Электродинамические силы, короткое замыкание - сборка трансформаторов. Режим короткого замыкания трансформатора
Все трансформаторы работают в двух основных режимах: под нагрузкой и на холостом ходу. Однако, известен еще один режим работы, при котором резко увеличиваются механические усилия и поток рассеивания в обмотках. Этот режим носит название короткое замыкание трансформатора. Такая ситуация возникает при получении питания первичной обмоткой, когда вторичная замыкается на своих вводах. Во время замыкания возникает реактивное сопротивление, при этом ток на вторичную обмотку продолжает поступать из первичной.
Затем ток отдается потребителю, каким и является вторичная обмотка. Таким образом, происходит процесс короткого замыкания трансформатора.
Суть короткого замыкания
На замкнутом участке возникает сопротивление, значение которого гораздо меньше сопротивления нагрузки. Происходит резкий рост первичных и вторичных токов, которые могут мгновенно сжечь обмотки и полностью разрушить трансформатор. Однако, этого не происходит и защита успевает отключить его от сети. Это связано с тем, что увеличенные рассеивания и поля трансформатора существенно уменьшают воздействие токов короткого замыкания, а также обеспечивают защиту обмотки от электродинамических и тепловых нагрузок. Поэтому, даже если и наблюдаются потери в обмотках, они просто не успевают оказать свое негативное влияние.
Предупреждение короткого замыкания
При нормальном режиме работы трансформатора значение электродинамических усилий имеет минимальное значение. Во время наблюдается рост токов и усилий в десятки раз, создавая серьезную опасность. В результате, могут деформироваться обмотки, теряется их устойчивость, изгибаются катушки, сминаются прокладки под воздействием осевых сил.
Для того, чтобы снизить электродинамические усилия, во время сборки производится осевая запрессовка обмоток. Эта операция выполняется неоднократно: сначала, когда обмотки насажены и верхние балки установлены, а, затем, после просушивания активной части. Вторая операция имеет особое значение для снижения усилий, поскольку при некачественной запрессовке, при действии замыкания, может произойти сдвиг или разрушение катушки. Серьезную опасность представляет совпадение собственного резонанса катушки с частотой, имеющейся в электродинамической силе. Резонанс может вызвать усилия, совершенно не опасные при обычном режиме работы.
Чтобы улучшить качества трансформатора, во время сборки нужно сразу устранить возможную усадку изоляции, выровнять все высоты, обеспечить качественную запрессовку. При условии соблюдения необходимых технологических процессов, короткое замыкание трансформатора вполне может обойтись без серьезных последствий.
Опыт короткого замыкания трансформатора
Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном токе первичной обмотки. Схема для проведения опыта короткого замыкания приведена на рис. 11.3. Опыт проводится для определения номинального значения тока вторичной обмотки, мощности потерь в проводах и падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора.
При коротком замыкании цепи вторичной обмотки, ток в ней ограничивается только малым внутренним сопротивлением этой обмотки. Поэтому, даже при относительно небольших значениях ЭДС Е2, ток I2 может достигнуть опасных величин, вызвать перегрев обмоток, разрушение изоляции и выход трансформатора из строя. Учитывая это опыт начинают при нулевом напряжении на входе трансформатора, т.е. при . Затем постепенно увеличивают напряжение первичной обмотки до значения , при котором ток первичной обмотки достигает номинального значения. При этом ток вторичной обмотки, измеренный по амперметру А2 , принимают равным номинальному. Напряжение называют напряжением короткого замыкания.
Величина напряжения первичной обмотки в опыте короткого замыкания мала и составляет 5 ¸ 10% от номинального. Поэтому и действующее значение ЭДС вторичной обмотки Е2 составляет 2 ¸ 5%. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток, а значит и мощность потерь в магнитопроводе - Рс. Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте короткого замыкания, практически определяют только потери в проводах Рпр, причем
(11.3)
Выразим ток I2К через приведенный ток
Учтем, что , а также что
.
Тогда выражение (11.3) перепишем в виде
(11.4)
где RК - активное сопротивление трансформатора в режиме короткого замыкания, причем
(11.5)
Значение активного сопротивления трансформатора позволяет рассчитать его индуктивное сопротивление
При точном расчете нужно учитывать, что RК зависит от температуры. Поэтому полное сопротивление трансформатора определяют приведенным к температуре 750С, т.е.
.
Теперь легко определить падение напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора - ZК:
На практике пользуются приведенным значением UК, в процентах, обозначая его звездочкой, т.е.
(11.6)
Это значение приводят на паспортном щитке трансформатора.
Знание внутреннего сопротивления трансформатора позволяет представить его схему замещения в виде рис.11.4. Векторная диаграмма, соответствующая этой схеме приведена на рис. 11.5.
Векторная диаграмма позволяет определить уменьшение напряжения на выходе трансформатора D U за счет падения напряжения на комплексном сопротивлении. Величина D U определяется как расстояние между прямым, выходящим из точек начала и конца вектора и параллельными оси абцисс. Из диаграммы видно, что эта величина складывается из катетов двух прямоугольных треугольников, гипотенузы которых и , а острые углы равны j2.
