1 - avvolgimento primario; 2 - avvolgimento secondario; 3 - asse comune degli avvolgimenti e del nucleo del trasformatore; 4 - circuito magnetico; 5 - canale di diffusione principale
Figura 2 - Flussi di dispersione e disposizione concentrica degli avvolgimenti del trasformatore È molto difficile misurare direttamente l'entità dello scattering: i percorsi lungo i quali questi flussi possono essere chiusi sono troppo diversi. Pertanto, in pratica, la dissipazione viene valutata dall'effetto che ha sulla tensione e sulle correnti negli avvolgimenti. Ovviamente, i flussi di dispersione aumentano con l'aumentare della corrente che scorre negli avvolgimenti. È anche ovvio che durante il normale funzionamento del trasformatore, il flusso di dispersione è una frazione relativamente piccola del flusso principale Ф 0 . Infatti il flusso di dispersione è legato solo ad una parte delle spire, il flusso principale è legato a tutte le spire. Inoltre, il flusso di dispersione per la maggior parte del percorso è costretto a passare attraverso l'aria, la cui permeabilità magnetica è considerata unitaria, ovvero è centinaia di volte inferiore alla permeabilità magnetica dell'acciaio, lungo la quale il flusso si chiude Ф 0 . Tutto ciò vale sia per il normale funzionamento che per la modalità di cortocircuito del trasformatore. Tuttavia, poiché i flussi di dispersione sono determinati dalle correnti negli avvolgimenti, e nella modalità di cortocircuito, le correnti aumentano centinaia di volte, i flussi F p aumentano della stessa quantità; allo stesso tempo, superano significativamente il flusso Ф 0 . I flussi di dispersione inducono negli avvolgimenti fem di autoinduzione E p1 ed E p2 diretti contro corrente. La controazione, ad esempio, emf E p2 può essere considerata come una resistenza aggiuntiva nel circuito di avvolgimento secondario quando è cortocircuitata. Questa resistenza è chiamata reattiva. Per l'avvolgimento secondario è valida l'equazione E 2 \u003d U 2 + I 2 r 2 + (-E p 2). In modalità cortocircuito, U 2 \u003d 0 e l'equazione viene convertita come segue: E 2 \u003d I 2K r 2K + (-E p2K), o E 2 \u003d I 2K r 2K + I 2K x 2K, dove il l'indice "k" si riferisce a resistenze e correnti in modalità di cortocircuito; I 2 K x 2 K - caduta di tensione induttiva in modalità cortocircuito, pari al valore di E p 2 K ; x 2 K - reattanza dell'avvolgimento secondario. L'esperienza mostra che, a seconda della potenza del trasformatore, la resistenza x 2 è 5-10 volte maggiore di r 2. Pertanto, in realtà, la corrente I 2 K non è 100, ma solo 10-20 volte maggiore della corrente I 2 durante il normale funzionamento del trasformatore (trascuriamo la resistenza attiva a causa del suo piccolo valore). Di conseguenza, in realtà, le perdite negli avvolgimenti aumenteranno non di 10.000, ma solo di 100-400 volte; la temperatura degli avvolgimenti durante il cortocircuito (pochi secondi) difficilmente raggiungerà i 150-200°C e durante questo breve tempo non si verificheranno gravi danni al trasformatore. Quindi, grazie alla dissipazione, il trasformatore stesso è in grado di autoproteggersi dalle correnti di cortocircuito. Tutti i fenomeni considerati si verificano durante un cortocircuito ai capi (ingressi) dell'avvolgimento secondario (vedi punti a e b di Figura 1). Questa è la modalità di emergenza per la maggior parte trasformatori di potenza e, naturalmente, non si verifica tutti i giorni e nemmeno ogni anno. Durante il funzionamento (15-20 anni), un trasformatore può presentare solo pochi cortocircuiti così gravi. Tuttavia, deve essere progettato e fabbricato in modo tale da non distruggerlo e causare incidenti. È necessario immaginare chiaramente i fenomeni che si verificano nel trasformatore durante un cortocircuito, per assemblare consapevolmente i componenti più critici del suo progetto. A questo proposito, una delle caratteristiche più importanti del trasformatore, la tensione di cortocircuito, gioca un ruolo molto significativo.
Esperienza di cortocircuito del trasformatore
Un test di cortocircuito è un test di un trasformatore con un cortocircuito dell'avvolgimento secondario e corrente nominale avvolgimento primario. Lo schema per condurre un test di cortocircuito è mostrato in fig. 11.3. L'esperimento viene eseguito per determinare il valore nominale della corrente dell'avvolgimento secondario, le perdite di potenza nei fili e la caduta di tensione attraverso la resistenza interna del trasformatore.
