В каких режимах может работать силовой трансформатор

Обновлено: 26.01.2025

Всё об энергетике

Трансформаторы, автотрансформаторы. Виды, назначение, особенности

Трансформатором называется электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования напряжения и тока одних параметров в напряжение и ток других параметров.

Данная статья находится на переработке! Благодарим за понимание!

Трансформаторы бывают двух-, трех- и многообмоточные, в которых сооответственно две, три или более обмотки. Все обмотки в трансформаторе гальванически не связаны (исключение - автотрансформатор). Термин "гальванически не связанные" означает, что у этих обмоток нет общего контура протекания тока, а энергия из первичной цепи во вторичную передаётся с помощью магнитного поля.

Автотрансформатором (АТ) называется трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны (т.е. имеют общую часть). В отличии от обычного трансформатора в автотрансформаторе всегда минимум три обмотки. При этом вторичная обмотка АТ является частью первичной. Передача энергии из первичной цепи автотрансформатора во вторичную происходит одновременно магнитным полем и электрическим током, а в третичную цепь АТ - только магнитным полем.

Автотрансформатор экономически более выгоден по сравнению с обычным трансформатором за счёт экономии активных материалов и меньших размеров. Достигается такая экономия следующим образом: в автотрансформаторе часть первичной обмотки используется как вторичная, что снижает в последней напряжение U₂ и соответственно ток I₂. Это позволяет использовать во вторичной обмотке проводник меньшего сечения, а первичная обмотка, которая выполняется на высокое напряжение U₁ получается уменьшеной до общей обмотки АТ.

В двухобмоточном трансформаторе различают обмотку высокого напряжения - ВН и низкого напряжения - НН. В трехобмоточном трансформаторе (автотрансформаторе) кроме обмотки ВН и НН различают обмотку среднего напряжения - СН. К трансформаторам с 4-мя и более обмотками понятия ВН, СН, НН не применяется (исключение - расщепление обмоток), а вместо этого в названии обмотки указывается ее номер: вторичная, третичная и четвертичная обмотки. При этом первичной считается обмотка с наибольшим напряжением, вторичной - со вторым по величене, третичной - третьим и так далее. Термины первичная, вторичная обмотки по отношению к двухобмоточному трансформатору имеют другое значение - первичной называется та обмотка, к которой подводится электрическая энергия, а вторичной - от которой эта энергия отводится.

Рисунок 1 - Принципиальная схема трансформатора

Рисунок 2 - Принципиальная схема автотрансформатора

На принципиальных схемах трансформаторы и автотрансформаторы обозначаются в соответствии со стандартом. Ниже на рисунках 3-6 изображены условные обозначения наиболее распостранненных трансформаторов.

Рисунок 3 - Двухобмоточный трансформатор

Рисунок 4 - Трансформатор с расщеплённой обмоткой

Рисунок 5 - Трансформатор с расщеплённой обмоткой

Рисунок 6 - Автотрансформатор

Каждый трансформатор имеет следующий набор параметров:

Номинальная мощность S_ном;
Номинальное напряжение трансформатора U_ном и его обмоток: U_вн, U_нн (для трехобмоточного трансформатора - U_сн);
Номинальный ток I_ном;
Группа соединения обмоток трансформатора;
Напряжение короткого замыкания U_кз;
Ток холостого хода I_хх;
Потери короткого замыкания P_кз;
Потери холостого хода Q_хх.

Номинальной мощностью S_ном в трех- и многообмоточном трансформаторе называется наибольшая из мощностей его обмоток, а в двухобмоточном - мощность каждой из его обмоток (обмотки двухобмоточного трансформатора выполняются одинаковой мощности).

Номинальным напряжением трансформатора U_ном называется наибольшее номинальное напряжение его обмоток. За номинальное напряжение обмотки принимается напряжение между соответствующими зажимами, связанными с данной обмоткой при холостом ходе трансформатора.

Номинальным током трансформатора I_ном называется величина тока, протекающая по его первичной обмотке под напряжением U_ном и нагрузке S_ном.

