7. Контрольные вопросы

1. Объясните устройство и принцип действия трансформатора

2. Что такое коэффициент трансформации и как его определить опытным путем?

3. Почему с увеличением первичного напряжения при опыте х.х. уменьшается коэффициент мощности трансформатора?

4. Почему мощность х.х. принимают за магнитные потери, а мощность к.з. – за электрические.

5. Почему при опыте к.з. ток в первичной обмотке достигает номинального значения при напряжении в несколько арз меньшем номинального?

6. Объясните физический смысл сопротивлений R₀ и X_0.

7. Почему при нагрузке β > β_max КПД трансформатора уменьшается?

8. Чем определяется величина магнитного потока трансформатора?

9. Обьясните назначение ферромагнитного сердечника трансформатора.

10. Что относится к паспортным данным трансформатора?

11. Что такое внешние характеристики трансформатора и поясните их зависимость от характера нагрузки?

12. С какой целью производят приведение параметров трансформатора?

13. Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной нагрузке?

14. Назначение Т-образной схемы трансформатора и методика определения ее параметров?

15. Какие уравнения описывают рабочий процесс в трансформаторе? Объясните их физическую сущность.

16. Почему при увеличении тока во вторичной обмотке возрастает ток в первичной обмотке?

17 Объясните физический смысл индуктивных сопротивлений обмоток трансформатора.

18. Как найти значение β, при котором КПД трансформатора будет иметь наибольшее значение?

5. Работа №2. Опытное определение групп соединения трехфазного двухобмоточного трансформатора

5.1. Цель работы

Экспериментально подтвердить теоретические сведения о группах соединения трансформаторов и приобрести практические навыки по опытному определению групп соединения трехфазных трансформаторов.

5.2. Теоретическая часть

Трёхфазным трансформатором называется электромагнитный аппарат, преобразующий систему переменного трёхфазного тока при постоянной частоте питающей сети и состоящий из шести индуктивно связанных катушек.

В зависимости от устройства сердечника трансформатора различают:

а) трансформаторы с независимыми магнитными системами (группа из трёх однофазных трансформаторов); б) трансформаторы со связанными магнитными системами (один трехстержневой трансформатор, который используется при выполнении данной лабораторной работы). Устройство такого трансформатора показано на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Устройство трехстержневого трансформатора

При преобразовании группы из трёх однофазных трансформаторов в один трех стержневой несколько уменьшается длина магнитной цепи, поэтому возникает небольшая магнитная несимметрия контуров, по которым проходят потоки отдельных фаз, что вызывает несимметрию токов холостого хода этих фаз. Несимметрия сказывается, главным образом, в трансформаторах малой мощности, где ярмо играет относительно большую роль. В трансформаторах большой мощности несимметрия заметно сглаживается. При нагрузке ток холостого хода оказывает небольшое влияние на токи в первичных и вторичных обмотках. В результате при симметричном питающем напряжении и равномерной нагрузке все фазы трёхфазного трансформатора находятся практически в одинаковых условиях. Поэтому выведенные формулы, построенные схемы замещения и графические зависимости, полученные для однофазного трансформатора, справедливы и для трёхфазного трансформатора. Однако в режиме холостого хода, на который большое влияние оказывает схема соединения обмоток, имеются особенности.

Схемы соединения обмоток трансформаторов. Начала и концы обмоток трансформаторов обозначаются в соответствии с данными приведенными в табл. 5.1. Зажимы нулевой точки (нейтрали) при соединении в звезду обозначаются О, О_m, о.

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяются либо в звезду (Y), либо в треугольник (Δ).