In caso di cortocircuito nel circuito dell'avvolgimento secondario, la corrente in esso è limitata solo dalla piccola resistenza interna di questo avvolgimento. Pertanto, anche a valori relativamente piccoli dell'EMF E2, la corrente I2 può raggiungere valori pericolosi, causare surriscaldamento degli avvolgimenti, distruzione dell'isolamento e guasto del trasformatore. Considerando questo, l'esperimento inizia a tensione zero all'ingresso del trasformatore, cioè A . Quindi aumentare gradualmente la tensione dell'avvolgimento primario fino a un valore al quale la corrente dell'avvolgimento primario raggiunge il valore nominale. In questo caso, la corrente dell'avvolgimento secondario, misurata dall'amperometro A2, è presa uguale al nominale. La tensione è chiamata tensione di cortocircuito.
Il valore di tensione dell'avvolgimento primario nella prova di cortocircuito è piccolo e ammonta al 5 ¸ 10% del valore nominale. Pertanto, il valore effettivo dell'EMF dell'avvolgimento secondario E2 è 2 ¸ 5%. In proporzione al valore dell'EMF, il flusso magnetico diminuisce e quindi la perdita di potenza nel circuito magnetico - Pc. Ne consegue che le letture del wattmetro nel test di cortocircuito determinano praticamente solo le perdite nei fili Ppr, e 
(11.3)
Esprimiamo la corrente I2K attraverso la corrente ridotta
Teniamo conto di questo e anche di quello 
.
Quindi riscriviamo l'espressione (11.3) come
(11.4)
dove RK è la resistenza attiva del trasformatore in modalità cortocircuito e
(11.5)
Il valore della resistenza attiva del trasformatore consente di calcolare la sua reattanza induttiva 
Quando si calcola con precisione, è necessario tenere conto del fatto che RK dipende dalla temperatura. Pertanto, l'impedenza del trasformatore è determinata ridotta ad una temperatura di 750C, cioè
.
Ora è facile determinare la caduta di tensione attraverso la resistenza interna del trasformatore - ZK:
In pratica, usano il valore dato di UK, come percentuale, denotandolo con un asterisco, cioè 
(11.6)
Questo valore è riportato sulla targhetta del trasformatore.
Conoscenza resistenza interna il trasformatore consente di rappresentare il suo circuito equivalente sotto forma di Fig. 11.4. Il diagramma vettoriale corrispondente a questo schema è mostrato in fig. 11.5.
Il diagramma vettoriale consente di determinare la diminuzione della tensione all'uscita del trasformatore D U dovuta alla caduta di tensione attraverso la resistenza complessa. Il valore di D U è definito come la distanza tra la retta emergente dai punti di inizio e fine del vettore e parallela all'asse x. Si può vedere dal diagramma che questo valore è la somma dei cateti di due triangoli rettangoli, le cui ipotenuse sono e , e gli angoli acuti sono uguali a j2.
Ecco perché
In pratica si usa il valore relativo di DU, in percentuale, indicato da un asterisco, cioè
(11.7)
Per i trasformatori ad alta potenza (SH> 1000 V×A), è possibile utilizzare l'esperienza di cortocircuito per controllare il rapporto di trasformazione. Per tali trasformatori in modalità di cortocircuito, la corrente a vuoto può essere trascurata, considerando
Ecco perché 
(11.8)
L'ultima espressione è più accurata, maggiore è la potenza del trasformatore. Tuttavia, non è accettabile per i trasformatori a bassa potenza.
Tutti i trasformatori funzionano in due modalità principali: sotto carico e al minimo. Tuttavia, è nota un'altra modalità di funzionamento, in cui le forze meccaniche e il flusso di dispersione negli avvolgimenti aumentano notevolmente. Questa modalità è chiamata cortocircuito del trasformatore. Questa situazione si verifica quando l'avvolgimento primario riceve alimentazione, quando il secondario si chiude sui suoi ingressi. Durante il cortocircuito si verifica la reattanza, mentre la corrente al secondario continua a fluire dal primario.
Quindi la corrente viene fornita al consumatore, che è l'avvolgimento secondario. Pertanto, si verifica il processo di cortocircuito del trasformatore.
L'essenza del cortocircuito
In una sezione chiusa sorge una resistenza il cui valore è molto inferiore alla resistenza di carico. C'è un forte aumento delle correnti primarie e secondarie, che possono bruciare istantaneamente gli avvolgimenti e distruggere completamente il trasformatore. Tuttavia, ciò non accade e la protezione riesce a disconnetterlo dalla rete. Ciò è dovuto al fatto che l'aumento delle dissipazioni e dei campi del trasformatore riduce significativamente l'impatto delle correnti di cortocircuito e fornisce anche protezione dell'avvolgimento dai carichi elettrodinamici e termici. Pertanto, anche se ci sono perdite negli avvolgimenti, semplicemente non hanno il tempo di esercitare il loro impatto negativo.