Группой соединения обмоток трансформатора называется угол между вектором напряжения первичной обмотки и вектором напряжения вторичной обмотки отсчитанный в часах, при условии, что вектор напряжения первичной обмотки направлен на 12-ть часов. Всего существует 12 групп соединения обмоток трансформатора. Подробнее об этом в статье "Режимы работы трансформатора".

Напряжением короткого замыкания U_кз называется величина напряжения, которое, при замкнутой накоротко вторичной обмотке, необходимо приложить к первичной обмотке трансформатора, чтобы по ней протекал ток I_ном. Напряжение короткого замыкания обычно выражается в процентах. Физически, U_кз представляет собой реактивное сопротивление трансформатора, выраженное в относительных единицах (о.е.).

Током холостого хода I_хх называется величина тока протекающего по первичной обмотке трансформатора под напряжением U_ном и разомкнутой вторичной обмотке. I_хх выражается в процентах от номинального тока трансформатора. Физически ток холостого хода представляет собой полное сопротивление трансформатора в о.е.

Потерями короткого замыкания трансформатора P_кз называется величина активной мощности, которая рассеивается в трансформаторе при замкнутой накоротко вторичной обмотке и токе I_ном в первичной. P_кз выражается в кВт (киловатт).

Потерями холостого хода Q_хх называется величина реактивной мощности, рассеиваемая трансформатором в опыте холостого хода. Q_хх выражается в кВар (киловар).

Кроме параметров перечисленных выше у трансформаторов могут быть и другие, характерные для одного типа. Например у измерительных трансформаторов кроме все прочих имеется параметр угловая погрешность показывающий отклонение вектора напряжения (тока) вторичной обмотки, от такого же вектора первичной обмотки.

Трансформаторы разделяют на:

Силовые трансформаторы;
Измерительные трансформаторы;
Трансформаторы частоты;
Вольтодобавочные трансформатры.

Задача силовых трансформаторов - питание сетей и приёмников электроэнергии. Силовые трансформаторы бывают:

Силовые трансформаторы общего назначения;
Силовые трансформаторы специального назначения.

Рисунок 7 - Силовой трансформатор общего назначения

Рисунок 8 - Силовой трансформатор специального назначения

Трансформаторы общего назачения включается в сети, не отличающиеся особыми условиями работы, а также служат для питания электроприемников, не отличающихся характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального назначения применяются для питания сетей и приёмников электроэнергии, если таковые работают в особых услових или имеют специфический характер нагрузки или режим работы (например выпрямительные установки, рудничные и шахтные сети).

Основная функция измерительных трансформаторов - преобразовывать величину напряжения или тока до значений, удобных для приборов и автоматики. Вторая сторона использования измерительных трансформаторов в качестве промежуточного звена при измерениях - наличие гальванической развязки. При наличии гальванической развязки измерительный прибор оказывается изолированным от высоковольтной (сильноточной) цепи, что повышает безопасность работы с ним. Измерительные трансформаторы делятся на:

Трансформаторы тока (ТТ);
Трансформаторы напряжения (ТН).

Номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока может достигать 40 кА, при этом вторичная обмотка исполняется на номинальный ток 1 или 5 А.

Трансформаторы тока по токовой погрешности разделены на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Величина погрешности определяется по формуле:

Рисунок 9 - Трансформатор тока

Трансформаторы тока по конструкции делятся на:

Одновитковые ТТ;
Многовитковые ТТ.

По количеству фаз ТТ делятся на:

Однофазные ТТ;
Трехфазные ТТ.

Конструкцией трансформатора тока предусмотрено, что первичной обмоткой является силовой кабель или токоведущая шина или ввод, а вторичная обмотка ТТ "оборачивается" вокруг токоведущего элемента.

Трансформатор напряжения (ТН) изготавливается на номинальное напряжение вторичной обмотки 100 В. Номинальное напряжение первичной обмотки ТН может достигать 110 кВ. При измерении напряжения в сетях выше 110 кВ применяются ёмкостные делители напряжения.

