Como saben, bajo carga devanado secundario el transformador se enciende por la resistencia de los receptores. En el circuito secundario se establece una corriente proporcional a la carga del transformador. Cuando se alimenta una gran cantidad de receptores, no es raro que se produzcan casos en los que se rompe el aislamiento. cables de conexion. Si, en lugares donde se daña el aislamiento, los cables que alimentan a los receptores entran en contacto, se producirá un modo llamado cortocircuito (cortocircuito) de la sección del circuito. si un cables de conexion, proveniente del devanado, se cerrará en algún lugar en los puntos a y b, ubicados antes del receptor de energía (Figura 1), luego ocurrirá un cortocircuito en el devanado secundario del transformador. En este modo, el devanado secundario se cortocircuitará. Al mismo tiempo, seguirá recibiendo energía del devanado primario y la entregará al circuito secundario, que ahora consta solo del devanado y parte de los cables de conexión. 1 - devanado primario; 2 - devanado secundario; 3 - circuito magnético Figura 1 - Cortocircuito en los terminales del devanado secundario del transformador. A primera vista, parece que en caso de cortocircuito, el transformador debe colapsar inevitablemente, ya que la resistencia r 2 del devanado y los cables de conexión es diez veces menor que la resistencia r del receptor. Si asumimos que la resistencia de carga r es al menos 100 veces mayor que r 2, entonces la corriente cortocircuito I 2k debe ser 100 veces el actual I 2 en operación normal transformador. Dado que la corriente primaria también aumenta 100 veces (I 1 ω 1 \u003d I 2 ω 2), las pérdidas en los devanados del transformador aumentarán considerablemente, a saber, 100 2 veces (I 2 r), es decir, 10 000 veces. En estas condiciones, la temperatura de los devanados alcanzará los 500-600 °C en 1-2 sy se quemarán rápidamente. Además, durante la operación del transformador entre los devanados, siempre hay fuerzas mecánicas que tienden a separar el devanado en las direcciones radial y axial. Estos esfuerzos son proporcionales al producto de las corrientes I 1 I 2 en los devanados, y si durante un cortocircuito cada una de las corrientes I 1 e I 2 aumenta, por ejemplo, 100 veces, entonces los esfuerzos aumentarán 10 000 veces. En este caso, su valor alcanzará cientos de toneladas y los devanados del transformador deberán destruirse instantáneamente. Sin embargo, esto no sucede en la práctica. Los transformadores soportan, por regla general, cortocircuitos en esos brevísimos lapsos de tiempo hasta que la protección los desconecta de la red. En caso de cortocircuito, la acción de alguna resistencia adicional se manifiesta bruscamente, limitando la corriente de cortocircuito en los devanados. Esta resistencia está asociada con los flujos magnéticos de fuga Ф Р1 y Ф Р2, que se ramifican del flujo principal Ф 0 y cada uno cierra alrededor de una parte de las vueltas de "su propio" devanado 1 o 2 (Figura 2).

