10.3.2. Опыт короткого замыкания трансформатора
Опыт короткого замыкания трансформатора проводят при пониженном напряжении на первичной обмотке, номинальном вторичном токе I2к = I2ном и короткозамкнутой вторичной обмотке.
Условие проведения опыта – напряжение (U1к) первичной обмотки должно составлять от 5 до 12 % U1ном, а ток вторичной обмотки не должен превышать I2ном. (рис. 78). Этот опыт служит для определения важнейших параметров трансформатора: мощности потерь в проводах обмоток, внутреннего падения напряжения и т. п.
Уравнение равновесия трансформатора при коротком замыкании следующее:
так как U2к = 0.
Действующее значение E2к составляет 2–5 % E2 в рабочем режиме. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток в сердечнике, а вместе с ним намагничивающий ток и мощность потерь в магнитопроводе, пропорциональная Ф 2 . Следовательно, можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность P1к трансформатора равна мощности потерь в проводах первичной и вторичной обмоток, а потерями в стали сердечника (из-за их относительной малости) можно пренебречь.
P1к = R1 I1к 2 + R2 I2к 2 = R1 I1к 2 + . (10.1)
Так как намагничивающим током 
ввиду его малости можно пренебречь, то на основании уравнения (10.1) 
.
,
где Rк – активное сопротивление короткого замыкания трансформатора.
По мощности потерь в трансформаторе при коротком замыкании вторичной обмотки и номинальном значении первичного тока определяется активное сопротивление короткого замыкания трансформатора
.
Чтобы обеспечить минимальные размеры трансформатора, конструкторы выбирают такие плотность тока в проводах и индукцию в магнитопроводе, которые соответствуют предельно допустимой температуре нагревания при работе трансформатора. По этой причине для определения мощности потерь в обмотках нагруженного трансформатора значение Rк, найденное из опыта короткого замыкания должно быть пересчитано (приведено к температуре 75 С).
Индуктивное сопротивление короткого замыкания можно считать не зависящим от температуры, поэтому оно определяется непосредственно из результатов опыта
.
Зная Rк, xк, Zк, можно определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания (Uк.а и Uк.р).
Напряжение короткого замыкания U1к является важным параметром трансформатора, на основании которого определяются изменения вторичного напряжения нагруженного трансформатора. Этот параметр должен указываться на щитке трансформатора и в его паспорте.
10.3.3. Режим работы трансформатора под нагрузкой
Режим работы трансформатора под нагрузкой – это режим работы трансформатора, при котором на его вторичную обмотку подключается потребитель с изменяющейся величиной тока (рис. 79).
Уравнения равновесия приведенного трансформатора:
;
,
где – приведенные значения напряжения, ЭДС и тока вторичной обмотки.
Выведем уравнение намагничивающих сил трансформатора. Если при режиме холостого хода поток в сердечнике
,
где 
– комплексное значение тока холостого хода в первичной обмотке; 
– число витков первичной обмотки; 
– магнитное сопротивление, то при нагрузке
,
где 
– ампер-витки первичной обмотки; 
– ампер-витки вторичной обмотки.
Исходя из принципа саморегулирования трансформатора, необходимо, чтобы поток холостого хода всегда равнялся бы потоку в сердечнике при рабочем режиме для любой нагрузки (Ф0 = Ф), тогда можно записать:
.
Если разделить последнее выражение на число витков первичной обмотки w1, получим
,
где – обратная величина коэффициента трансформации К. Обозначим
–,
где – приведенное значение тока во вторичной обмотке.
Учитывая вышесказанное, уравнение токов имеет вид
.
На основании последнего уравнения и двух уравнений равновесия приведенного трансформатора можно построить векторную диаграмму нагруженного трансформатора.
Опыт короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания трансформатора
Опыт короткого замыкания производится на приемо-сдаточных испытаниях при выпуске с завода каждого трансформатора. Но не нужно думать, что у каждого трансформатора при этом на полном рабочем напряжении закорачивают вводы вторичной или первичной обмоток, т. е. создают аварийные режимы. Испытания, при которых искусственно создаются аварийные режимы, производятся только на одном представителе целой серии аналогичных трансформаторов и входят в состав типовых испытаний трансформатора. Задача этих испытаний — проверить электродинамическую стойкость типовой конструкции того или иного трансформатора. Задача опыта короткого Замыкания при приемо-сдаточных испытаниях на заводе — оценить потери в обмотках и конструкции, а также потоки рассеяния в трансформаторе.