Рисунок 10 - Однофазный трансформатор напряжения на ёмкостном делителе

Рисунок 11 - Трехфазный трансформатор напряжения

Трансформаторы напряжения выполняются:

Однофазные ТН;
Трехфазные ТН.

По виду изоляции ТН делятся на:

Сухие;
Масляные;
С литой изоляцией;

Трансформаторы напряжения по погрешности делятся на четыре класса точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Трансформаторы частоты позволяют удвоить или утроить частоту сети.

Вольтодобавочные трансформаторы предназначены для повышения напряжения в отдельных точках электрических сетей.

Рисунок 12 - Вольтодобавочный трансформатор

Для защиты трансформатора от повреждений предустатривается его релейная защита. На трансформатор могут быть установлены следующие виды защит:

каких режимах может работать силовой трансформатор? в режиме жолостого хода/в нагрузочном режиме/ или в обеих

работать может в обеих режимах.. .
-на холостом ходу - потребление мало и нагрев не большой.. .
-при номинальной нагрузке - время работы длительное. .
-при повышенной нагрузке - будет нагреваться, поскольку через обмотки будет течь больший ток, а значит по закону джоуля-ленца - выделиться больше теплоты (возможен перегрев).. .

Остальные ответы

Да ему абсолютно все равно, обычно при нагрузке

Долго может работать на холостом ходу и под нагрузкой
Не очень долго под небольшой перегрузкой
Очень короткое время в режиме КЗ

Самый экономичный режим - при номинальной нагрузке. На холостом ходу полезной мощности нет, и вся потребляемая мощность уходит в потери. При перегрузках и КЗ быстро "стареет" изоляция.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенности

Между генераторами электроэнергии и потребителями может быть десятки, а то и сотни километров. Для минимизации потерь при транспортировке применяется специальная технология, суть которой заключается в повышении напряжения, передачи его посредством ЛЭП и понижении до уровня потребительской сети. Последний этап преобразования осуществляется на подстанциях, оборудованными силовыми трансформаторами (далее по тексту СТ). В данной публикации мы расскажем, что представляют собой эти устройства, их основные конструктивные элементы и особенности.

Что такое силовой трансформатор и его назначение

Это аппарат, преобразующий амплитуду переменного напряжения, оставляя неизменным его частоту. В основу работы такого устройства положен принцип электромагнитной индукции. Мы не будем отвлекаться на его описание, всю подробную информацию можно найти на страницах нашего сайта.

Основная сфера применения СТ связана с передачей и распределением электроэнергии, упрощенно это представлено на рисунке ниже.

Схема передачи электроэнергии

Как видно из рисунка, в цепи между генератором и потребителем может быть установлено несколько СТ. Первый повышает напряжение до 110 кВ (чем оно выше, темь меньше потерь при передаче на дальние расстояния) и подает его на ЛЭП. На выходе линии установлен второй СТ на районной подстанции, откуда производится передача по подземному кабелю на трансформаторный пункт, откуда запитываются конечные потребители.

Трансформаторный пункт

Принятые классификации

Учитывая немалый вес и размеры СТ, чтобы упростить ряд работ, связанных с обслуживанием, транспортировкой и планированием, данные устройства принято делить на габаритные группы. Ниже представлена таблица, где показано соответствие.

Таблица габаритов СТ:

Помимо габаритного распределения, СТ также классифицируют по следующим показателям:

число фаз (как правило, подстанции оборудованы трехфазными преобразователями);
количество обмоток (две или три);
функциональное назначение (понижение или повышение амплитуды);
исполнение (установка внутри помещения или снаружи);
система отвода тепла (воздушная или масляная).

Конструктивные особенности

Несмотря на разнообразие видов СТ их конструкция неизменно включает следующие обязательные элементы:

выводы катушек высокого и низкого напряжения (ВН и НН), их принято называть силовыми вводами;
систему отвода тепла;
устройства, позволяющие регулировать рабочее напряжение;
дополнительное оборудование, для контроля работы и обслуживания аппарата.