1 - devanado primario; 2 - devanado secundario; 3 - eje común de los devanados y el núcleo del transformador; 4 - circuito magnético; 5 - canal de dispersión principal Figura 2 - Flujos de fuga y disposición concéntrica de los devanados del transformador. Es muy difícil medir directamente la cantidad de dispersión: los caminos a lo largo de los cuales se pueden cerrar estos flujos son demasiado diversos. Por lo tanto, en la práctica, la disipación se evalúa por el efecto que tiene sobre el voltaje y las corrientes en los devanados. Obviamente, los flujos de fuga aumentan con el aumento de la corriente que fluye en los devanados. También es obvio que durante el funcionamiento normal del transformador, el flujo de fuga es una fracción relativamente pequeña del flujo principal Ф 0 . De hecho, el flujo de dispersión está vinculado solo a una parte de las vueltas, el flujo principal está vinculado a todas las vueltas. Además, el flujo de dispersión durante la mayor parte del camino se ve obligado a pasar a través del aire, cuya permeabilidad magnética se toma como unidad, es decir, es cientos de veces menor que la permeabilidad magnética del acero, a lo largo del cual el flujo cierra Ф 0 . Todo esto es cierto tanto para el funcionamiento normal como para el modo de cortocircuito del transformador. Sin embargo, dado que los flujos de fuga están determinados por las corrientes en los devanados, y en el modo de cortocircuito, las corrientes aumentan cientos de veces, los flujos F p aumentan en la misma cantidad; al mismo tiempo, superan significativamente el flujo Ф 0 . Los flujos de fuga inducen en los devanados de fem de autoinducción E p1 y E p2 dirigidos contra la corriente. La contrarrestación, por ejemplo, la fem E p2 puede considerarse como una resistencia adicional en el circuito del devanado secundario cuando está en cortocircuito. Esta resistencia se llama reactiva. Para el devanado secundario, la ecuación E 2 \u003d U 2 + I 2 r 2 + (-E p 2) es válida. En modo de cortocircuito, U 2 \u003d 0 y la ecuación se convierte de la siguiente manera: E 2 \u003d I 2K r 2K + (-E p2K), o E 2 \u003d I 2K r 2K + I 2K x 2K, donde el el índice "k" se refiere a resistencias y corrientes en modo de cortocircuito; I 2 K x 2 K - caída de tensión inductiva en modo de cortocircuito, igual al valor de E p 2 K ; x 2 K - reactancia del devanado secundario. La experiencia muestra que, dependiendo de la potencia del transformador, la resistencia x 2 es 5-10 veces mayor que r 2. Por lo tanto, en realidad, la corriente I 2 K no es 100, sino solo 10-20 veces mayor que la corriente I 2 durante el funcionamiento normal del transformador (despreciamos la resistencia activa debido a su pequeño valor). En consecuencia, en realidad, las pérdidas en los devanados no aumentarán por un factor de 10.000, sino solo por un factor de 100-400; la temperatura de los devanados durante el cortocircuito (unos pocos segundos) difícilmente alcanzará los 150-200 °C y no se producirán daños graves en el transformador durante este breve tiempo. Entonces, gracias a la disipación, el propio transformador puede protegerse de las corrientes de cortocircuito. Todos los fenómenos considerados ocurren durante un cortocircuito en los terminales (entradas) del devanado secundario (ver puntos a y b en la Figura 1). Este es el modo de emergencia para la mayoría transformadores de poder y, por supuesto, no ocurre todos los días ni siquiera todos los años. Durante la operación (15-20 años), un transformador puede tener solo unos pocos cortocircuitos tan severos. Sin embargo, debe estar diseñado y fabricado de tal manera que no lo destruyan y provoquen un accidente. Es necesario imaginar claramente los fenómenos que ocurren en el transformador durante un cortocircuito, para ensamblar conscientemente los componentes más críticos de su diseño. En este sentido, una de las características más importantes del transformador, la tensión de cortocircuito, juega un papel muy significativo.

Experiencia de cortocircuito de transformador

Una prueba de cortocircuito es una prueba de un transformador con un cortocircuito del devanado secundario y Corriente nominal devanado primario. El esquema para realizar una prueba de cortocircuito se muestra en la fig. 11.3. El experimento se lleva a cabo para determinar el valor nominal de la corriente del devanado secundario, las pérdidas de potencia en los cables y la caída de tensión en la resistencia interna del transformador.

En caso de cortocircuito en el circuito del devanado secundario, la corriente en él está limitada solo por la pequeña resistencia interna de este devanado. Por lo tanto, incluso con valores relativamente pequeños de EMF E2, la corriente I2 puede alcanzar valores peligrosos, provocar el sobrecalentamiento de los devanados, la destrucción del aislamiento y la falla del transformador. Considerando esto, el experimento comienza con voltaje cero en la entrada del transformador, es decir a . Luego, aumente gradualmente el voltaje del devanado primario hasta un valor en el que la corriente del devanado primario alcance el valor nominal. En este caso, la corriente del devanado secundario, medida por el amperímetro A2, se toma igual a la nominal. El voltaje se llama voltaje de cortocircuito.
El valor de tensión del devanado primario en la prueba de cortocircuito es pequeño y asciende a 5 ¸ 10% del valor nominal. Por lo tanto, el valor efectivo de la FEM del devanado secundario E2 es 2 ¸ 5%. En proporción al valor de la EMF, el flujo magnético disminuye y, por lo tanto, la pérdida de potencia en el circuito magnético - Pc. De esto se deduce que las lecturas del vatímetro en la prueba de cortocircuito prácticamente determinan solo las pérdidas en los cables Ppr, y
(11.3)
Expresamos la corriente I2K a través de la corriente reducida

Tomamos en cuenta eso y también que
.
Luego reescribimos la expresión (11.3) como
(11.4)
donde RK es la resistencia activa del transformador en el modo de cortocircuito, y
(11.5)
El valor de la resistencia activa del transformador permite calcular su reactancia inductiva

Al calcular con precisión, se debe tener en cuenta que RK depende de la temperatura. Por tanto, la impedancia del transformador se determina reducida a una temperatura de 750C, es decir

.
Ahora es fácil determinar la caída de tensión en la resistencia interna del transformador - ZK:

En la práctica, usan el valor dado de UK, como un porcentaje, denotándolo con un asterisco, es decir,
(11.6)
Este valor se indica en la placa de características del transformador.
Conocimiento resistencia interna transformador le permite representar su circuito equivalente en la forma de la figura 11.4. El diagrama vectorial correspondiente a este esquema se muestra en la fig. 11.5.
El diagrama vectorial le permite determinar la disminución de voltaje en la salida del transformador D U debido a la caída de voltaje en la resistencia compleja. El valor de D U se define como la distancia entre la recta que sale de los puntos de inicio y fin del vector y paralela al eje x. En el diagrama se puede ver que este valor es la suma de los catetos de dos triángulos rectángulos, cuyas hipotenusas son y , y los ángulos agudos son iguales a j2.
Es por eso

En la práctica, se utiliza el valor relativo de DU, en porcentaje, indicado con un asterisco, es decir
(11.7)
Para transformadores de alta potencia (SH> 1000 V×A), la experiencia de cortocircuito se puede utilizar para controlar la relación de transformación. Para tales transformadores en el modo de cortocircuito, la corriente sin carga puede despreciarse, considerando

Es por eso
(11.8)
La última expresión es más precisa cuanto mayor es la potencia del transformador. Sin embargo, no es aceptable para transformadores de baja potencia.

Todos los transformadores funcionan en dos modos principales: bajo carga y en reposo. Sin embargo, se conoce otro modo de funcionamiento en el que las fuerzas mecánicas y el flujo de fuga en los devanados aumentan considerablemente. Este modo se llama cortocircuito del transformador. Esta situación ocurre cuando el devanado primario recibe energía, cuando el secundario se cierra en sus entradas. Durante el cortocircuito se produce una reactancia, mientras que la corriente al devanado secundario continúa fluyendo desde el primario.

Luego, la corriente se entrega al consumidor, que es el devanado secundario. Por lo tanto, se produce el proceso de cortocircuito del transformador.

La esencia del cortocircuito.

En una sección cerrada, surge una resistencia, cuyo valor es mucho menor que la resistencia de carga. Hay un fuerte aumento en las corrientes primarias y secundarias, que pueden quemar instantáneamente los devanados y destruir completamente el transformador. Sin embargo, esto no sucede y la protección logra desconectarlo de la red. Esto se debe al hecho de que el aumento de las disipaciones y los campos del transformador reducen significativamente el impacto de las corrientes de cortocircuito y también brindan protección a los devanados contra las cargas electrodinámicas y térmicas. Por lo tanto, incluso si hay pérdidas en los devanados, simplemente no tienen tiempo para ejercer su impacto negativo.