Таблица 5.1

Наименование обмоток	Однофазные трансформа-торы	Трехфазные трансформа- торы
Обмотки высшего напряжения начала……………………………… концы………………………………. Обмотки низшего напряжения начала……………………………… концы………………………………. Обмотки среднего напряжения начала……………………………… концы……………………………….	А X а x Am Xm	А, В, С X, Y, Z a, b, с x, y, z Am, Bm, Cm Xm, Ym, Zm

На подстанциях электрических сетей и электростанциях преимущественно применяют трехфазные двух- и трехобмоточные трансформаторы. При большой мощности используют однофазные трансформаторы соединенные в трансформаторные группы.

Условные обозначения понижающих и повышающих трансформаторов и автотрансформаторов в схемах электрических систем электроснабжения показаны на рис. 5.2.

Рис. 5. 2. Условные обозначения трансформаторов

и автотрансформаторов на схемах:

а, б – двухобмоточные нерегулируемые; в – регулируемый; г – трехобмоточный

регулируемый; д – автотрансформатор; е, ж – регулируемый и нерегулируемый

двухобмоточные трансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения

Стрелки обозначают электрическую нагрузку S₁ и S₂ на шинах (выводах) высшего U₁ и низшего напряжения U₂ двухобмоточных трансформаторов (рис. 5.2, а, б, в). В случае трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов стрелки обозначают электрические нагрузки S₁, S₂ и S₃ на шинах высшего U₁, среднего U₂ и низшего U₃ напряжений (рис. 5.2, г, д). Другая стрелка символизирует наличие регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Отсутствие стрелки означает, что трансформатор снабжен устройством изменения напряжения ПБВ (переключатель без возбуждения) и изменение напряжения осуществляется при отключенном трансформаторе от сети.

В двухобмоточных трансформаторах обмотки высшего напряжения (ВН) 6–35 кВ соединены в звезду (с изолированной или выведенной нейтралью), а обмотки низшего напряжения (НН) 0,4/0,23 кВ соединены в звезду с выведенной нейтралью (рис. 5.3). При более высоком напряжении обмоток (ВН 110,150, 220 кВ) обмотку НН (6–10 кВ) соединяют в треугольник (рис. 5.4).

Рис. 5. 3. Схема соединения обмоток трансформатора

звезда-звезда и векторная диаграмма напряжений

В трехобмоточных трансформаторах (ВН 110, 150, 220 кВ) обмотки ВН и СН соединены соответственно в звезду с выведенной и изолированной нейтралью. Обмотку НН при напряжении 6, 10, 20 кВ соединяют в треугольник (рис. 5.5).

Рис. 5. 4. Схема соединения обмоток трансформатора

звезда-треугольник и векторная диаграмма напряжений

Рис. 5. 5. Схемы соединений обмоток трехобмоточного

трансформатора звезда с нулем–звезда-треугольник

с соответствующими векторными диаграммами

В автотрансформаторах (ВН 150, 220, 330, 500, 750 кВ) общие обмотки соединены в звезду с обязательным глухим заземлением нейтрали (рис. 5.6).

Рис. 5. 6. Схемы соединения обмоток автотрансформатора

и соответствующие векторные диаграммы напряжений

Соединение обеих обмоток трехфазного трансформатора звездой наиболее простое и дешевое. В этом случае каждая из обмоток и ее изоляция при глухом заземлении нейтральной точки должны быть рассчитаны на фазное напряжение и линейный ток. Так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то при соединении звездой для каждой из обмоток необходимо меньшее число витков, но большее сечение проводов с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение. Соединение в звезду облегчает работу изоляции обмоток, находящихся под воздействием фазного напряжения.

Соединение в треугольник необходимо для обеспечения качественных показателей напряжения в результате подавления третьей гармоники фазного напряжении и поведения трансформатора при несимметричных нагрузках. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже соединение треугольником. Соединение обмоток треугольником конструктивно оправдано при больших токах. По этой причине соединение Y/Δ можно считать наиболее распространенным для трансформаторов большой мощности, если на стороне низшего напряжения не нужен нейтральный провод.