На рисунке ниже представлена типовая конструкция СТ с масляной системой отвода тепла.

Конструкция силового трансформатора с масляным охлаждением

Обозначения:

Теперь рассмотрим подробно назначение основных конструктивных элементов.

Назначение силовых вводов

Данный элемент конструкции необходим для подключения питания и нагрузки к СТ. Их расположение может быт как внутренним (закрытые клеммные колодки) так и внешним. Обратим внимание, что первый вариант расположение используется только в СТ с воздушной системой отвода тепла.

Обязательно наличие изоляции, между вводом и корпусом, она может быть маслобарьерной, элегазовой, конденсаторной-проходной или же выполнена из материалов, не проводящих электричество (фарфор, полимеры и т.д.).

Рис. 4. Фарфоровые изоляторы на вводах силового трансформатора

Система отвода тепла

В процессе преобразования электроэнергии часть потерь выделяется в виде тепла, поэтому система его отвода неизменно присутствует в любом СТ. Мощные аппараты снабжены для этого специальной двухконтурной системой, охлаждение масла в которой производится следующими способами:

Посредством радиаторов (см. Е на рис. 4), обеспечивающих отвод тепла во вторичную или внешнюю среду.
Бак-корпус с гофрированной поверхностью (применяется в маломощных аппаратах).
Установка вентиляционного оборудования. Такое решение позволяет увеличить производительность на четверть. Вентиляторы принудительной системы охлаждения СТ
Дополнительные системы водяного охлаждения. Это один из самых простых и эффективных способов отвода тепла.
Применение специальных насосов, обеспечивающих циркуляцию масла в системе отвода тепла.

Устройства управления рабочим напряжением

В некоторых случаях возникает необходимость повысить или понизить напряжение нагрузки СТ, для этой цели в большинстве конструкций предусмотрено специальный переключатель. По сути, он меняет коэффициент трансформации путем переключения на большее или меньшее число витков в катушках.

Как правило, такие манипуляции выполняются при снятой нагрузке, но существуют устройства позволяющие изменять КТ без отключения потребителей.

Виды дополнительного оборудования

Для обеспечения стабильной работы и обслуживания СТ их конструкция может включать следующие устройства, именуемые навесным или дополнительным оборудованием:

Реле давления газа, представляет собой защитную систему. Если СТ переходит в нештатный режим работы, то в результате большого выделения тепла происходит разложение масла. Данный процесс сопровождается выделением газа. При его быстром образовании срабатывает защита, отключающая аппарат от питания и нагрузки. Если процесс газообразования протекает медленно, включается оповещение.
Термоиндикаторы, показывают нагрев масла в различных узлах системы отвода тепла. Индикатор температуры масла
Влагопоглотители. Применяются в негерметичных масляных системах отвода тепла, препятствуют образованию водяного конденсата.
Системы маслорегенерации.
Датчики давления, если оно превышает определенный порог, автоматически включается устройство сброса для нормализации.
Датчик уровня заполнения масла в системе отвода тепла.

Принятая маркировка

Буквенно-цифровые обозначения СТ производится в соответствии с представленным ниже рисунком.

Маркировка силового трансформатора

Обозначения:

Указывается тип аппарата. Возможны варианты «А», «Л», «Е» или отсутствие символа, что соответствует автотрансформатору, линейному или печному устройству. Отсутствие символа указывает на обычный СТ.
«О» или «Т», соответствует однофазному или трехфазному аппарату.
Используемая вариант отвода тепла (для масляных систем), возможные варианты:

М – принудительные системы не используются.
Д – производится принудительный обдув.
ДЦ – производится принудительный обдув с ненаправленной циркуляцией.
НЦ – водяно-масляное охлаждение с направленной циркуляцией.
Ц – водно-масляное охлаждение с ненаправленной циркуляцией.

Указание мощности в кВ*А.
Допустимый уровень ВН (кВ).
Вариант исполнения (наружное или внутреннее размещение, особые климатические условия и т.д.)

