Экономия электрической энергии

Напряжение, вырабатываемое генератором, составляет, как правило 6, 10 кВ, для уменьшения потерь энергии напряжение вначале повышают для передачи на большие расстояния, а затем уменьшают для питания потребителей (рис. 1.1).

Полная мощность:

Потери активной мощности:

Потери напряжения:

В соответствии с представленными выражениями полной мощности, потерями мощности и напряжения можно показать структурно экономию электрической энергии в энергосистеме:

Согласование напряжения сети и нагрузки

Большинство бытовых элекроприёмников используют для своего питания напряжение 380/220 В переменного тока получаемое от трехфазных трансформаторов с глухозаземленной нейтралью (см. рис. 1.1, Т4, Т5) по линиям электропередач. В этом случае трансформатор, понижающий напряжение, например с 10 кВ до 0,4 кВ, выполняет функцию согласования напряжения источника к напряжению потребителя.

Обеспечение безопасного питания
с помощью трансформатора

Так как в трансформаторе первичная и вторичная обмотки электрически разделены сопротивлением изоляции R_ИЗ, то электробезопасность при питании электрооборудования для человека более высокая, нежели при питании непосредственно от трансформатора подстанции, у которого нулевая точка заземлена. В случае, если человек касается оголённого фазного провода (рис. 1.2), то он попадает под фазное напряжение U_Ф.

Ток утечки, протекающий через фазу трансформатора, провода, тело человека и заземление подстанции, будет определяться законом Ома. Расчётное сопротивление человека R_ЧЕЛ принимается 1 кОм, сопротивление заземления нейтрали трансформатора на подстанции R_ЗТП =4 Ом.

Протекание тока в 220 мА приведёт к летальному исходу (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Влияние тока на организм человека

Если использовать разделительный трансформатор (рис. 1.3), то человек коснувшись оголённого провода, не ощутит тока, протекающего через него, поскольку магнитное сопротивление разделительного трансформатора (Т2) очень большое.

Сопротивление изоляции трансформатора R_ИЗ должно быть не ниже 0,5 МОм. Ток утечки I_У, протекающий через тело человека, определяется по закону Ома:

Как видно из таблицы 1.1, ток в 0,439 мА является нечувствительным для человека.

Кроме разделительных трансформаторов, для повышения электробезопасности могут использоваться устройства защитного отключения (УЗО), реагирующие на ток утечки.

Классификация трансформаторов

Трансформаторы классифицируют по следующим признакам:

1) по назначению:

1) силовые общего назначения;

2) специального назначения:

– разделительные трансформаторы;

– измерительные трансформаторы тока;

– измерительные трансформаторы напряжения;

– сварочные трансформаторы;

– выпрямительные трансформаторы;

– автотрансформаторы;

– импульсные трансформаторы и др.;

2) по числу фаз:

1) однофазные (О);

2) трёхфазные (Т);

3) по системе охлаждения:

1) сухие (С);

2) масляные (М);

4) по числу обмоток пересекаемых одним магнитным потоком (Ф):

1) однообмоточные;

2) двухобмоточные;

3) многообмоточные;

5) по типу магнитопровода:

1) броневого типа;

2) стержневого типа;

3) бронестержневого типа.

Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроустройствах (блоках питания) для получения требуемого напряжения. Трансформаторы специального назначения характеризуются разнообразием рабочих свойств и конструктивного исполнения, и отличаются принципиальными схемами, маркировкой, бирочными данными, режимами работы (ХХ — холостого хода и КЗ — короткого замыкания).

Разделительные трансформаторы применяются для разделения электрических цепей с целью обеспечения повышенной электробезопасности. Разделительный трансформатор может быть составлен из двух силовых трансформаторов, один из которых понижает напряжение сети, а второй пропорционально повышает (рис. 1.4, а), что эквивалентно трансформатору, в котором первичная и вторичная обмотки имеют одинаковое количество витков, соответственно на вторичной обмотке наводится напряжение, равное напряжению в первичной обмотке (рис. 1.4, б). Такие трансформаторы устанавливают в помещениях с повышенной влажностью (душевых комнатах).

Трансформаторы тока используются для преобразования тока в первичной обмотке в пропорциональное ему напряжение во вторичной. В отличие от силовых трансформаторов, они работают в режиме короткого замыкания. Такие трансформаторы используют в электрических сетях для измерения токов больших величин, а также для средств релейной защиты сетей и трансформаторов от ненормальных режимов работы. К ним подключают приборы учета электрической энергии (амперметры и токовые обмотки ваттметров, фазометров, счетчиков электрической энергии) и устройств релейной защиты.

Трансформаторы напряжения также используются для питания приборов учета электрической энергии и средств релейной защиты сетей и трансформаторов от ненормальных режимов работы. К ним подключают обмотки напряжения вольтметров, частотомеров (герцметров), ваттметров, фазометров, счетчиков электрической энергии и обмотки напряжения устройств релейной защиты.

Сварочные трансформаторы — ток вторичной обмотки (сварочный ток) до 1 кА, напряжение холостого хода 60…150 В, крутопадающая внешняя характеристика.

Выпрямительные трансформаторы, в отличие от силовых, обладают большими габаритами, чем у силовых трансформаторов такой же выходной мощности, но при синусоидальных токах в обмотках и предназначены для использования в блоках питания постоянного тока различной маломощной аппаратуры. Выбираются с запасом по мощности с учетом коэффициента типовой мощности, в зависимости от выпрямителя (1,05…3).

