение линейных напряжений равно фазному коэффициенту трансформации (U1л/U2л = n), при этом отношение линейных и фазных напряжений как обмотки высшего, так и низшего напряжений равно Uл/Uф = √3. При соединении обмоток понижающего трансформатора по схеме Y/Δ отношение U1л/U2л = √3n, а линейные напряжения обмоток низшего напряжения равны соответствующим фазным напряжениям, т.е. U2ф = U2л. Внешний вид трёхфазного масляного трансформатора с трубчатым баком представлен на рис. 6.10. |
6.5.2. Автотрансформаторы О днофазный автотрансформатор (АТР) отличается от обычного трансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку - обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения (рис. 6.11а). Изменением точки а на обмотке АТР можно плавно регулировать вторичное напряжение U2, например, в лабораторных автотрансформаторах (ЛАТР), у которых одним из выводов вторичной цепи служит подвижный контакт. Напряжения и токи ЛАТР связаны теми же приближенными соотношениями, что и в Тр: U1/U2 ≈ w1/w2 ≈ I2/I1. Ток в общей части обмотки приближенно равен разности вторичного и первичного токов. Поэтому общую часть первичной и вторичной обмоток можно изготовить из значительно более тонкого провода, что снижает стоимость обмотки АТР. К тому же для размещения обмотки в окне магнитопровода требуется меньше места. Однако эти преимущества уменьшаются с увеличением коэффициента трансформации. Обмотки трёхфазных АТР обычно соединяют по схеме звезда с выведенной нейтральной точкой или без неё (рис. 6.11б) . |
6.5.3. Измерительные трансформаторы Измерительные трансформаторы тока и напряжения применяют, во-первых, для изоляции измерительных приборов и аппаратов автоматической защиты от цепи высокого напряжения, и, во-вторых, для расширения пределов измерения измерительных приборов. Трансформатор напряжения (ТН) подобен силовому Тр небольшой мощности и используется в цепях переменного тока с напряжением от 0,4 до 1150 кВ для питания измерительных приборов и цепей релейной защиты. Его первичная обмотка с большим числом витков w1 включается в цепь, напряжение U1 которой нужно измерить, а к вторичной обмотке со значительно меньшим числом витков w2 – обмотке низшего напряжения U2 присоединяется вольтметр PV (рис. 6.12а). При этом заземляют один вывод вторичной обмотки и корпус Тр. Сопротивление вольтметра PV составляет несколько тысяч ом, т.е. ТН работает в условиях, близких к режиму ХХ силового Тр, что позволяет считать U1 ≈ Е1х и U2 ≈ Е2х. Так как отношение Е1х/Е2х = w1/w2 = n, то напряжение сети U1 = nU2, где U2 – показание PV. Т рансформаторы тока (ТТ) позволяют обеспечить питание цепей релейной защиты и измерения тока произвольной величины типовыми приборами (рис. 6.12б). Их номинальный вторичный ток 1 или 5 А. Первичный ток – в пределах от 5 А до 24 кА при напряжениях измеряемой сети от 0,4 до 24 кВ. Выпускаются серийно ТТ и на напряжения 35, 110, 220, 330, 500 и 750 кВ. Трансформатор тока со стороны первичной обмотки, имеющей небольшое число витков w1, включается последовательно с контролируемой установкой (рис. 6.12б), а его вторичная обмотка с большим числом витков w2 замыкается непосредственно на амперметр PА, имеющий внутреннее сопротивление, меньшее 2 Ом. Поэтому ТТ работает в условиях, близких к режиму КЗ Тр, для которого соотношение токов I1 ≈ nI2. Следовательно, первичный ток I1 может быть определён умножением вторичного тока I2 (показания PА со стандартной шкалой 1 или 5 А) на коэффициент трансформации n. При измерении больших токов первичная обмотка представляет собой провод с измеряемым током, продетый в окно магнитопровода (см. рис. 6.12б). Напряжение на первичной обмотке ТТ во много раз меньше вторичного напряжения (w1 << w2). При разомкнутой вторичной обмотке неуравновешенная МДС первичной обмотки w1I1 индуктирует во вторичной обмотке ЭДС порядка сотен вольт (до 1,5 кВ у ТТ на большие токи). Поэтому нельзя размыкать вторичную цепь ТТ при измерении тока приёмника. |