Особенности обслуживания

СТ являются важными звеньями в схемах передачи электроэнергии, от них зависит работа всей системы. Для обеспечения надежности и бесперебойной работы этих устройств необходимо регулярное обслуживание подготовленными специалистами, имеющих соответствующий уровень допуска.

Если оборудование используется там, где предусмотрено наличие штатного дежурного персонала, то его обязанности входит проведение регулярных осмотров, при которых снимаются показания приборов, характеризующих текущее состояние СТ. Регламентом предписывается контролировать:

Показания уровня масла в теплоотводных системах.
Состояние влагопоглотителей.
Работу системы маслорегенерации.
Состояние внешнего корпуса аппарата и основных его узлов.

При обнаружении отклонения от нормы, подтеков, повреждений или других признаков, свидетельствующих о нештатной работе контролируемых аппаратов, персонал должен принять предписанные инструкцией меры.

Для автономного оборудования, работа которого не требует наличия дежурного персонала, положено проводить технический осмотр ежемесячно. Что касается трансформаторных пунктов, то для них эта норма снижена до полгода.

При обнаружении недостатка масла в системе отвода тепла следует произвести доливку, а в случае несоответствия нормам – полную замену. Определить необходимость замены масла, можно по его цвету.

Свидетельством нештатного режима работы оборудования может быть повышение температуры в помещении подстанции. При обнаружении прямых или косвенных свидетельств анормального функционирования СТ, предписывается проводить внеплановый осмотр с проверкой общего состояния элементов защитного оборудования.

Согласно правилам эксплуатации необходимо раз в год брать пробу масла для лабораторного анализа. Это же действие предписывается в случае капитального ремонта.

Помимо этого при обслуживании периодически приходится производить подстройку рабочего напряжения. Необходимость этого связана с тем, что со временем латунные и медные контакты покрываются оксидной пленкой, что приводит к увеличению переходного сопротивления. Что бы не допустить этого, раз в полгода с СТ снимается нагрузка и питание, после чего производится переключение регулятора напряжения во всем позициям. Процедуру рекомендуется повторить несколько раз, перед тем как вернуть исходное положение.

Всё об энергетике

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго.

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

Рабочий режим;
Номинальный режим;
Оптимальный режим;
Режим холостого хода;
Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему \(\dot_1 ≈ \dot_\);
Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему \(\dot_1 ≤ \dot_1ном\).

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

Напряжение первичной обмотки равно номинальному \(\dot_1 = \dot_\);
Ток первичной обмотки равен номинальному \(\dot_1 = \dot_\).

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

Где \(P_\) - потери холостого хода;
\(P_\) - потери короткого замыкания;
\(k_\) - коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

Где \(P_2\) - ток нагрузки вторичной обмотки;
\(P_\) - номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД [2, с.308] (Смотри "Трансформаторы. Оптимальный режим работы").

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки (1) трансформатора;
К первичной обмотке приложено напряжение \(\dot_ = \dot_\);
Ток вторичной обмотки \(\dot_2 ≈ 0\) (для трехфазного трансформатора - \(\dot_ ≈ \dot_ ≈ 0\).

На рисунке 1 изображена схема опыта холостого хода однофазного, а на рисунке 2 - трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 1 - Схема опыта холостого хода однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 2 - Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

По существу в режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока \(i_х\), мощности \(ΔQ_хх\) холостого хода и ряда других параметров [2, c. 291][3, с. 207] (смотри "Опыт холостого хода трансформатора").

Примечание:

Под сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина \(R_\), равная отношению номинального напряжения обмотки \(U_\) к её номинальному току обмотки \(I_\)

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания характеризуется:

Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
К первичной обмотке приложена такая величина напряжения \(\dot_1\), что ток первичной обмотки равен её номинальному току \(\dot_1 = \dot_\)
Напряжение вторичной обмотки \(\dot_2 = 0\) (для трехфазного трансформатора - \(\dot_ = \dot_ = 0\).

Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 3 для однофазного, а на рисунке 4 - для трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 3 - Схема опыта короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 4 - Схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения \(u_к\), мощности \(ΔP_кз\) короткого замыкания и других параметров трансформатора [2, c. 294][3, с. 209] (смотри "Опыт короткого замыкания трансформатора").

В каких режимах может работать силовой трансформатор

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго. Подробней об этом - ниже в статье

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

Рабочий режим;
Номинальный режим;
Оптимальный режим;
Режим холостого хода;
Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему \(\dot_1 ≈ \dot_\);
Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему \(\dot_1 ≤ \dot_1ном\).

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

Напряжение первичной обмотки равно номинальному \(\dot_1 = \dot_\);
Ток первичной обмотки равен номинальному \(\dot_1 = \dot_\).

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

Где \(P_2\) - ток нагрузки вторичной обмотки;
\(P_\) - номинальный ток вторичной обмотки.

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки 1 трансформатора;
К первичной обмотке приложено напряжение \(\dot_ = \dot_\);
Ток вторичной обмотки \(\dot_2 ≈ 0\) (для трехфазного трансформатора - \(\dot_ ≈ \dot_ ≈ 0\).

Рисунок 1 - Схема опыта холостого хода однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 2 - Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

Под сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина \(R_\), равная отношению номинального напряжения обмотки \(U_\) к её номинальному току обмотки \(I_\)

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания характеризуется:

Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
К первичной обмотке приложена такая величина напряжения \(\dot_1\), что ток первичной обмотки равен её номинальному току \(\dot_1 = \dot_\)
Напряжение вторичной обмотки \(\dot_2 = 0\) (для трехфазного трансформатора - \(\dot_ = \dot_ = 0\).

Рисунок 3 - Схема опыта короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 4 - Схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

Режимы работы трансформатора

В зависимости от величины сопротивления нагрузки трансформатор может работать в трех режимах:

2. Короткое замыкание при zн = 0.

3. Нагрузочный режим при 0

Имея параметры схемы замещения, можно анализировать любой режим работы трансформатора . Сами параметры определяют на основе опытов холостого хода и короткого замыкания. При холостом ходе вторичная обмотка трансформатора является разомкнутой.

Опыт холостого хода трансформатора проводят для определения коэффициента трансформации, мощности потерь в стали и параметров намагничивающей ветви схемы замещения, проводят его обычно при номинальном напряжении первичной обмотки.

Для однофазного трансформатора на основе данных опыта холостого хода можно рассчитать:

– процентное значение тока холостого хода

– активное сопротивление ветви намагничивания r0, определяемое из условия

– полное сопротивление ветви намагничивания

– индуктивное сопротивление ветви намагничивания

Часто определяют также коэффициент мощности холостого хода:

Для определения напряжения короткого замыкания, потерь в обмотках и сопротивлений rк и xк проводят опыт короткого замыкания. При этом к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, чтобы токи обмоток короткозамкнутого трансформатора были равны своим номинальным величинам, т. е. I1к = I1н, I2к = I2н. Напряжение на первичной обмотке, при котором отмеченные условия выполняются, называется номинальным напряжением короткого замыкания Uкн.

Учитывая, что Uкн обычно составляет всего 5–10 % от U1н, поток взаимоиндукции сердечника трансформатора при опыте короткого замыкания в десятки раз меньше, чем в номинальном режиме, и сталь трансформатора ненасыщенна. Поэтому потерями в стали пренебрегают и считают, что вся подводимая к первичной обмотке мощность Pкн расходуется на нагрев обмоток и определяет величину активного сопротивления короткого замыкания rк.

