Что такое напряжение короткого замыкания трансформатора

Чрезвычайно важным свойством силовых трансформаторов считается напряжение короткого замыкания (КЗ). Эта характеристика определяет конкретное устройство и находится в полной зависимости от его конструкции. На основании напряжения короткого замыкания можно установить способность трансформатора работать параллельно с другими устройствами, исключая возможные перегрузки и увеличение токов. Это позволяет с большей эффективностью решать задачи электроснабжения.

Назначение трансформатора

Определение параметров

• Коротким замыканием именуют режим, когда выходы вторичной трансформаторной обмотки замкнуты проводником, сопротивление которого практически нулевое. КЗ при функционировании устройства вызывает аварийную ситуацию, поскольку в обмотках происходит возрастание электротоков, существенно превосходящее номинальный электроток. В связи с этим в цепях с трансформаторами используют защиту, способную при коротком замыкании отключать питание.
  

  Что такое режим КЗ

При воспроизведении КЗ накоротко замыкают выводы вторичной трансформаторной обмотки, а на первичную подают напряжение, ограничивающее ток в ней до номинального значения (I_К < I_1ном). Напряжение U_К, соответствующее номинальному току в первичной обмотке и выраженное  в процентах, называют напряжением короткого замыкания трансформатора. Его указывают в паспорте устройства, а расчет выполняют по формуле:

Формула напряжения КЗ

Напряжение короткого замыкания силового трансформатора зависит от высшего напряжения на его обмотках. Если U_К составляет 5–10% от номинального напряжения на первичной обмотке, то ток холостого хода (намагничивающий ток) снижается в 10–20 раз, а то и намного больше. Поэтому считают, что в режиме КЗ

Равенство токов

Значение основного магнитопотока Ф тоже снижается в 10–20 раз, поэтому потоки рассеивания обмоток оказываются соизмеримыми с основным. На зажимах вторичного контура напряжение в режиме КЗ трансформатора становится нулевым. Поэтому формула ЭДС для вторичной обмотки принимает вид:

Вычисление ЭДС

Расчет напряжения осуществляется с помощью такого уравнения:

Расчет напряжения

Как видим, у напряжения КЗ есть активная и реактивная составляющая. Угол между ними определяется соотношением активного и реактивного (индуктивного) сопротивления трансформатора:

Угол между составляющими напряжения КЗ

На основании выше приведенных уравнений можно изобразить схему замещения и векторную диаграмму устройства.

Схема замещения и векторная диаграмма

Определение КЗ опытным путем

Опыт, связанный с напряжением КЗ, проводят с целью определения параметров трансформаторного устройства. В ходе эксперимента вторичную обмотку замыкают накоротко с помощью металлической перемычки или провода с практически нулевым сопротивлением. На первичную обмотку подают напряжение, при котором в ней возникает ток, равный номинальному значению. На основе измерений определяют напряжение КЗ, используя уже известную формулу.

Схема для опыта

Когда происходит короткое замыкание, напряжение U_к достигает минимального значения, поэтому потери холостого хода будут в сотни раз меньше, чем при наличии номинального напряжения. Следовательно, Р_по = 0, а мощность, измеряемая ваттметром, соответствует потерям мощности Р_пк, обусловленным активным сопротивлением трансформаторных обмоток. При номинальном значении тока возникают номинальные потери мощности

Р_{пк. ном}, связанные с нагревом обмоток. Их называют электропотерями или потерями КЗ.

На основании уравнения напряжения можно записать:

Определение полного сопротивления

Расчет полного сопротивления несложно выполнить, воспользовавшись результатами измерений:

Формула сопротивления

Формула для определения мощности при КЗ выглядит так:

Формула мощности

Отсюда находим активное сопротивление

Вычисление активного сопротивления

Если известны значения полного и активного сопротивлений, можно без особого труда найти индуктивную составляющую:

Вычисление индуктивного сопротивления

Выполнив расчет сопротивлений, можно построить треугольник напряжений, а затем использовать его для определения активной и индуктивной составляющей напряжения КЗ:

Вычисление составляющих напряжения

Опыт КЗ обычно проводится на заводе при выпуске трансформатора нового исполнения. Задача такого опыта — проверка электродинамической стойкости типовой конструкции. В ходе испытаний оцениваются потери, возникающие в обмотках, а также потоки рассеивания.

Напряжения КЗ стандартизованы. Например, для трансформаторов мощностью 25–630 кВ оно должно составлять 4.5–4.7%, мощностью 6300 — 7.5%. Реальные показатели могут отличаться от стандартных не более чем на десять процентов.

Пример таблицы со значениями напряжения КЗ

Расчет токов

Если известно значение u_к, можно найти ток КЗ в обмотке:

Вычисление тока КЗ

Поскольку напряжение выражается в процентах, то формулу можно представить так:

Другой вид формулы

На основании этой формулы можно сделать вывод, что при u_к = 5% ток I_1к будет в 20 раз больше по сравнению с первичным током I₁, обеспечивающим нормальную работу трансформатора.

Чем большим будет напряжение при КЗ, тем меньше ток. Вследствие этого температура обмоток будет увеличиваться медленнее, значит, меньше становится опасность возникновения повреждения изоляции и прочих элементов трансформатора. Но чем больше u_к, тем выше рассеяние, поэтому увеличиваются потери в конструкции и происходит падение напряжения в обмотках. В результате уменьшается КПД.

Видео по теме