Advertencia de cortocircuito

Durante el funcionamiento normal del transformador, el valor de las fuerzas electrodinámicas tiene un valor mínimo. Durante el tiempo, hay un aumento en las corrientes y esfuerzos diez veces, creando un grave peligro. Como resultado, los devanados se pueden deformar, se pierde su estabilidad, las bobinas se doblan y las juntas se aplastan bajo la influencia de las fuerzas axiales.

Para reducir las fuerzas electrodinámicas, los devanados se presionan axialmente durante el montaje. Esta operación se realiza repetidamente: primero, cuando se montan los devanados y se instalan las vigas superiores, y luego, después de que la parte activa se haya secado. La segunda operación es de particular importancia para reducir los esfuerzos, ya que un prensado de mala calidad, bajo la acción de un cierre, puede provocar el corte o la destrucción de la bobina. Un grave peligro es la coincidencia de la autorresonancia de la bobina con la frecuencia presente en la fuerza electrodinámica. La resonancia puede causar fuerzas que son completamente inofensivas cuando modo normal trabajar.

Para mejorar la calidad del transformador, durante el montaje, debe eliminar inmediatamente la posible contracción del aislamiento, alinear todas las alturas y garantizar un prensado de alta calidad. Sujeto a los procesos tecnológicos necesarios, un cortocircuito del transformador puede funcionar sin consecuencias graves.

Cortocircuito del transformador en funcionamiento

cortocircuitos en instalaciones eléctricas suelen surgir como consecuencia de posibles fallos en las redes (con daños mecánicos en el aislamiento, avería eléctrica de los mismos por sobretensiones, etc.) o por actuaciones erróneas del personal operativo.

Para un transformador, un cortocircuito es muy peligroso, ya que se generan corrientes muy grandes. Cuando los terminales del devanado secundario están cortocircuitados, la resistencia de carga Zн es prácticamente igual a cero y, por tanto, la tensión en los terminales del devanado secundario U2 también es igual a cero. Por lo tanto, el voltaje U1 aplicado al devanado primario se equilibrará con la caída de voltaje en las impedancias de los devanados primario y secundario zK=Z1+Z2 El circuito equivalente para una fase del transformador durante un cortocircuito se muestra en la fig. 11, a.

Ecuación de equilibrio e. ds el devanado primario del transformador en caso de cortocircuito del devanado secundario se escribirá de la siguiente forma:

U1=Ikzk donde Ik es la corriente de cortocircuito.

En la fig. 11b muestra un diagrama vectorial para una fase de un transformador durante un cortocircuito. El vector de corriente de cortocircuito Ik está dirigido verticalmente hacia arriba. Paralelamente al vector de corriente, se dirige el vector de caída de tensión en la resistencia activa del cortocircuito IkRk. Girado con respecto al vector de corriente en - en la dirección de avance (en sentido contrario a las agujas del reloj, el vector de caída de tensión en reactancia inductiva transformador de aislamiento

La suma geométrica de los vectores IkRk determinará el vector de la tensión U1 aplicada al devanado primario, que se eleva con respecto al vector de corriente de cortocircuito Ik en la dirección de avance del ángulo de cortocircuito pk. Este ángulo depende

de la relación de las resistencias xk y rk. Cuanto mayor sea la resistencia inductiva xk y menor la resistencia activa rk, mayor será el ángulo φ. Por tanto, la corriente de cortocircuito del transformador Ik=U1/zk

Dado que la caída de tensión en la impedancia de los devanados del transformador a la corriente nominal es del 5 al 7% de la tensión nominal, es decir, la corriente de cortocircuito será mayor que la corriente nominal tantas veces como la tensión nominal sea mayor que la tensión caída en la impedancia de los devanados a la corriente nominal.