Во время проведения опыта измеряют напряжение Uкн, ток I1к = I1н и мощность Pкн первичной обмотки. По этим данным можно определить:

– процентное напряжение короткого замыкания

– активное сопротивление короткого замыкания

– активные сопротивления первичной и приведенной вторичной обмоток, приблизительно равные половине сопротивления короткого замыкания

– полное сопротивление короткого замыкания

– индуктивное сопротивление короткого замыкания

– индуктивное сопротивление первичной и приведенной вторичной обмоток, приблизительно равны половине индуктивного сопротивления короткого замыкания

– сопротивления вторичной обмотки реального трансформатора:

– индуктивное, активное и полное процентные напряжения короткого замыкания:

В нагрузочном режиме очень важно знать, как влияют параметры нагрузки на КПД и изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение активной мощности, передаваемой нагрузке, к активной мощности, подводимой к трансформатору.

КПД трансформатора имеет высокое значение. У силовых трансформаторов небольшой мощности он составляет примерно 0,95, а у трансформаторов мощностью в несколько десятков тысяч киловольт-ампер доходит до 0,995.

Определение КПД по формуле с использованием непосредственно измеренных мощностей P1 и P2 даёт большую погрешность. Удобнее эту формулу представить в другом виде:

где – сумма потерь в трансформаторе.

В трансформаторе имеются два вида потерь: магнитные потери, вызванные прохождением магнитного потока по магнитопроводу, и электрические потери, возникающие при протекании тока по обмоткам.

Так как магнитный поток трансформатора при U1 = const и изменении вторичного тока от нуля до номинального практически остаётся постоянным, то и магнитные потерив этом диапазоне нагрузок также можно принять постоянными и равными потерям холостого хода.

Расчетная формул для определения КПД трансформатора:

Максимум КПД можно найти, приравняв первую производную к нулю. При этом получим, что КПД имеет максимальные значения при такой нагрузке, когда постоянные (не зависящие от тока) потери P0 равны переменным (зависящим от тока), откуда

Рисунок 1. Кривая изменения КПД трансформатора в зависимости от коэффициента нагрузки

Для определения процентного изменения напряжения на вторичной обмотке однофазного трансформатора используют уравнение

где uКА и uКР – активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания, выраженные в процентах.

Рисунок 2. Внешние характеристики трансформаторов средней и большой мощностей при различных характерах нагрузки

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Силовые трансформаторы: номинальные режимы работы и величины

Номинальным режимом работы трансформатора называют режим, для которого предназначен трансформатор заводом-изготовителем. Условиями, определяющими номинальный режим работы трансформатора , являются: номинальные напряжения, мощность, токи и частота, обозначенные на его щитке, а также номинальные условия охлаждающей среды.

Номинальные напряжения обмоток

Номинальными напряжениями обмоток трансформаторов называют те напряжения, при которых они предназначены для нормальной работы. У понижающих трансформаторов номинальные напряжения первичных обмоток равны номинальным напряжениям соответствующих электросетей, т. е. электроприемников.

У повышающих, а также у понижающих трансформаторов, присоединяемых непосредственно к сборным шинам или выводам генераторов, номинальные напряжения первичных обмоток на 5% выше номинальных напряжений соответствующих электросетей. У вторичных обмоток номинальным называют междуфазное напряжение, получаемое на зажимах вторичных обмоток трансформатора при его холостом ходе и подведении к зажимам первичной обмотки номинального первичного напряжения.

Превышение напряжения, подводимого к зажимам основного вывода или какого-либо ответвления первичной обмотки, допускается не выше +5% напряжения, указываемого на заводском щитке трансформатора для основного вывода или для данного ответвления.

Номинальной мощностью трансформатора называют мощность, на которую трансформатор может быть непрерывно нагружен в течение всего своего срока службы, нормально принимаемого равным порядка 20 - 25 годам.

Номинальная мощность трансформатора связана с температурными условиями, т. е. зависит от допустимой температуры нагрева его обмоток, от условий охлаждения трансформатора и т. д. Ознакомимся более подробно с этими температурными условиями.

Большинство трансформаторов имеет масляное охлаждение («масляные» трансформаторы). У таких трансформаторов магнитопроводы с обмотками находятся в стальных баках, залитых трансформаторным маслом, являющимся минеральным изоляционным маслом, полученным из нефти. Тепло, выделяющееся в обмотках и магнитопроводе трансформатора в процессе его работы, с помощью масла передается охлаждающей трансформатор среде - воздуху (воздушное охлаждение) или воде (водяное охлаждение).