Автотрансформаторы применяются для регулирования напряжения. За счёт гальванической (металлической, электрической) связи обмоток имеют меньшую массу, габариты и цену.

Охлаждение обмоток и магнитопровода в трансформаторе осуществляется посредством воздуха (сухие трансформаторы), масла либо сочетания обоих систем охлаждения. Масляное, как и воздушное, охлаждение бывает с естественной и принудительной циркуляцией. Трансформаторное масло обеспечивает изоляцию обмоток между собой и обмоток между сердечником, обеспечивает отвод тепла от обмоток и сердечника, а также является шумоизолятором. К трансформаторному маслу предъявляются следующие требования:

– диэлектрическая прочность — хорошие изоляционные свойства;

– не должно быть увлажненным (силикагель — удаления влаги);

– не должно содержать различных включений — должно быть чистое.

Последние два требования влияют на изоляционные свойства трансформаторного масла.

По числу обмоток, пересекаемых одним магнитным потоком: однообмоточные (рис. 1.5, а); двухобмоточные (рис. 1.5, б); многообмоточные (рис. 1.5, в).

Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трёх типов: стержневой — обмотки защищены только с одной стороны (рис. 1.6, а); броневой — обмотки защищены с двух сторон (рис. 1.6, б); бронестержневой — обмотка каждой фазы размещена на отдельном стержне и защищена с двух сторон (рис. 1.6, в).

Магнитопровод в трансформаторе выполняет несколько функций: составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора; является основой для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей; является радиатором для себя и для обмоток из-за своих больших габаритов и массы.

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА

Активными частями трансформатора являются магнитопровод и обмотки.

Магнитопровод (сердечник из электротехнической стали) в трансформаторе выполняет четыре функции:

– образует магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора;

– служит для увеличения основного магнитного потока трансформатора в 500…5000 раз;

– является основой для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей;

– является радиатором для себя и для обмоток из-за своих больших габаритов и массы.

Элементы магнитопроводов электрических машин (сердечники трансформаторов, статоров машин переменного тока, якорей машин постоянного тока и т.п.) подвержены перемагничиванию, что вызывает потери энергии на вихревые токи и гистерезис. Поэтому к магнитным материалам, из которых изготовлены такие элементы магнитопроводов, предъявляются требования: минимальные потери от перемагничивания ΔP_XX и повышенное удельное электрическое сопротивление, что способствует уменьшению потерь от вихревых токов.

Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т.е. он состоит из тонких (толщиной 0,5…2 мм) пластин холоднокатанной электротехнической стали.

Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи (токи Фуко), наводимые в нем переменным магнитным потоком, а следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.

Стальные пластинки между собой изолируются посредством:

– окалины — наиболее предпочтительна, т.к. обладает меньшей толщиной, технологически легче получить, дешевле в производстве;

– электротехнического лака;

– электротехнической бумаги.

Обмотки трансформатора можно классифицировать:

• по назначению:

– первичная обмотка w₁, обмотка, на которую подаётся напряжение;

– вторичная обмотка w₂, обмотка, с которой снимается напряжение;

• по величине напряжения обмотки:

– высшего напряжения (ВН);

– среднего напряжения (СН);

– низшего напряжения (НН).

В зависимости от того, какая обмотка является первичной, а какая вторичной и в зависимости от напряжения на обмотках трансформатор может использоваться для понижения (рис. 2.1, а) или повышения напряжения (рис. 2.1, б). То есть трансформатор является хорошо обратимой электрической машиной.

Соотношения между параметрами обмоток определяются коэффициентом трансформации:

Обмоточные провода, применяемые в электрических машинах для изготовления обмоток, должны удовлетворять целому комплексу требований:

– малая толщина изоляционного слоя провода;

– высокая механическая прочность и одновременно гибкость металлической жилы провода;

– эластичность, электроизоляционная прочность и нагревостойкость изоляционного покрытия, его высокая теплопроводность (для беспрепятственного отвода теплоты от токоведущей жилы), стойкость к растворителям лаков, которыми пропитывается обмотка электрической машины.

В качестве проводниковых материалов в электрических машинах широко применяют электротехническую медь (Cu) и алюминий (Al).

Преимущества меди по сравнению с алюминием:

– повышенная плотность тока в обмотках за счёт меньшего удельного электрического сопротивления (табл. 2.1);

– повышенная механическая прочность — медь более пластична, следовательно, можно изготовить проводник меньшего сечения, а также более устойчива к действию электродинамических сил от токов короткого замыкания;

– медь лучше подвергается пайке;

– обладает лучшей адгезией к изоляционным материалам (лаку).

Недостатки меди:

– высокая стоимость;

– большая плотность, как следствие — большая масса обмоток (см. табл. 2.1).

Преимущества алюминия:

– материал более лёгкий;

– материал более дешёвый, чем медь.

Недостатки алюминия:

– малая плотность тока при том же сечении, что и у медного проводника;

– ломкость;

– плохо подвергается пайке.

Таблица 2.1. Удельное электрическое сопротивление проводниковых материалов

С точки зрения потерь мощности и потерь напряжения в трансформаторе также предпочтительно использовать медь, поскольку сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления:

где r — удельное электрическое сопротивление, Ом·мм² / м;

l — длина проводника, м;

S — сечение проводника, мм².