La relación Ik/In=100/uk se denomina relación de corriente de cortocircuito, donde Uk es la tensión de cortocircuito.

Por lo tanto, la corriente de cortocircuito del transformador es muchas veces mayor que la corriente nominal.Aquí nos referimos al valor de estado estable de la corriente de cortocircuito del transformador. Tal corriente, muchas veces mayor que la corriente nominal, fluirá en los devanados del transformador durante todo el tiempo del cortocircuito, sin importar cuán grande sea. Sin embargo, en el momento de un cortocircuito, la multiplicidad de la corriente de cortocircuito puede ser incluso mayor. Dependiendo del valor instantáneo de la tensión aplicada, la corriente de cortocircuito instantánea difiere del estado estable en 2 veces.

Si el cortocircuito del devanado secundario del transformador ocurrió en el momento en que el valor instantáneo de la tensión u es igual al valor máximo Uim, entonces la corriente de cortocircuito instantánea

En caso de cortocircuito en el momento en que la tensión es cero, la corriente instantánea de cortocircuito será el doble de la corriente constante.

La corriente de cortocircuito aumenta bruscamente la temperatura del devanado, lo que amenaza la integridad del aislamiento. Las pérdidas en los cables de los devanados del transformador son proporcionales a la corriente a la segunda potencia. Por tanto, en el caso de que la corriente de cortocircuito resulte ser, por ejemplo, 20 veces mayor que la corriente nominal, las pérdidas en los hilos de los devanados serán 400 veces mayores que a la corriente nominal (si no tener en cuenta el aumento de la resistencia del devanado debido al calentamiento). La liberación de alta potencia en los cables de los devanados provoca un fuerte aumento de su temperatura, como resultado de lo cual se puede romper la integridad del aislamiento y el transformador puede fallar.

Por lo tanto, todos los transformadores están equipados con una protección suficientemente rápida, que apaga el transformador en caso de cortocircuito. Si el tiempo durante el cual el transformador está en modo de cortocircuito es corto, sus devanados no tendrán tiempo de calentarse a una temperatura peligrosa para su aislamiento.

Un cortocircuito de un transformador es muy peligroso, ya que puede provocar su destrucción. Si las corrientes fluyen en la misma dirección en dos cables paralelos, estos cables se atraen entre sí, y si las corrientes se dirigen en la dirección opuesta, los cables se repelen entre sí.

Un transformador tiene muchas vueltas paralelas entre sí, cada una de las cuales puede considerarse como un cable separado. En las vueltas de cualquier devanado (primario o secundario) las corrientes fluyen en la misma dirección, de modo que todas las vueltas de un devanado se atraen mutuamente. Las fuerzas de magnetización de los devanados primario y secundario están en dirección opuesta, por lo que los devanados tienden a repelerse entre sí.

Las fuerzas mecánicas que actúan sobre los devanados dependen del diseño de los devanados, la ubicación de las espiras y las corrientes que fluyen en los devanados. En los devanados simétricos concéntricos, las fuerzas F que actúan sobre los devanados se dirigen perpendicularmente al eje de las bobinas; en los devanados de disco alterno, las fuerzas se dirigen paralelas al eje de las bobinas.

Dado que las fuerzas que actúan sobre los cables con corriente dependen del producto de las corrientes, las fuerzas F que actúan sobre los devanados de los transformadores durante un cortocircuito serán muchas veces mayores que las fuerzas que se producen con la carga nominal. Bajo la acción de fuerzas mecánicas muy grandes, los devanados del transformador se deforman hasta tal punto que el aislamiento puede romperse y su resistencia eléctrica se reduce considerablemente. El diseño de los devanados debe diseñarse para una resistencia mecánica tal que resista las fuerzas que surgen en el primer momento de las corrientes de cortocircuito instantáneas.