Поэтому
На практике пользуются относительной величиной DU, в процентах, обозначенной звездочкой, т.е.
(11.7)
Для мощных трансформаторов (SH> 1000 В×А) опыт короткого замыкания может служить для контроля коэффициента трансформации. Для таких трансформаторов в режиме короткого замыкания током холостого хода можно пренебречь, считая
Поэтому
(11.8)
Последнее выражение тем точнее, чем больше мощность трансформатора. Однако оно не приемлимо для маломощных трансформаторов.
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 характеристика трансформатора, указываемая в паспорте.
Таким образом (%):
где U1ном - номинальное первичное напряжение.
Напряжение короткого замыкания зависит от высшего напряжения обмоток трансформатора. Так, например, при высшем напряжении 6-10 кВ uK = 5,5%, при 35 кВ uK = 6,5÷7,5%, при 110 кВ uK = 10,5% и т. д. Как видно, с повышением номинального высшего напряжения увеличивается напряжение короткого замыкания трансформатора.
При напряжении Uк составляющем 5-10% от номинального первичного напряжения, намагничивающий ток (ток холостого хода) уменьшается в 10-20 раз или еще более значительно. Поэтому в режиме короткого замыкания считают, что
Основной магнитный поток Ф также уменьшается в 10-20 раз, и потоки рассеяния обмоток становятся соизмеримыми с основным потоком.
Так как при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора напряжение на ее зажимах U2 = 0, уравнение э. д. с. для нее принимает вид
а уравнение напряжения для трансформатора записывается как
Этому уравнению соответствует схема замещения трансформатора, изображенная на рис. 1.
Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании соответствующая уравнению и схеме рис. 1, показана на рис. 2. Напряжение короткого замыкания имеет активную и реактивную составляющие. Угол φк между векторами этих напряжений и тока зависит от соотношения между активной и реактивной индуктивной составляющими сопротивления трансформатора.
Рис. 1. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании
Рис. 2. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании
У трансформаторов с номинальной мощностью 5-50 кВА XK/RK = 1 ÷ 2; с номинальной мощностью 6300 кВА и более XK/RK = 10 и более. Поэтому считают, что у трансформаторов большой мощности UK = Uкр, а полное сопротивление ZК = Хк.
Опыт короткого замыкания.
Этот опыт, как и опыт холостого хода, проводят для определения параметров трансформатора. Собирают схему (рис. 3), в которой вторичная обмотка замкнута накоротко металлической перемычкой или проводником с сопротивлением, близким к нулю. К первичной обмотке подводится такое напряжение Uк, при котором ток в ней равен номинальному значению I1ном.
Рис. 3. Схема опыта короткого замыкания трансформатора
По данным измерений определяют следующие параметры трансформатора.
Напряжение короткого замыкания
где UK - измеренное вольтметром напряжение при I1, = I1ном. В режиме короткого замыкания UK очень мало, поэтому потери холостого хода в сотни раз меньше, чем при номинальном напряжении. Таким образом, можно считать, что Рпо = 0 и измеряемая ваттметром мощность - это потери мощности Рпк, обусловленные активным сопротивлением обмоток трансформатора.
При токе I1, = I1ном получают номинальные потери мощности на нагрев обмоток Рпк.ном, которые называются электрическими потерями или потерями короткого замыкания .
Из уравнения напряжения для трансформатора, а также из схемы замещения (см. рис. 1) получаем
где ZK - полное сопротивление трансформатора.
Как известно, в режиме нагрузки вторичная обмотка трансформатора включается на сопротивление приемников. Во вторичной цепи устанавливается ток, пропорциональный нагрузке трансформатора. При питании большого числа приемников нередки случаи, когда нарушается изоляция соединительных проводов. Если в местах повреждения изоляции произойдет соприкосновение проводов, питающих приемники, то возникнет режим, называемый коротким замыканием (к. з.) участка цепи. Если соединительные провода, идущие от обмотки, замкнутся где-то в точках а и б, расположенных до приемника энергии (рисунок 1), то возникнет короткое замыкание вторичной обмотки трансформатора. В этом режиме вторичная обмотка окажется замкнутой накоротко. При этом она будет продолжать получать энергию из первичной обмотки и отдавать ее во вторичную цепь, которая состоит теперь только из обмотки и части соединительных проводов. 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - магнитопровод Рисунок 1 - Короткое замыкание на выводах вторичной обмотки трансформатора На первый взгляд кажется, что при коротком замыкании трансформатор должен неизбежно разрушиться, так как сопротивление r 2 обмотки и соединительных проводов в десятки раз меньше сопротивления r приемника. Если допустить, что сопротивление r нагрузки хотя бы в 100 раз больше r 2 , то и ток короткого замыкания I 2к должен быть в 100 раз больше тока I 2 при нормальной работе трансформатора. Так как первичный ток также возрастает в 100 раз (I 1 ω 1 = I 2 ω 2), потери в обмотках трансформатора резко увеличатся, а именно в 100 2 раз (I 2 r), т. е. в 10000 раз. При этих условиях температура обмоток за 1-2 с достигнет 500-600° С и они быстро сгорят. Кроме того, при работе трансформатора между обмотками всегда существуют механические усилия, стремящиеся раздвинуть обмотку в радиальном и осевом направлениях. Эти усилия пропорциональны произведению токов I 1 I 2 в обмотках, и если при коротком замыкании каждый из токов I 1 и I 2 увеличится, например, в 100 раз, то и усилия увеличатся в 10000 раз. Их величина при этом достигнет сотен тонн и обмотки трансформатора должны были бы мгновенно разрушиться. Однако на практике этого не происходит. Трансформаторы выдерживают, как правило, короткие замыкания в те весьма малые промежутки времени, пока защита не отключит их от сети. При коротком замыкании резко проявляется действие какого-то дополнительного сопротивления, ограничивающего ток короткого замыкания в обмотках. Это сопротивление связано с магнитными потоками рассеяния Ф Р1 и Ф Р2 , которые ответвляются от основного потока Ф 0 и замыкаются каждый вокруг части витков «своей» обмотки 1 или 2 (рисунок 2).