Опыт короткого замыкания производится при пониженном первичном напряжении, величина которого определяется из следующих соображений. Допустим, что у трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой (рисунок 1) и с токами I1K и I2K, в 10—20 раз большими токов I1 и I2, снизили первичное напряжение U1. Очевидно, и токи в обмотках тоже уменьшатся. Если напряжение U1 уменьшить, например, в 3—5 раз, то во столько же раз уменьшатся и токи I1K и I2K. Другими словами, можно установить
напряжение U1 такой величины, что токи I1K и I2K станут равными своим значениям при нормальной работе трансформатора, т. е. I1K = I1 и I2K = I2.
1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — магнитопровод
Рисунок 1 — Короткое замыкание вторичной обмотки двухобмоточного трансформатора
Напряжение, которое надо приложить к одной из обмоток (при другой короткозамкнутой), чтобы в обмотках установились номинальные токи I1 и I2, называют напряжением короткого замыкания и обозначают UK. Напряжение короткого замыкания обычно выражают в процентах от первичного напряжения U1:
Величиной uK и оценивают потоки рассеяния, а также их влияние на работу трансформатора.
Чтобы показать непосредственную связь между uK и рассеянием, представим, что в трансформаторе с определенными uK (например, 5%) нам удалось каким-то образом «раздвинуть» обмотки. Тотчас же амперметр в цепи первичной обмотки 1 покажет снижение тока I1K, хотя напряжение, показанное вольтметром, останется неизменным (5% от U1). Однако оно уже не будет равным uK, так как токи в обмотках понизились и стали меньше своих номинальных значений. Чтобы восстановить их величину, надо повысить напряжение до величины u`K, большей uK (например, до 8% от U1). Значит, при увеличении расстояния между обмотками uK растет.
Увеличение канала между обмотками увеличивает поток рассеяния, замыкающийся по воздуху вокруг обмоток. Соответственно увеличиваются эдс рассеяния Ер1 и Eр2 и, следовательно, индуктивные сопротивления обмоток. Вследствие этого токи в обмотках уменьшаются, и чтобы повысить их до нормальных значений, надо увеличить первичное напряжение до u`K. Рассуждая точно так же, можно установить, что при уменьшении расстояния между обмотками напряжение короткого замыкания снижается.
Чем больше uK, тем меньше ток короткого замыкания, следовательно, медленнее растет температура обмоток, по которым течет этот ток, и тем меньше опасность разрушительных механических усилий. В то же время чем больше uK, тем больше рассеяние, что увеличивает потери в конструкции и падение напряжения в обмотках. Следствием этого является снижение кпд и отдаваемой трансформатором мощности.
Зная величину uK, очень просто определить ток короткого замыкания в обмотке. Действительно, ток I1K будет во столько раз больше номинального тока I1, во сколько первичное напряжение U1 больше UK, т. е.
Учитывая, что uK обычно выражают в процентах от U1, получим
Так, если uK равно 5%, то ток I1K в 100/5 = 20 раз больше тока I1 при нормальной работе трансформатора.
Испытание мощных трансформаторов и реакторов — Опыт короткого замыкания
Опыт короткого замыкания (КЗ) служит для проверки потерь и напряжения КЗ.
Опытом КЗ называют испытание, при котором одну из обмоток трансформатора, обычно низшего напряжения, замыкают накоротко, а другую питают от источника переменного (периодического) тока при номинальной частоте (допустимое отклонение частоты от номинальной не более 1%) и пониженном (против номинального) напряжении при разомкнутых остальных обмотках и при токах в паре обмоток, не превышающих существенно их номинальные значения [Л. 2-1].
Напряжение, которое нужно подвести при опыте КЗ к одной из обмоток пары, чтобы в этой обмотке установился ток, соответствующий меньшей из номинальных мощностей обмоток пары, называют напряжением КЗ и выражают в процентах номинального напряжения питаеМОй обмотки
Потери, измеренные в указанных условиях и приведенные к расчетной температуре, называют потерями КЗ. Для двухобмоточного трансформатора понятие «потери и напряжение КЗ пары обмоток» совпадает с понятием «потери и напряжение КЗ трансформатора». Исключением является трансформатор с обмоткой ПН, состоящей из двух или большего числа гальванически не связанных частей, который согласно [Л. 2-1] можно рассматривать как многообмоточный трансформатор. Для трехобмоточного трансформатора проводят опыт КЗ для. трех пар обмоток: ВН и СП; ВН и НН; СН и НН, а для трансформатора о расщепленной на две части обмоткой НН (НН1 и НН2) проводят опыт для следующих пар обмоток: ВН и HH1; ВН и НН2; HH1 и НН2.
За расчетную условную температуру, к которой должны быть приведены потери и напряжения КЗ, принимают для всех масляных и сухих трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости А, Е, В 75°С [Л. 1-3].
Данные опыта КЗ необходимы в следующих случаях: 1) определение превышения температур масла и обмоток трансформатора при испытании на нагрев (гл. 12); 2) расчет или испытание трансформатора на стойкость при КЗ; 3) определение к. п. д. трансформатора; 4) расчет и определение возможности параллельной работы данного трансформатора с другими; 5), расчет изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке.
Потери и напряжение КЗ являются величинами, определяемыми для каждого отдельного трансформатора, они зависят от его типа. Их числовые значения и допуски даются в стандартах или технических условиях на трансформаторы. Так, для трансформаторов общего назначения класса напряжения 330 кВ эти значения указаны в ГОСТ 17545-72 [Л. 7-1].
б) Общие условия испытания
При операционных или специальных электромагнитных испытаниях методом КЗ опыт производят после второй сборки трансформатора с целью определения
потерь и напряжения КЗ без бака или измерения полей рассеяния в различных местах активной части трансформатора. При приемо-сдаточных испытаниях опыт КЗ производят, на собранном и залитом маслом трансформаторе. При квалификационных и периодических испытаниях на нагрев методом КЗ трансформатор собирается полностью вместе с системой охлаждения (гл. 12).
Результаты измерения потерь и напряжения КЗ практически не зависят от того, с какой стороны подводится питание. Поэтому из соображений удобства испытания на двухобмоточных трансформаторах замыкают накоротко обмотку НН, а питание подводят к обмотке ВН. Па трехобмоточных трансформаторах при опыте КЗ пары обмоток ВП и СН напряжение подают на обмотку СН при замкнутой накоротко обмотке ВН.
Перед опытом КЗ должно быть обеспечено надежное замыкание накоротко соответствующей обмотки, а также зажимов всех вторичных обмоток ТТ, встроенных в трансформатор. Замыкание вводов замыкаемой накоротко обмотки следует делать как можно тщательнее, применяя короткие медные провода или шины, сечение которых должно быть не менее сечения токоведущей шпильки или шины ввода этой обмотки.
Согласно [Л. 1-3] при испытании каждого первого образца трансформаторов данного типа плотности тока в подводящих проводах и в проводах, применяемых для выполнения КЗ обмоток, при проведении опытов не должны быть более 1,8 в медных и 1,2 А/мм2 в алюминиевых.
При приемо-сдаточных испытаниях опыт КЗ производят на ступени номинального напряжения, а при квалификационных и периодических испытаниях, кроме того, на ступенях максимального и минимального напряжения обмоток. Перед опытом устройства переключения ответвлений обмоток должны быть установлены на требуемые ступени, а их приводы должны быть застопорены. При неправильной установке приводов устройств, например ПБВ, между подвижными и неподвижными контактами переключателя может образоваться небольшой зазор. Напряжение КЗ при опыте может оказаться достаточным для пробоя зазора между контактами, а возникающая между ними электрическая дуга может вызвать повреждение (оплавление) контактов.
в) Потери КЗ
Активную мощность Ркϑ, измеренную при опыте КЗ с температурой обмоток ϑ, СС, принято считать условно (для удобства расчетов) состоящей из следующих слагаемых: 1) основных потерь в обмотках и других токоведущих частях трансформатора Σ, определяемых током данной обмотки или токоведущей части и ее электрическим сопротивлением, измеренным при постоянном токе; 2) добавочных потерь в опыте КЗ Рдобϑ, определяемых как разность потерь Ркϑ— Σ, измеренных при определенном токе в опыте КЗ, и основных потерь в токоведущих частях, определенных при том же токе.
Добавочные потери при опыте КЗ имеют две слагаемые: а) потери в токоведущих частях, вызванные полем рассеяния; б) потери от гистерезиса и вихревых токов, возникающие в металлических элементах конструкций трансформатора от воздействия поля рассеяния. Кроме того, в добавочные потери могут входить потери от циркулирующих токов, наведенных полем рассеяния и замыкающихся в параллельно соединенных ветвях обмоток трансформатора.
Согласно (Л. 1-31) основные потери в обмотках определяют вычислением, исходя из данных измерения электрического сопротивления обмоток постоянному току. Для однофазного трансформатора эти потери равны, Вт:
(7-2)
где I1-2 — номинальные токи обмоток, участвующих в опыте; r1ϑ, r2ϑ — электрические сопротивления постоянному току этих обмоток при температуре ϑ, °G.
У трехфазного трансформатора основные потери пары обмоток, участвующих в опыте, вычисляются по формулам:
где I1, I2 —линейные токи трансформатора; r — междуфазные электрические сопротивления обмоток, измеренные на линейных вводах при температуре ϑ, °С; Iф1, Iф2 —фазные токи обмоток; rф1ϑ, rфϑ2 — фазные сопротивления обмоток при температуре °С.
При подсчете основных потерь в автотрансформаторах ток последовательной обмотки принимается равным току обмотки ВН, а ток общей обмотки — разности токов СН и ВН.
Междуфазное электрическое сопротивление при соединении фаз в треугольник равно: 
.*
а при соединении в звезду: 
Добавочные потери Рдобϑ определяют вычитанием из потерь КЗ Ркϑ потерь в обмотках Σ, вычисленных по (7-2) или (7-3). Следовательно, 
(7-4)
Таким образом, измерение потерь КЗ требуется, по существу, для определения добавочных потерь, так как основные потери в обмотках легко определяется вычислениями по данным измерений электрического сопротивления обмоток.
г) Мощность, требуемая для опыта КЗ
Полная мощность SK, потребляемая трансформатором при опыте КЗ в номинальных условиях, равна, МВ-А:
(7-5)
где Рн — номинальная мощность испытываемого трансформатора, МВ-А; % — напряжение КЗ, %.
Активная мощность Рк, необходимая для опыта КЗ, и коэффициент мощности нагрузки φн связаны соотношением:
(7-6)
где Рк — потери КЗ, кВт; Рн — номинальная мощность трансформатора, МВ-А; ик — напряжение КЗ, %.
В табл. 7-1 приведены значения cosφ и SK при опытах КЗ трехфазных двухобмоточных трансформаторов класса 330 кВ, вычисленные по данным ГОСТ 17545-72 [Л. 7-1].
Коэффициент мощности cosφK и полная мощность SK при опытах КЗ трансформаторов класса 330 кВ
Мощность источника питания, например испытательного генератора 50 Гц, должна быть больше мощности, требуемой для опыта КЗ, так как не всегда можно использовать генератор при его номинальном токе и напряжении для получения необходимого диапазона токов и напряжений, даже с применением промежуточного трансформатора.
Кроме того, испытываемый трансформатор может иметь напряжение КЗ, большее, чем указано и табл. 7-1, например трансформаторы класса 500 кВ по ГОСТ 17544-72 [Л. 5-1], при этом с положительным допуском + 10% согласно ГОСТ 11677-75 [Л. 1-1].
Из табл. 7-1 следует, что активная мощность КЗ Рн весьма мала по сравнению с полной мощностью SK. Поэтому измерение потерь КЗ мощных трансформаторов имеет специфические особенности (§ 5-5).
Испытание трансформатора на короткое замыкание
Испытание трансформатора на короткое замыкание также называется нагрузочным испытанием, которое используется для измерения потерь при коротком замыкании и напряжения импеданса при номинальном токе. Во время испытания сторона низкого напряжения замыкается накоротко, а на сторону высокого напряжения подается напряжение. Испытательный ток — это номинальный ток стороны высокого напряжения, а испытательный ток небольшой. В это время запишите напряжение и ток на стороне высокого напряжения, а затем рассчитайте потери при коротком замыкании и напряжение импеданса.
Напряжение короткого замыкания также называют напряжением импеданса. Напряжение короткого замыкания является основным параметром трансформатора, который измеряется при испытании на короткое замыкание: это процент отношения приложенного первичного напряжения к номинальному первичному напряжению, когда вторичный ток короткого замыкания трансформатора достигает вторичного номинального тока.
Почему потери, измеренные при испытании трансформатора на короткое замыкание, можно рассматривать как потери сопротивления обмотки?
Поскольку напряжение, прикладываемое при испытании на короткое замыкание, очень мало, а плотность магнитного потока в железном сердечнике очень мала, потерями в железном сердечнике по отношению к потерям сопротивления в обмотке можно пренебречь. Следовательно, потери, измеренные при испытании трансформатора на короткое замыкание, можно рассматривать как потери сопротивления обмотки.
Какова цель испытания трансформатора на короткое замыкание?
Путем измерения потерь при коротком замыкании и напряжения импеданса можно определить условия параллельной работы трансформатора, рассчитать КПД, термическую и динамическую стабильность трансформатора, можно рассчитать скорость изменения напряжения вторичной обмотки трансформатора. рассчитано, и можно определить повышение температуры трансформатора. При испытании трансформатора на короткое замыкание дефекты, которые могут быть обнаружены, включают чрезмерные дополнительные потери и локальный перегрев, вызванные магнитным потоком рассеяния в конструктивных частях трансформатора (экране, прижимном кольце, кольце конденсатора, пластине балки ярма, д.) или стенки маслобака, чрезмерные потери и локальный перегрев комплектующих, таких как крышка маслобака или фланец втулки, межвитковое замыкание реактивной обмотки с регулировкой напряжения нагрузки, короткое замыкание между параллельными проводниками в низковольтная обмотка большого силового трансформатора или ошибка перестановки. Эти дефекты могут значительно увеличить дополнительные потери. Измерив импедансное напряжение, можно обнаружить, что короткое замыкание происходит на выходе трансформатора и изменяется внутренняя геометрия трансформатора. Тем не менее, следует отметить, что при испытании на потерю нагрузки локальное короткое замыкание стального листа из кремнистой стали не может быть обнаружено.
Каковы меры предосторожности при испытании трансформатора на короткое замыкание?
Меры предосторожности при проверке трансформатора на короткое замыкание:
(1) Во время испытания как обмотка под давлением, так и короткозамкнутая обмотка должны быть помещены в самое верхнее положение отвода. Для первого испытания методом реактивного сопротивления импеданс короткого замыкания также должен быть измерен в месте ответвления, отмеченном значением импеданса короткого замыкания (или измеренным значением в протоколе заводских испытаний) на паспортной табличке трансформатора. Обнаружение после внешнего короткого замыкания может увеличить обнаружение положения ответвления обмотки во время короткого замыкания.
(2) Мощность источника питания, мощность оборудования и счетчики должны выбираться обоснованно. Как правило, счетчики не должны быть ниже уровня 0.5. Испытательный источник питания должен иметь достаточную мощность.
(3) Во время испытания все зажимы на стороне, не находящейся под давлением, измеряемой пары обмоток должны быть закорочены в первую очередь. Суммарное полное сопротивление проводки короткого замыкания и ее контактное сопротивление не должны превышать 0,1 процента эквивалентного полного сопротивления измеренной обмотки на стороне короткого замыкания. Короткая линия, используемая на стороне низкого напряжения, должна иметь хороший контакт с трансформатором, а ток, потребляемый площадью поперечного сечения короткой линии (плотность тока обычно составляет 2,5 А/мм2), должен быть не менее ток, подаваемый во время испытания, и проводник должен быть как можно короче.
(4) Чтобы избежать влияния падения напряжения в линии тока во время испытания, напряжение ваттметра и вольтметра следует снимать с клеммы трансформатора.
(5) Проводник, используемый для испытания, должен иметь достаточную площадь поперечного сечения и быть как можно короче. Соединение должно быть с хорошим контактом.
(6) Во время испытания при номинальном токе более 25 % показания счетчика должны сниматься быстро, чтобы избежать влияния нагрева обмотки на точность измерения.
(7) Испытание обычно проводится в холодном состоянии. Для трансформатора, только что вышедшего из строя, испытание можно проводить только тогда, когда температура обмотки падает до температуры масла. После испытания результаты должны быть переведены в номинальную температуру.
(8) Испытание на короткое замыкание необходимо проводить при номинальной частоте (50 Гц ± 5 процентов) и номинальном токе. Если требования не могут быть выполнены, результаты должны быть преобразованы в номинальное значение после испытания.
(9) Перед испытанием на короткое замыкание трансформатор тока в корпусе трансформатора должен быть замкнут накоротко во второй раз. Перед испытанием повторно проверьте правильность и надежность испытательной проводки, достаточно ли безопасное расстояние и надежно ли заземлены корпус и вторичная цепь тестируемого оборудования.