Потери мощности ΔР, Вт, и напряжения ΔU, В, в трансформаторе:

где R_T — активное сопротивление обмотки, Ом;

Z_T — полное сопротивление обмотки, Ом.

Диаметр обмоточных проводов может быть 0,5…2,5 мм, в случае круглого сечения. На большие токи сечение проводников обмоток выполняется в виде шинки прямоугольного сечения. Соответственно в зависимости от сечения проводника и его материала изменяется и плотность тока в обмотке (табл. 2.2)

Таблица 2.2. Плотность тока в обмотках силовых трансформаторов

Обмотки трансформатора выполняются с учетом возникающих в них электродинамических сил. Как известно, при протекании тока по проводнику, вокруг него возникают силовые линии магнитной индукции B, направление которых определяется по правилу правоходового винта (рис. 2.2).

При этом в проводнике возникает электродинамическая сила:

Направление силы определяется по правилу левой руки. При токах короткого замыкания, превышающих номинальные токи в 20…25 раз, электродинамические силы между соседними проводниками возрастают в 400…625 раз и вызывают механические разрушения в трансформаторе.

Схемы соединения обмоток

Обмотки трансформатора предназначены для протекания в них тока I₁, I₂, создания магнитодвижущих сил (МДС) F₁, F₂ и электродвижущих сил (ЭДС) Е₁, Е₂. Магнитный поток, создаваемый током в обмотках, пропорционален намагничивающей магнитодвижущей силе Ф º F, А×виток. Направление МДС определяется по правилу левой руки, а её величина F, А×виток, выражением:

Начало и конец обмотки может обозначаться буквами, звездочкой либо точкой (рис. 2.3). При этом обмотки могут соединяться:

• последовательно:

– согласно — когда ЭДС каждой обмотки направлена в одну сторону, т.е. конец первой обмотки соединен с началом второй обмотки (рис. 2.3, а);

– встречно — когда ЭДС каждой обмотки направлена встречно друг другу, конец первой обмотки соединен с концом второй обмотки (см. рис. 2.3, б);

• параллельно:

– соединяются только согласно — когда ЭДС каждой обмотки направлена в одну сторону, т.е. начало первой обмотки соединяется с началом второй обмотки (см. рис. 2.3, в).

В зависимости от соединения обмоток существуют следующие основные схемы соединения обмоток силовых трансформаторов:

– звезда — Y (рис. 2.4, а);

– звезда с нулем — Yн (рис. 2.4, а);

– треугольник — Д (рис. 2.4, б);

– зигзаг с нулем — Zн (рис. 2.4, в).

Соотношения токов, напряжений и мощностей
в схемах звезда, треугольник и зигзаг

В зависимости от соединения обмоток трансформатора (рис. 2.4), соотношение токов и напряжения в схеме может быть разное.

При соединении обмоток в звезду либо в звезду с нулем (рис. 2.5) соотношение напряжений и токов следующее:

где U_Л — линейное напряжение (между линейными проводами);

U_Ф — фазное напряжение напряжение (между началом и концом фазы);

I_Л — линейный ток (ток, текущий по линейному проводу);

I_Ф — фазный ток (ток, протекающий от начала к концу фазы).

Схема соединения в звезду с нулем используется в сетях 0,4 кВ для обеспечения питанием трехфазных и однофазных потребителей на напряжение 380 и 220 В соответственно.

В данной схеме (рис. 2.5), помимо фазных проводников, есть еще и совмещенный нулевой рабочий и защитный проводник PEN, предназначенный для обеспечения: электробезопасности обслуживающего персонала, питания однофазных потребителей, выравнивания фазного напряжения при несимметричной нагрузке фаз.

При переменном трехфазном токе проводники в схемах, помимо буквенного, имеют также и цветовое обозначение:

– фазы А, В, С — желтый, зеленый, красный цвета соответственно;

– нулевой рабочий проводник N — голубым цветом;

– нулевой защитный проводник РЕ — чередующимися продольными или поперечными полосами одинаковой ширины желтого и зеленого цветов;

– совмещенный нулевой рабочий и защитный проводник PEN — голубой цвет по всей длине и желто-зеленые полосы на концах проводника.

Соотношение мощностей (рис. 2.6):

где S — полная мощность, ВА;

P — активная мощность, Вт;

Q — реактивная мощность, вар.

В схеме соединения обмоток зигзаг с нулем (см. рис. 2.4, в) соотношение токов, напряжений и мощностей аналогично схеме соединения обмоток в звезду. Соединение обмоток трансформатора в зигзаг используется для выравнивания фазного напряжения при несимметричной нагрузке и даже в случае обрыва линейного провода со стороны высшего напряжения (10 кВ), а также для повышения чувствительности релейной защиты к токам однофазного короткого замыкания. Но у такой схемы существуют свои недостатки:

– количество витков в фазе увеличено на 15%, в отличие от схемы звезда, соответственно увеличиваются габариты обмоток, изоляции, а также увеличивается вес трансформатора;

– усложняется схема соединений;

– увеличивается стоимость трансформатора.

Соединение обмоток трансформаторов в звезду без нулевого провода и
в треугольник используется в сетях 35 и 10 кВ.