Если в эксплуатации температуру нагрева обмоток трансформатора постоянно поддерживать равной +105° С, то, как показывают исследования заводов-изготовителей, срок его службы не превысит нескольких лет. Однако при номинальной нагрузке трансформатора температура нагрева обмоток +105° С будет постоянной только в том случае, если постоянной будет температура воздуха, равная +35°С.

В действительности же температура окружающего воздуха никогда не бывает постоянной, а изменяется как в течение суток, так и в течение года, поэтому и температура нагрева обмоток трансформатора изменяется в пределах от + 105° С до некоторого меньшего значения. При этом срок службы трансформатора, естественно, удлиняется. Поэтому указанную выше наибольшую температуру обмоток + 105° С следует понимать как верхний предел средней измеренной по сопротивлению температуры, допустимой для безопасной работы трансформатора на несколько часов в сутки в те сравнительно немногие дни, когда температура окружающего воздуха достигает максимума +35° С.

У трансформаторов без принудительной циркуляции масла наибольшее превышение температуры верхних слоев масла (у крышки) над температурой окружающего воздуха не должно превышать 60° С. При температуре окружающего воздуха +35° С это соответствует наибольшей наблюдаемой (по термометру) температуре масла +95° С. Для трансформаторов с принудительной циркуляцией масла, например с масловодяным охлаждением, температура масла на входе в маслоохладитель допускается не выше 70° С. Для трансформаторов с масловоздушным охлаждением максимально допустимая температура масла указывается заводом-изготовителем.

Учитывая сказанное, под номинальной мощностью трансформатора следует понимать мощность, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор, установленный на открытом воздухе, при номинальных температурных условиях охлаждающей среды, при воздушном охлаждении определяемых как температура воздуха, естественно изменяющаяся на протяжении года. При других видах охлаждения номинальные температурные условия охлаждающей среды указываются заводами-изготовителями трансформаторов.

Отметим, что раньше номинальную мощность трансформаторов, устанавливаемых на открытом воздухе, пересчитывали в зависимости от среднегодовой температуры охлаждающего воздуха. В результате пересчета при среднегодовой температуре окружающего воздуха меньше +5° С номинальную мощность трансформатора увеличивали, а при среднегодовой температуре больше +5° С, наоборот, уменьшали.

Исследования влияния вязкости масла на охлаждение трансформаторов показали, что подобного пересчета делать не надо, так как при пониженной температуре воздуха вязкость масла возрастает, вследствие чего ухудшается теплоотдача от обмоток, а при повышенной температуре воздуха, наоборот, вязкость масла уменьшается, а теплоотдача от обмоток трансформатора увеличивается.

Кроме установки на открытом воздухе, трансформаторы с воздушным охлаждением часто размещают в закрытых неотапливаемых помещениях — камерах, в которых обычно предусматривают естественную вентиляцию с подводом холодного воздуха и отводом нагретого воздуха через специальные вентиляционные отверстия соответственно в нижней и верхней частях камеры. Несмотря на вентиляцию, условия охлаждения трансформаторов в камерах все же хуже, чем установленных на открытом воздухе, что несколько снижает их срок службы. Однако трансформаторы, установленные в камерах с естественной вентиляцией, разрешается при среднегодовых температурах воздуха в камере до 20° С непрерывно нагружать на их номинальную мощность.

Номинальными токами первичной и вторичной обмоток трансформатора называют токи, определенные по номинальным мощностям соответствующих обмоток.

Под номинальной нагрузкой понимают нагрузку, равную номинальному току.

В режиме работы трансформатора без перегрузки при любых положениях переключателя ответвлений, а также при любых значениях подведенного к первичной обмотке напряжения (но не выше +5% величины напряжения данного ответвления) вторичная обмотка трансформатора может быть нагружена не выше ее номинального тока.

Читайте также: