Опыт холостого хода и короткого замыкания

Для испытания трансформатора служит опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

При опыте холостого хода трансформатора (рис. 103) его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет  (/2—0).

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой об­мотке будет протекать ток холостого хода I₀, который представляет собой малую ве­личину по сравнению с номинальным то­ком трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5— 10% номинального тока. В трансформато­рах малых мощностей этот ток достигает значения 25—30% номинального тока. Ток   холостого   хода I₀ создает   магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощ­ность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покры­тие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так  как реактивная мощность при холостом ходе трансформа­тора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3.

По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила то­ка холостого хода I₀, потери в стали сердечника Р_ст и коэффициент транс­формации К.

Силу тока холостого хода I₀ изме­ряет амперметр, включенный в цепь первичной   обмотки   трансформатора.

При испытании трехфазного транс­форматора определяется фазный ток холостого хода.

О потерях в стали сердечника P_ст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора равен отноше­нию показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вто­ричной обмоток.

При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях.

При опыте короткого замыкания (рис. 104) вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажи­мах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включает­ся в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.

По данным опыта короткого замыкания определяется напряже­ние короткого замыкания u_к %, его активная u_а % и реактивная u_x % составляющие, потери на нагревание обмоток трансформато­раP_обм при номинальной нагрузке и активное, реактивное и пол­ное сопротивления трансформатора при коротком замыкании r_k, x_k  и z_k.

Потери в обмотках указываются ваттметром. Активное, реактивное и полное сопротивления короткого замы­кания трансформатора определяются следующими выражениями:

где U_k, I и P_k- напряжение, сила тока, мощность, указываемые измерительными приборами, включенными в цепь первичной об­мотки трансформатора.

При испытании трехфазного трансформатора следует в приве­денных выше выражениях подставить фазные значения напряже­ния, тока и мощности.

Напряжение короткого замыкания и его активная и реактивная составляющие равны:

где  U_н и Iн — номинальные напряжения и сила тока вторичной (первичной) обмотки трансформатора.

ВНЕШНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. ПОТЕРИ И К.П.Д. ТРАНСФОРМАТОРА

Увеличение нагрузки трансформатора сопровождается увели­чением токов I₂ и I₁,  что приводит к увеличению падения напряже­ния в обмотках трансформатора. Поэтому с увеличением нагрузки

вторичное напряжение изменяет­ся. В зависимости от характера нагрузки трансформатора изме­нение вторичного напряжения может быть различным. Если принять напряжение U₁ неиз­менным, то зависимость вторич­ного напряжения U₂ от вели­чины нагрузки I₂, т. е.

называется внешней харак­теристикой трансформатора.

Внешняя характеристика для случая с активно-индуктивной нагрузкой дана на рис.  196.

При испытаниях трансформаторов проводят опыты холостого хода и короткого замыкания. На рис. 197 дана схема опыта холо­стого хода. В этом случае вольтметры показывают напряжения первичной и вторичной обмотки U₁ и U₂. Амперметр, включенный в цепь первичной обмотки, измеряет ток холостого хода — I₀.

Ваттметр измеряет мощность потерь холостого хода — Р₀. По данным  опыта  холостого хода определяют коэффициент трансформации k, коэффициент мощности cos φ₀ и другие данные.

Мощность, подводимая к транс­форматору при холостом ходе, идет на покрытие потерь холостого хода. Так как ток холостого хода I₀ мал, то потерями мощности на нагрев пер­вичной обмотки, равными I¹₀ r₁, можно

пренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформато­ром при холостом ходе, идет на покрытие потерь в стали сердеч­ника (потери на гистерезис и вихревые токи).

Если подключить первичную обмотку трансформатора к напря­жению сети, а зажимы его вторичной обмотки замкнуть накоротко, то это приведет к опасному явлению короткого замыкания трансфор­матора. Токи короткого замыкания выделяют большое количество тепла в обмотках, что может привести к повреждению изоляции обмоток, Механические усилия, возникающие в обмотках трансформатора при коротких замыканиях, могут иногда привести к разрушению обмоток.

Если же зажимы вторичной обмотки трансформатора замкнуть накоротко, а первичную обмотку подключить к пониженному напряжению, чтобы ток короткого замыкания I_2К был бы равенноминальному току I_2Н, то при этом с трансформатором ничего опасного не произойдет. Этот опыт называется опытом короткого замыкания. Напряжение, под которое включается первичная об­мотка трансформатора при опыте короткого замыкания, составляет несколько процентов от номинального напряжения этой обмотки и называется напряжением короткого замыкания;  обозначается   U_K.

Силовые трансформаторы, изготовляемые в СССР, имеют напря­жение короткого замыкания, равное 5—10%.

На рис. 198 дана схема опыта короткого замыкания. Вольтметр, включенный в цепь первичной обмотки, показывает напряжение короткого   замыкания   U_K.   Амперметры   измеряют  номинальные

токи первичной и вторичной обмоток I_1н и  I_2н. Ваттметр измеряет мощность потерь  при коротком замыкании Рк.

 

Выше было сказано, что магнит­ный поток трансформатора пропор­ционален величине напряжения пер­вичной обмотки трансформатора.

При опыте короткого замыкания магнитный поток в сердечнике мал, так как напряжение короткого замы-

кания во много раз меньше номинального напряжения. Поэтому потерями в стали в этом случае можно пренебречь и считать, что мощность при этом опыте идет на покрытие потерь в обмоткахтрансформатора (I¹₂ r₂₁ + I12r₂).

По данным опыта короткого замыкания определяют коэффи­циент мощности при коротком замыкании

cos φ_K, активные и реак­тивные сопротивления обмоток — r₁, x₁, r¹₂ и х¹₂.

В трансформаторе имеют место потери. Они слагаются из потерь в обмотках и потерь в стали сердечника.

Потери в обмотках трансформатора называются также электри­ческими потерями Рэ. Они пропорциональны квадрату тока. Элек­трические потери определяют по показаниям ваттметра из опыта короткого замыкания. Потери в стали, называемые также магнит­ными потерями Рм, зависят от частоты сети и величины магнитной индукции. Магнитные потери определяют по показаниям ваттметра из опыта холостого хода трансформатора.

Общие потери ∆Р равны сумме электрических Рэ и магнитных Pм потерь:

 

Коэффициентом полезного действия т р а н ­сформатора   называется отношение активной мощности вторичной обмотки Р2  к активной мощности первичной обмотки Р₁:

К. п. д.  трансформатора  высок  и  может достигать  98—99%.