При соединении обмоток в треугольник (рис. 2.7) соотношение напряжений и токов следующее:

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (шихтованная листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 3.1). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U₁. К другой обмотке, называемой вторичной, подключен потребитель Z_НАГР. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки w₁ к источнику переменного тока Г под действием напряжения U₁ в витках этой обмотки протекает переменный ток I₁. При отсутствии нагрузки на вторичной обмотке w₂ этот ток будет являться током холостого хода, а его действующее значение будет зависеть от сопротивления трансформатора:

.

Этот ток создает основной магнитный поток Ф_ОСН и магнитный поток рассеяния Ф_РС, при этом . Замыкаясь в магнитопроводе, основной магнитный поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них электродвижущие силы ЭДС:

– в первичной обмотке ЭДС самоиндукции:

Действующее значение	Мгновенное значение

– во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции:

Действующее значение	Мгновенное значение

При подключении нагрузки Z_НАГР (R, X_L, X_C) к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС Е₂ в цепи этой обмотки создается вторичный ток I₂ — ток нагрузки, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U₂. Действующее значение тока во вторичной обмотке определяется законом Ома:

Ток I₂ создает свой магнитный поток Ф₂, направленный встречно Ф₁. В результате основной магнитный поток будет складываться из двух магнитных потоков Ф₁ и Ф₂, направленных встречно, и будет равен магнитному потоку трансформатора в режиме холостого хода:

Из уравнений ЭДС видно, что е₁ и е₂, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счёт разного числа витков w₁ и w₂ в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

В повышающих трансформаторах U₂ > U₁, а в понижающих U₁ > U₂. Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН).

Трансформаторы обладают свойством обратимости, один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо — понижающий.

Трансформатор — это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную, кроме того, значительно возрастает ток в первичной обмотке из-за отсутствия индуктивного сопротивления.

Баланс намагничивающих сил F, А × виток, в трансформаторе:

Исследование однофазного трансформатора

Для исследования однофазного трансформатора выполняются три опыта:

– опыт холостого хода: снимаются характеристики холостого хода;

– опыт короткого замыкания: снимаются характеристики короткого замыкания;

– опыт под нагрузкой: снимается внешняя характеристика.

Опыт холостого хода

Опыт холостого хода — это такой режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подведено напряжение, а вторичная обмотка разомкнута (рис. 3.2), при этом

В опыте ХХ по показаниям контрольно-измерительных приборов снимаются три характеристики, при изменении напряжения U₁ от 0…1,15U_1Н:

где I_ХХ — это ток, который потребляет трансформатор,

ΔP_ХХ — потери в режиме холостого хода (потери в стали);

cosj_ХХ — коэффициент мощности трансформатора в режиме холостого хода:

На основании измеренных данных строятся характеристики трансформатора в режиме холостого хода (рис. 3.3).

При изменении напряжения U₁ ток I₁ до зоны перегиба изменяется пропорционально U₁, а затем резко возрастает. По зоне перегиба характеристики определяется номинальное напряжение на первичной обмотке трансформатора U_1НОМ, значение которого регламентирует ГОСТ (6, 12, 24, 36, 48, 110, 127, 220, 380, 660 В).

Опыт короткого замыкания

Опыт короткого замыкания — это такой режим работы трансформатора, когда вторичная обмотка замкнута накоротко (рис. 3.4), а к первичной подводят такое напряжение, чтобы по обмоткам текли номинальные токи, при этом

В условиях эксплуатации, когда к трансформатору подведено номинальное напряжение U_1НОМ, короткое замыкание является аварийным режимом и представляет большую опасность для трансформатора.

Напряжение приложенное к первичной обмотке называют напряжением короткого замыкания, обычно выражают его в % от номинального напряжения:

В опыте КЗ снимаются аналогичные опыту ХХ характеристики, при изменении напряжения U₁ от 0…U_КЗ:

где I_1КЗ — ток короткого замыкания в первичной обмотке трансформатора;

ΔP_КЗ — потери в режиме короткого замыкания (потери в меди);

cosj_КЗ — коэффициент мощности трансформатора при коротком замыкании.

На основании измеренных данных строятся характеристики трансформатора в режиме короткого замыкания.

Зная U_КЗ, определяют реальные токи короткого замыкания, необходимые для выбора аппаратов защиты:

Внешняя характеристика трансформатора

Опыт под нагрузкой — проводится для определения зависимости вторичного напряжения U₂ трансформатора от нагрузки I₂,

По результатам опыта строится внешняя характеристика:

при

В зависимости от характера нагрузки напряжение на вторичной обмотке может быть больше либо меньше номинального (рис. 3.6):

На основании измеренных данных строятся характеристики трансформатора в режиме нагрузки.

Из данного опыта при полностью активной нагрузке определяются номинальные токи трансформатора.

Порядок выполнения работы

Опыт холостого хода

1. Собрать схему для проведения опыта (рис. 3.2).

2. Плавно увеличивая напряжения U₁ от 0…1,15U_1Н записать показания приборов для 8-10 контрольных точек измерения, например 50, 100, 150, 180, 200, 210, 220, 230, 240, 250 В

3. Опытные и расчетные данные занести в таблицу 3.1 и построить характеристики холостого хода трансформатора.

4. По характеристикам определить номинальное напряжение трансформатора исходя из стандартного номинального ряда напряжений и рассчитать коэффициент трансформации.

Таблица 3.1. Данные режима холостого хода

Внешняя характеристика трансформатора

1. Собрать схему для проведения опыта (рис. 3.5).

2. Подать на трансформатор номинальное напряжение без введенной нагрузки во вторичной цепи.