В некоторых случаях применяется также соединение обмоток по схеме зигзага, когда фаза обмотки разделяется на две части, которые располагаются на разных стержнях и соединяются последовательно. Из-за повышенного расхода обмоточного провода (на 15%) данное соединение используется в специальных случаях, когда возможна неравномерная нагрузка фаз с наличием токов нулевой последовательности.

Группы соединений обмоток. Для включения трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами и применении измерительных трансформаторов весьма важное значение имеет значение сдвиг фаз между э.д.с. первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединений обмоток. При определении группы соединений трансформатора первичным напряжением считается его высшее напряжение, а вторичным – низшее.

На рис. 5.7, а показаны обмотки однофазного трансформатора, намотанные по левой винтовой линии и называемые поэтому «левыми», причем у обеих обмоток начала А, а находятся сверху. Обмотки сцепляются с одним и тем же потоком. Вследствие этого э. д. с. Этих обмоток в каждый момент времени действуют в одинаковых направлениях – от концов к началам или наоборот, т. Е. они одновременно положительны или отрицательны. Поэтому э. д. с. Е_А и Е_а совпадают по фазе, как показано на рис. 5. 7, а. Если же у одной из обмоток переменить начало и конец (рис. 5. 7, б), то ее э. д. с. Е_а в этом случае будет действовать от начала к концу. Будем считать э. д. с. положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу. Таким образом э. д. с. Е_а по отношению к э. д. с. Е_А будет иметь сдвиг 180^о. Такой же результат получится, если на рис. 5. 7, а одну из обмоток выполнить «правой».

Рис. 5. 7. Группы соединений однофазного трансформатора

Для обозначения сдвига фаз обмоток трансформатора векторы их линейных э. д. с. Уподобляют стрелкам часового циферблата, причем вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку и считают, что на циферблате часов она направлена на цифру 12, а вектор обмотки НН принимают за часовую стрелку. Тогда на рис. 5.7, а часы будут показывать 0 или 12 ч, и такое соединение обмоток, поэтому называется группой 0. На рис. 5.7, б часы будут показывать 6 ч, и такое соединение называется группой 6. Согласно стандарта для однофазных трансформаторов установлена группа соединений – 0.

Для рассмотрения трехфазного трансформатора сделаем следующие предположения:

- обмотки ВН и НН соединены в звезду и имеют одинаковую намотку (например, правую);

- начала и концы обмоток расположены одинаково (например, концы снизу, а начала сверху);

- одноименные обмотки (например, А и а, а также В и в, С и с) находятся на общих стержнях (рис. 5.8, а). Тогда звезды фазных э. д. с. будут иметь вид, показанный на рис. 5.8, б. При этом одноименные векторы линейных э. д. с. (например, и ) направлены одинаково, т. е. совпадают по фазе, и при расположении их на циферблате часов, согласно изложенному выше правилу, часы будут показывать 0 ч (рис. 5.8, б). Поэтому схема и группа соединений такого трансформатора обозначается Y/Y-0.

Рис. 5. 8. Трехфазный трансформатор со схемой

и группой соединений Y/Y-0

Если на рис. 5.8, а произвести круговую перемаркировку (или перестановку) фаз обмотки НН и разместить фазу а на среднем стержне, фазу b – на правом и c – на левом, то на векторной диаграмме НН (рис. 5.8, б) произойдет круговая перестановка букв a, b, c по часовой стрелке. При этом получиться группа соединений 4, а при обратной круговой перестановке будет группа соединений 8. При смене мест начала и концов обмоток, получим соответственно группы соединений 6, 10 и 2. Значит, при соединении по схеме Y/Y возможно шесть групп соединений, причем все они четные. Такие же группы соединений можно получить при схеме соединений Δ/Δ.