1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - общая ось обмоток и стержня трансформатора; 4 - магнитопровод; 5 - главный канал рассеяния
Рисунок 2 - Потоки рассеяния и концентрическое расположение обмоток трансформатора
Непосредственно измерять величину рассеяния очень трудно: слишком разнообразны пути, по которым могут замыкаться эти потоки. Поэтому на практике рассеяние оценивают по влиянию, которое оно оказывает на напряжение и токи в обмотках. Очевидно, что потоки рассеяния возрастают с увеличением тока, протекающего в обмотках. Очевидно также, что при нормальной работе трансформатора поток рассеяния составляет сравнительно небольшую долю основного потока Ф 0 . Действительно, поток рассеяния сцеплен только с частью витков, основной поток - со всеми витками. Кроме того, поток рассеяния большую часть пути вынужден проходить по воздуху, магнитная проницаемость которого принята за единицу, т. е. она в сотни раз меньше магнитной проницаемости стали, по которой замыкается поток Ф 0 .
Все это справедливо как для нормальной работы, так и для режима короткого замыкания трансформатора. Однако поскольку потоки рассеяния определяются токами в обмотках, а в режиме короткого замыкания токи увеличиваются в сотни раз, то во столько же увеличиваются и потоки Ф р; при этом они значительно превосходят поток Ф 0 .
Потоки рассеяния индуктируют в обмотках эдс самоиндукции Е p1 и Е р2 , направленные против тока. Противодействие, например, эдс Е р2 можно считать некоторым дополнительным сопротивлением в цепи вторичной обмотки при ее коротком замыкании. Это сопротивление называют реактивным.
Для вторичной обмотки справедливо уравнение
Е 2 = U 2 + I 2 r 2 + (-E p 2).
В режиме короткого замыкания U 2 =0 и уравнение преобразуется следующим образом:
E 2 = I 2K r 2K + (-E p2K), или E 2 = I 2K r 2K + I 2K х 2K ,
где индекс «к» относится к сопротивлениям и токам в режиме короткого замыкания;
I 2 K х 2 K - индуктивное падение напряжения в режиме короткого замыкания, равное но величине E p 2 K ;
х 2 K - реактивное сопротивление вторичной обмотки.
Опыт показывает, что в зависимости от мощности трансформатора сопротивление х 2 в 5-10 раз больше r 2 . Поэтому в действительности ток I 2 K не в 100, а лишь в 10-20 раз будет больше тока I 2 при нормальной работе трансформатора (активным сопротивлением из-за его малой величины пренебрегаем). Следовательно, в действительности потери в обмотках увеличатся не в 10000, а только в 100-400 раз; температура обмоток за время короткого замыкания (несколько секунд) едва достигнет 150-200° С и в трансформаторе за это малое время не возникнет никаких серьезных повреждений. Итак, благодаря рассеянию трансформатор способен сам защищаться от токов короткого замыкания.
Все рассмотренные явления происходят при коротком замыкании на зажимах (вводах) вторичной обмотки (см. точки а и б на рисунке 1). Это - аварийный режим работы для большинства силовых трансформаторов и возникает он, конечно, не каждый день или даже не каждый год. За время работы (15-20 лет) трансформатор может иметь всего несколько столь тяжелых коротких замыканий. Тем не менее, он должен быть так спроектирован и изготовлен, чтобы они не разрушили его и не привели к аварии. Надо четко представлять себе явления, происходящие в трансформаторе при коротком замыкании, сознательно собирать наиболее ответственные узлы его конструкции. В этом отношении весьма существенную роль играет одна из важнейших характеристик трансформатора - напряжение короткого замыкания.