3. Посредством изменения сопротивления нагрузки плавно увеличить ток во вторичной обмотке трансформатора до номинального значения, при этом записать показания приборов для 4-6 контрольных точек измерения. Напряжение первичной обмотки поддерживать равным стандартному номинальному напряжению.

4. Опытные данные занести в таблицу 3.2 и построить внешнюю характеристику трансформатора.

5. Определить характер нагрузки. Чему будет равен cosφ нагрузки?

Таблица 3.2. Данные режима трансформатора под нагрузкой

Опыт короткого замыкания

1. Собрать схему для проведения опыта (рис. 3.4).

2. Вычислить номинальные токи на первичной и вторичной стороне трансформатора используя паспортные данные.

3. Плавно увеличивая напряжение U₁ добиться протекания номинальных токов по обмоткам, записать показания приборов для 8-10 контрольных точек измерения.

4. Опытные и расчетные данные занести в таблицу 3.3 и построить характеристики короткого замыкания трансформатора.

5. Вычислить напряжение короткого замыкания в процентах от номинального.

6. Вычислить реальные токи короткого замыкания трансформатора.

Таблица 3.3. Данные режима короткого замыкания

Т-ОБРАЗНАЯ СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Сопротивления трансформаторов необходимы для расчёта токов короткого замыкания и последующего выбора уставок аппаратов защиты в схемах электроснабжения. В случае отсутствия паспортных и справочных данных сопротивления трансформатора находят на основании данных опытов короткого замыкания и холостого хода. Чаще всего при расчёте трансформатор представляется Т-образной схемой замещения одной фазы (рис. 4.1), включающей в себя сопротивления:

– первичной цепи: R₁, X₁, Z₁;

– вторичной цепи: R₂, X₂, Z₂;

– цепи намагничивания: R_μ, X_μ, Z_μ.

Из опытов холостого хода и короткого замыкания известны следующие данные опытов:

– холостого хода: U_1НОМ, U_2НОМ, ΔP_XX, I_1XX, K_ТР;

– короткого замыкания: U_КЗ, ΔP_КЗ;

– под нагрузкой: I_1НОМ, I_2НОМ.

Опыт холостого хода

При расчёте сопротивления трансформатора в режиме холостого хода принимаются следующие допущения:

т.е. потерями напряжения из-за малого тока I_XX и малых сопротивлений R₁, X₁, Z₁, в первичной обмотке в данной схеме (рис. 4.2) можно пренебречь, как и самой обмоткой.

Тогда расчёт оставшихся сопротивлений цепи намагничивания производится по следующим формулам:

Опыт короткого замыкания

В режиме короткого замыкания ввиду малых токов I_μ цепь намагничивания трансформатора в расчётах обычно не учитывают, в этом случае схема замещения выглядит как показано на рис. 4.3.

При расчёте сопротивлений трансформатора в режиме КЗ принимаются следующие допущения:

1) ;

2) Трансформатор считается приведённым — это трансформатор, у которого все вторичные параметры равны всем первичным:

Учитывая допущения схема замещения значительно упрощается (рис. 4.4).

Расчёт сопротивлений Т-образной схемы замещения трансформатора производят по следующим формулам:

Порядок выполнения работы

1. Основываясь на опытах холостого хода и короткого замыкания произвести расчет 9 сопротивлений Т-образной схемы замещения трансформатора. Расчётные данные занести в таблицу 4.1.

2. Произвести расчёт токов короткого замыкания трансформатора через сопротивления схемы замещения.

Таблица 4.1. Параметры Т-образной схемы замещения трансформатора

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Потери мощности, полезная мощность и КПД

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Потери в трансформаторе разделяются на электрические и магнитные.

Электрические потери (потери в меди, потери в обмотках, переменные потери) обусловлены нагревом обмоток трансформаторов при прохождении по этим обмоткам электрического тока. Мощность электрических потерь Р_Э пропорциональна квадрату тока и определяется суммой электрических потерь в первичной Р_1Э и во вторичной Р_2Э обмотках:

где m — число фаз в обмотках трансформатора (для однофазного трансформатора m = 1, для трехфазного m = 3).

Для изготовленного трансформатора электрические потери определяют опытным путём, измерив мощность короткого замыкания:

где b — коэффициент нагрузки (загрузки трансформатора):

Электрические потери называют переменными, т.к. их величина зависит от нагрузки трансформатора.

Магнитные потери (потери в стали, потери в магнитопроводе, постоянные потери) происходят в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь — систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Это перемагничивание вызывает в магнитопроводе два вида магнитных потерь: потери от гистерезиса Р_Г, связанные с затратой энергии на уничтожение остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитопровода, и потери от вихревых токов Р_ВТ, наводимых переменным магнитным полем в пластинах магнитопровода:

При неизменном первичном напряжении магнитные потери постоянны, т.е. не зависят от нагрузки трансформатора.

Для изготовленного трансформатора магнитные потери определяют опытным путём, измерив мощность холостого хода при номинальном первичном напряжении.

Таким образом, активная мощность Р₁, поступающая из сети в первичную обмотку трансформатора, частично расходуется на электрические потери в этой обмотке Р_1Э. Переменный магнитный поток вызывает в магнитопроводе трансформатора магнитные потери Р_М. Оставшаяся после этого мощность, называемая электромагнитной мощностью Р_ЭМ, передаётся во вторичную обмотку, где частично расходуется на электрические потери в этой обмотке Р_2Э:

Активная мощность, поступающая в нагрузку трансформатора:

где — суммарные потери в трансформаторе:

Все виды потерь, сопровождающие рабочий процесс трансформатора, представляются в виде энергетической диаграммы (рис. 5.1).