Предположим, что обмотки трансформатора соединены по схеме Y/Δ (рис. 5.9, а) и соблюдены те же условия, что и при соединении Y/Y. Тогда векторные диаграммы э. д. с. Обмоток ВН и НН будут иметь вид, показанный на рис. 5.9, б. При этом одноименные линейные э. д. с. (например, E_AB и E_ab) будут сдвинуты на 30^о и расположатся на циферблате часов, как показано на рис. 5.9, а. Соединение обмоток в этом случае обозначается Y/Δ-11. При круговых перестановках фаз и при перемаркировке начал и концов одной из обмоток (или при установке вместо перемычек az, bz, сx в треугольнике на рис. 5.9, а перемычек az, bx, cy) можно получить также другие нечетные группы: 1, 3, 5, 7 и 9.

Рис. 5.9. Трехфазный трансформатор со схемой

и группой соединений Y/Δ-11

Большой разнобой в схемах и группах соединений изготавливаемых трансформаторов нежелателен. Поэтому стандарт предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами соединений обмоток: Y/Y₀-0, Δ/Y₀-11, Y/Δ-11 и Y₀/Δ-11, а также звезда-зигзаг-11. Индекс «0» указывает на то, что наружу выводится нулевая точка.

На практике для определения правильности соединения собираются схемы, позволяющие включить обмотки ВН и НН в общую систему напряжений. При этом соединяются одноименные вводы обмоток трансформаторов, что соответствует совмещению одноименных точек диаграммы линейных напряжений ВН и НН.

По такой совмещенной диаграмме, если ее построить в масштабе, напряжение между двумя любыми точками (например, b и B, b и C, c и B, c и C) можно определить графически или расчетным путем величины напряжений U_bB, U_bC, U_cB и U_cC. Напряжения U_bB, U_bC, U_cB и U_cC, определенные графически или расчетным путем, затем измеряются вольтметром на соответствующей схеме. Совпадение расчетных и измеренных значений свидетельствует о правильности соединения обмоток трансформатора по заданной схеме и группе.

Отличие работы трансформаторной группы, соединённой по способу Y/Y₀-0 при холостом ходе от однофазного трансформатора состоит в том, что в ней нет третьих гармонических тока, так как они совпадают по фазе и, следовательно, направлены в каждой фазной обмотке либо от её начала к её концу, либо в обратном направлении. В результате, при соединении обмоток «звездой» токи третьей гармонической выпадают из кривой тока холостого хода, поскольку в каждый момент они направлены либо все к нейтральной точке, либо от неё.

Отсутствие третьей гармонической в кривой тока холостого хода искажает кривую магнитного потока. При этом происходит повышение наибольшего значения фазной ЭДС и её действующего значения, что нежелательно и в ряде случаев опасно.

В трехстержневом трансформаторе потоки третьих гармонических во всех трёх фазах, также как и токи, совпадают во времени и в стержнях трансформатора направлены в одну сторону. В результате поток, протекающий в первом стержне, не может замкнуться ни через второй, ни через третий стержни, так как в каждом из них он встречает поток третьей гармонической, направленный ему навстречу. В результате они замыкаются от ярма через воздух, имеющий большое магнитное сопротивление, поэтому потоки третьей гармонической невелики, и кривые фазных напряжений, как правило, остаются практически синусоидальными.

При соединении обмоток по способу Δ /Y первичный треугольник трансформатора представляет собой контур, по которому все три тока третьей гармонической текут в одном направлении. В результате кривая магнитного потока приближается к синусоидальной форме.

При соединении обмоток по способу Y/ Δ третья гармоническая выпадает из кривой холостого хода. Третья гармоническая потока Ф₃ наводит в каждой фазе вторичной обмотки третью гармоническую ЭДС Е₂₃, отстающую от потока Ф₃ по фазе на 90°, ЭДС создаёт ток I₂₃, отстающий от ЭДС Е₂₃ практически на 90° из-за большого индуктивного сопротивления. В результате поток Ф₂₃, создаваемый током I₂₃, находится практически в противофазе потоку Ф₃ и практически компенсирует его. Вследствие этого кривые потока и, соответственно, ЭДС приближается к синусоиде.