El modo de cortocircuito de un transformador es tal modo cuando los terminales del devanado secundario están cerrados por un conductor de corriente con una resistencia igual a cero (ZH = 0). Un cortocircuito del transformador en condiciones de funcionamiento crea un modo de emergencia, ya que la corriente secundaria, y por tanto la primaria, aumenta varias decenas de veces con respecto a la nominal. Por lo tanto, en circuitos con transformadores, se proporciona una protección que, en caso de cortocircuito, apaga automáticamente el transformador.

En condiciones de laboratorio, es posible llevar a cabo una prueba de cortocircuito del transformador, en la que se cortocircuitan los terminales del devanado secundario, y se aplica dicho voltaje Uk al primario, en el que la corriente en el devanado primario no exceda el valor nominal (Ik es la característica del transformador indicada en el pasaporte.

De este modo (%):

donde U1nom es la tensión primaria nominal.

La tensión de cortocircuito depende de mayor voltaje bobinados del transformador. Así, por ejemplo, a la tensión más alta de 6-10 kV uK = 5,5 %, a 35 kV uK = 6,5 ÷ 7,5 %, a 110 kV uK = 10,5 %, etc. Como puede verse, al aumentar la tensión nominal más alta aumenta la tensión de cortocircuito del transformador.

Cuando el voltaje Uk es del 5 al 10% del voltaje primario nominal, la corriente de magnetización (corriente sin carga) disminuye de 10 a 20 veces o incluso más significativamente. Por lo tanto, en el modo de cortocircuito, se considera que

El flujo magnético principal Ф también disminuye entre 10 y 20 veces, y los flujos de fuga de los devanados se vuelven proporcionales al flujo principal.

Dado que en caso de cortocircuito del devanado secundario del transformador, la tensión en sus terminales U2 = 0, la ecuación e. ds para ella toma la forma

y la ecuación de voltaje para el transformador se escribe como

Esta ecuación corresponde al circuito equivalente del transformador que se muestra en la fig. una.

El diagrama vectorial de un transformador durante un cortocircuito correspondiente a la ecuación y el diagrama de la fig. 1 se muestra en la fig. 2. El voltaje de cortocircuito tiene componentes activos y reactivos. El ángulo φk entre los vectores de estas tensiones y corrientes depende de la relación entre los componentes inductivos activos y reactivos de la resistencia del transformador.

Arroz. 1. Circuito equivalente del transformador en caso de cortocircuito

Arroz. 2. Diagrama vectorial de un transformador en cortocircuito

Para transformadores con potencia nominal de 5-50 kVA XK/RK = 1 ÷ 2; con una potencia nominal de 6300 kVA o más XK/RK = 10 o más. Por lo tanto, se cree que para transformadores de alta potencia UK = Ukr y la impedancia ZK = Hk.

Experiencia de cortocircuito.

Este experimento, al igual que la prueba de circuito abierto, se lleva a cabo para determinar los parámetros del transformador. Se ensambla un circuito (Fig. 3), en el que el devanado secundario está cortocircuitado por un puente o conductor de metal con una resistencia cercana a cero. Se aplica un voltaje Uk al devanado primario, en el cual la corriente en él es igual a valor nominal I1nom.

Arroz. 3. Diagrama de experiencia de cortocircuito del transformador

De acuerdo con los datos de medición, siguientes opciones transformador.

Tensión de cortocircuito

donde UK es el voltaje medido por el voltímetro en I1, = I1nom. En el modo de cortocircuito, UK es muy pequeño, por lo que las pérdidas sin carga son cientos de veces menores que con la tensión nominal. Por lo tanto, podemos suponer que Рpo = 0 y que la potencia medida por el vatímetro es la pérdida de potencia Рpc debido a la resistencia activa de los devanados del transformador.

En I1 actual, = I1nom obtener Pérdidas nominales de potencia para calentamiento de devanados. Rpk.nom, que se denominan pérdidas eléctricas o pérdidas por cortocircuito.

De la ecuación de voltaje para el transformador, así como del circuito equivalente (ver Fig. 1), obtenemos