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Р₂ (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р₁ (подводимая мощность):

Сумма потерь:

Активная мощность на выходе вторичной обмотки трёхфазного трансформатора:

где I₂, U₂ — линейные значения тока и напряжения;

S_НОМ — номинальная мощность трансформатора:

Учитывая, что получаем выражения для расчёта КПД трансформатора:

Из последнего выражения видно, что КПД трансформатора зависит как от величины b, так и от характера нагрузки cosj. Причём даже при малых значениях b КПД трансформатора уже высокий (рис. 5.2).

Кроме КПД по мощности пользуются понятием КПД по энергии, который представляет собой отношение количества энергии, отданной трансформатором потребителю W₂, кВт×ч, в течение года, к энергии W₁, полученной им от питающей электросети за это же время:

КПД по энергии характеризует эффективность эксплуатации трансформатора.

Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся частей его КПД выше, чем у электрических машин. В трансформаторах большой мощности КПД достигает 98...99%

Векторная диаграмма трансформатора

Векторная диаграмма (рис. 5.3) строится исходя из уравнений ЭДС и токов приведённого трансформатора:

Векторная диаграмма — это графическое выражение основных уравнений приведённого трансформатора, она наглядно показывает соотношения и фазовые сдвиги между токами, ЭДС и напряжениями трансформатора.

Параллельная работа трансформаторов

Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа при параллельном соединении их обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах. При параллельном соединении одноименные зажимы трансформаторов присоединяют к одному и тому же проводу сети (рис. 6.1).

Применение нескольких параллельно включенных трансформаторов вместо одного трансформатора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо трансформаторе или отключения его для ремонта. Это также целесообразно при работе трансформаторной подстанции с переменным графиком нагрузки, например, когда мощность нагрузки значительно меняется в различные часы суток. В этом случае при уменьшении мощности нагрузки можно отключить один или несколько трансформаторов для того, чтобы нагрузка трансформаторов, оставшихся включенными, была близка к номинальной. В итоге эксплуатационные показатели работы трансформаторов (КПД и cosj₂) будут достаточно высокими.

Для того чтобы нагрузка между параллельно работающими трансформаторами распределялась пропорционально их номинальным мощностям, допускается параллельная работа двухобмоточных трехфазных трансформаторов при следующих условиях:

1) равенство номинальных напряжений трансформаторов;

2) одинаковая группа соединения обмоток;

3) равенство напряжений короткого замыкания;

4) трансформаторы должны быть сфазированны.

1. Трансформаторы должны иметь одинаковый коэффициент трансформации при одинаковых номинальных напряжениях.При несоблюдении этого условия даже в режиме холостого хода, между параллельно включенными трансформаторами возникает уравнительный ток, обусловленный разностью вторичных напряжений трансформаторов:

где Z_T1, Z_T2 — внутренние сопротивления трансформаторов.

При нагрузке трансформаторов уравнительный ток накладывается на нагрузочный. При этом трансформатор с более высоким вторичным напряжением ХХ (с меньшим коэффициентом трансформации) оказывается перегруженным, а трансформатор равной мощности, но с большим коэффициентом трансформации, недогруженным. Так как перегрузка трансформаторов недопустима, то приходится снижать общую нагрузку. При значительной разнице коэффициентов трансформации нормальная работа трансформаторов становится практически невозможной. Однако ГОСТ допускает включение на параллельную работу трансформаторов с различными коэффициентами трансформации, если разница коэффициентов трансформации не превышает ±0,5% их среднего значения:

где К_ТРC — среднее геометрическое значение коэффициентов трансформации:

2. Трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединения. При несоблюдении этого условия вторичные линейные напряжения трансформаторов окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг друга и в цепи трансформаторов появится разностное напряжение ΔU, под действием которого возникнет значительный уравнительный ток, в 15-20 раз превышающий номинальный ток нагрузки, т.е. возникнет аварийная ситуация.

3. Трансформаторы должны иметь одинаковые напряжения КЗ. Соблюдение этого условия необходимо для того, чтобы общая нагрузка распределялась между трансформаторами пропорционально их номинальным мощностям. С некоторым приближением, пренебрегая токами ХХ, можно параллельно включенные трансформаторы заменить их сопротивлениями КЗ, Z_КЗ1 и Z_КЗ2 и тогда от схемы, показанной на (рис. 6.2, а), можно перейти к эквивалентной схеме (рис. 6.2, б).

Известно, что токи в параллельных ветвях распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям:

Преобразовав выражение, получим:

где S₁, S₂ — фактическая нагрузка трансформаторов;

S_1НОМ, S_2НОМ — номинальные мощности трансформаторов;

U_КЗ1, U_КЗ2 — напряжения КЗ трансформаторов.

Из последнего соотношения следует, что относительные мощности (нагрузки) параллельно работающих трансформаторов обратно пропорциональны их напряжениям КЗ. Другими словами, при неравенстве напряжений КЗ параллельно работающих трансформаторов больше нагружается трансформатор с меньшим напряжением КЗ. В итоге это ведёт к перегрузке одного трансформатора (с меньшим U_КЗ) и недогрузке другого (с большим U_КЗ). Чтобы не допустить перегрузки трансформатора, необходимо снизить общую нагрузку. Таким образом, неравенство напряжений КЗ не допускает полного использования параллельно работающих трансформаторов по мощности.

Учитывая, что практически не всегда можно подобрать трансформаторы с одинаковыми напряжениями КЗ, ГОСТ допускает включение трансформаторов на параллельную работу при разнице напряжений КЗ не более чем 10% от их среднего арифметического значения. Разница в напряжениях КЗ трансформаторов тем больше, чем больше эти трансформаторы отличаются друг от друга по мощности. Поэтому ГОСТ рекомендует, чтобы отношение номинальных мощностей трансформаторов, включенных параллельно, было не более чем 3:1.

4. Трансформаторы должны быть сфазированы. Помимо соблюдения указанных трёх условий, необходимо перед включением трансформаторов на параллельную работу проверить порядок чередования фаз, который должен быть одинаковым у всех трансформаторов.

Соблюдение всех перечисленных условий проверяется фазировкой трансформаторов, сущность которой состоит в том, что одну пару противоположно расположенных зажимов на рубильнике (рис. 6.3) соединяют проводом и вольтметром V₀ (нулевой вольтметр) измеряют напряжение между оставшимися несоединенными парами зажимов рубильника. Если вторичные напряжения трансформаторов равны, их группы соединения одинаковы и порядок следования фаз у них один и тот же, то показания вольтметра V₀ равны нулю. В этом случае трансформаторы можно подключать на параллельную работу. Если вольтметр V₀ покажет некоторое напряжение, то необходимо выяснить, какое из условий параллельной работы нарушено. Необходимо устранить это нарушение и вновь провести фазировку трансформаторов.

Следует отметить, что при нарушении порядка следования фаз вольтметр V₀ покажет двойное линейное напряжение. Это необходимо учитывать при подборе вольтметра, предел измерения которого должен быть не менее двойного линейного напряжения на вторичной стороне трансформаторов.

Общая нагрузка всех включенных на параллельную работу трансформаторов S_ОБЩ не должна превышать суммарной номинальной мощности этих трансформаторов:

Распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами определяется следующим образом:

где S_i — нагрузка одного из параллельно работающих трансформаторов, кВА;

S_ОБЩ — общая нагрузка всей параллельной группы, кВА;

S_НОМi — номинальная мощность данного трансформатора, кВА;

U_КЗi — напряжение КЗ данного трансформатора, %.

Способы регулирования
вторичного напряжения трансформатора

В соответствии с формулой ЭДС регулировать напряжение на вторичной обмотке трансформатора возможно посредством изменения:

– магнитного потока Ф;

– частотой питающего напряжения f;

– числом витков в обмотках w₁, w₂.

Наиболее предпочтительным является регулирование напряжения в трансформаторе посредством изменения числа витков первичной обмотки. Регулировочные ответвления в трёхфазном трансформаторе делают в каждой фазе либо вблизи нулевой точки, либо посередине обмотки высшего напряжения. В первом случае на каждой фазе делают по три ответвления, при этом среднее ответвление соответствует номинальному коэффициенту трансформации, а два других — коэффициентам трансформации, отличающимся на ±5%. Во втором случае обмотку разделяют на две части и делают шесть ответвлений. Это даёт возможность кроме номинального коэффициента трансформации получить ещё четыре дополнительных значения, отличающихся от номинального на ±2,5 и ±5%.

В трёхфазном трансформаторе используется два вида устройства для регулирования напряжения:

ПБВ — переключение без возбуждения (без нагрузки);

РПН — регулирование под нагрузкой.

Разделительные трансформаторы

Разделительные трансформаторы применяются для разделения электрических цепей с целью обеспечения повышенной электробезопасности. Разделительный трансформатор может быть составлен из двух силовых трансформаторов, один из которых понижает напряжение сети, а второй пропорционально повышает (рис. 7.1, а), что эквивалентно трансформатору, в котором первичная и вторичная обмотки имеют одинаковое количество витков, соответственно на вторичной обмотке наводится напряжение, равное напряжению в первичной обмотке (рис. 7.1, б). Такие трансформаторы устанавливают в помещениях с повышенной влажностью (душевых комнатах).

Разделение электрических цепей позволяет повысить электробезопасность для человека в случае непреднамеренного прикосновения его к токоведущим частям (рис. 7.2).

В этом случае, за счёт большего сопротивления магнитной цепи, ток, проходящий через тело человека (ток утечки), будет очень мал, что не приведёт к летальному исходу.

Измерительные трансформаторы тока

Измерительные трансформаторы тока (TA) служат для пропорционального снижения первичного тока во вторичный и для изоляции вторичных цепей от первичных. Снижение первичного тока необходимо для снижения габаритов измерительных приборов. Все TA должны иметь маркировку первичных и вторичных цепей. Начало и конец первичной обмотки обозначаются соответственно Л1 и Л2, а вторичной — И1 и И2. В условном обозначении TA отражается наличие двух обмоток.

В отличие от силовых трансформаторов и трансформаторов напряжения, для трансформаторов тока номинальным является режим короткого замыкания вторичной обмотки, а опасным — режим холостого хода, когда нарушается целость вторичной цепи. Это обуславливается принципом действия трансформатора тока (рис. 7.3). Ток нагрузки потребителей I₁ протекает по первичной обмотке c числом витков w₁. Этот ток создает МДС I₁w₁. Под действием этой МДС через магнитопровод замыкается магнитный поток Ф₁. Магнитный поток Ф₁ индуцирует во вторичной обмотке с числом витков w₂ ЭДС E₂.

При замыкании вторичной обмотки на сопротивление во вторичной цепи протекает ток I₂, этот ток создает свою МДС I₂w₂ и свой магнитный поток Ф₂, который, по правилу Ленца, направлен навстречу потоку Ф₁.

Суммарный магнитный поток Ф_СУМ, проходящий через магнитопровод, равен разности магнитных потоков Ф₁ и Ф₂:

Ф_СУМ, на который рассчитывается магнитопровод, по величине намного меньше потока Ф₁, и амплитуда синусоиды вторичной ЭДС имеет небольшое значение. Соответственно небольшое напряжение будет на нагрузке во вторичной цепи. Так, при Z_2НАГР = 0,6 Ома и номинальной нагрузке в первичной цепи:

Такое напряжение не представляет опасности для обслуживающего персонала, даже если он прикасается одновременно к двум выводам вторичной цепи трансформатора тока.

Если разрывается вторичная цепь трансформатора тока, когда по первичной цепи протекает номинальный ток — ток потребителей, то исчезает поток, создаваемый вторичной обмоткой Ф₂, а через магнитопровод пытается пройти поток Ф₁. Поскольку сечение магнитопровода не рассчитано на пропускание такого большого магнитного потока, то магнитопровод насыщается и нагревается. Внешне это проявляется в почернении магнитопровода из-за обугливания межлистовой изоляции. От магнитопровода нагреваются обмотки, их изоляция обугливается.

Кроме этого, при разрыве вторичной обмотки в месте разрыва появляется высокое напряжение, достигающее по амплитуде нескольких кВ. Это вызывается тем, что в момент перехода магнитного потока Ф₁ через нулевое значение скорость изменения магнитного потока резко увеличивается по сравнению с Ф_СУМ. Тогда на вторичной обмотке наводится ЕДС:

Трансформатор тока превращается в своеобразный пик-трансформатор. ЭДС наводится только в моменты перехода магнитного потока через нулевое значение. Пики ЭДС достигают величины нескольких кВ. Включение человека в цепь разорванной вторичной обмотки приводит к поражению электрическим током.

Соответственно основное назначение измерительного трансформатора тока:

– расширения пределов измерения по току;

– обеспечение электробезопасности обслуживающего персонала при эксплуатации КИП за счёт разделения первичной обмотки и вторичной большим сопротивлением R_ИЗ.

Большинство щитовых приборов для подстанций и электростанций изготавливаются на номинальный ток 5 А, поэтому и номинальный вторичный ток TA составляет 5 А. Важной характеристикой TA является коэффициент трансформации, который показывает отношение первичного тока ко вторичному, например 100/5 (произносят 100 на 5).

Измерительные трансформаторы напряжения

По принципу действия трансформаторы напряжения (TV) ничем не отличаются от силовых трансформаторов, только специальной конструкцией обеспечивается большая точность в преобразовании первичного напряжения во вторичное. В последнее время трехфазный TV выполняют в виде трехфазной группы из трех однофазных TV, помещенных в один бак с трансформаторным маслом. В эксплуатации находится много пятистержневых TV. Масло обеспечивает изоляцию токоведущих частей от корпуса и охлаждение обмоток за счет естественной циркуляции масла. Выпускаются также TV с литой изоляцией. Класс точности TV не превышает 0,5 при допустимой нагрузке на вторичной обмотке.

Каждая фаза TV имеет одну первичную обмотку с числом витков w₁ и две вторичных обмотки с числами витков w₂ и w₃. Соединение обмоток соответственно «звезда с нулем», «звезда с нулем», «разомкнутый треугольник» (рис. 7.4). Нулевая точка первичной обмотки обязательно должна быть заземлена, иначе не будет контролироваться состояние изоляции сети 10 кВ. Вторичная обмотка w₂ имеет номинальное линейное напряжение 100 В и служит для питания цепей напряжения измерительных приборов. Другая вторичная обмотка w₃ является фильтром напряжения нулевой последовательности. В нормальном режиме работы сети на выводах обмотки w₃ наблюдается небольшое напряжение небаланса, а напряжение до 100 В появляется на этих выводах при повреждении изоляции в силовой сети.

Соотношение напряжений на фазах трансформатора:

Для измерения уровня напряжения на шинах подстанции ко вторичной обмотке w₂ трансформатора напряжения подключается вольтметр.

Трансформаторы напряжения (TV) устанавливаются на каждой секции распределительного устройства подстанции. Подключение к шинам секции осуществляется через предохранитель и разъединитель. Предохранитель с кварцевым заполнением обеспечивает защиту трансформаторов напряжения от токов КЗ за TV на шинках 100 В и внутри TV.

Выбор TV осуществляется по допустимой нагрузке, чтобы обеспечить необходимый класс точности. Для этого необходимо знать сопротивление или собственное потребление подключаемых приборов и выполнять условие:

где S_доп.TV — нагрузка, допустимая для принимаемого класса точности;

S₁, S₂, S_N — нагрузка, создаваемая измерительными приборами.

Таким образом, трансформаторы напряжения на подстанции 35/10 кВ устанавливаются на каждой секции 10 кВ.

С помощью TV выполняется:

– измерение уровня фазного и л