Avviso di cortocircuito
Durante il normale funzionamento del trasformatore, il valore delle forze elettrodinamiche ha un valore minimo. Nel tempo, le correnti e gli sforzi aumentano di dieci volte, creando un serio pericolo. Di conseguenza, gli avvolgimenti possono deformarsi, la loro stabilità si perde, le bobine si piegano, le guarnizioni si schiacciano sotto l'influenza delle forze assiali.
Per ridurre le forze elettrodinamiche, gli avvolgimenti vengono premuti assialmente durante il montaggio. Questa operazione viene eseguita ripetutamente: prima, quando gli avvolgimenti sono montati e le travi superiori sono installate, quindi, dopo che la parte attiva si è asciugata. La seconda operazione è di particolare importanza per ridurre gli sforzi, in quanto una pressatura di scarsa qualità, sotto l'azione di una chiusura, può portare alla cesoiatura o alla distruzione del coil. Un grave pericolo è la coincidenza dell'autorisonanza della bobina con la frequenza presente nella forza elettrodinamica. La risonanza può causare forze che sono completamente innocue quando modalità normale lavoro.
Per migliorare la qualità del trasformatore, durante l'assemblaggio, è necessario eliminare immediatamente il possibile restringimento dell'isolamento, allineare tutte le altezze e garantire una pressatura di alta qualità. Fatti salvi i necessari processi tecnologici, un cortocircuito del trasformatore potrebbe benissimo fare a meno di gravi conseguenze.
Cortocircuito del trasformatore in funzione
Cortocircuiti in installazioni elettriche di solito sorgono a causa di eventuali malfunzionamenti nelle reti (con danni meccanici all'isolamento, sua rottura elettrica a seguito di sovratensioni, ecc.) o per azioni errate del personale operativo.
Per un trasformatore, un cortocircuito è molto pericoloso, poiché vengono generate correnti molto elevate. Quando i capi dell'avvolgimento secondario sono cortocircuitati, la resistenza di carico Zí è praticamente nulla e, quindi, anche la tensione ai capi dell'avvolgimento secondario U2 è uguale a zero. Pertanto, la tensione U1 applicata all'avvolgimento primario sarà bilanciata dalla caduta di tensione nelle impedenze degli avvolgimenti primario e secondario zK=Z1+Z2 Il circuito equivalente per una fase del trasformatore durante un cortocircuito è mostrato in fig. 11, un.
Equazione di equilibrio e. ds l'avvolgimento primario del trasformatore in caso di cortocircuito dell'avvolgimento secondario sarà scritto nella seguente forma:
U1=Ikzk dove Ik è la corrente di corto circuito.
Sulla fig. 11b mostra un diagramma vettoriale per una fase di un trasformatore durante un cortocircuito. Il vettore di corrente di cortocircuito Ik è diretto verticalmente verso l'alto. Parallelamente al vettore corrente, è diretto il vettore della caduta di tensione nella resistenza attiva del cortocircuito IkRk. Ruotato rispetto al vettore corrente di - nella direzione di avanzamento (in senso antiorario il vettore di caduta di tensione di reattanza induttiva trasformatore di isolamento
La somma geometrica dei vettori IkRk determinerà il vettore della tensione U1 applicata all'avvolgimento primario, che viene risvoltato rispetto al vettore della corrente di cortocircuito Ik nella direzione di avanzamento dell'angolo di cortocircuito pk. Questo angolo dipende
sul rapporto delle resistenze xk e rk. Maggiore è la resistenza induttiva xk e minore è la resistenza attiva rk, maggiore sarà l'angolo φ. Pertanto, la corrente di corto circuito del trasformatore Ik=U1/zk
Poiché la caduta di tensione nell'impedenza degli avvolgimenti del trasformatore alla corrente nominale è del 5-7% della tensione nominale, ovvero la corrente di cortocircuito sarà maggiore della corrente nominale tante volte quanto la tensione nominale è maggiore della tensione caduta di impedenza degli avvolgimenti alla corrente nominale.
Il rapporto Ik/In=100/uk è detto rapporto della corrente di cortocircuito, dove Uk è la tensione di cortocircuito.
Pertanto, la corrente di cortocircuito del trasformatore è molte volte maggiore della corrente nominale, qui si intendeva il valore a regime della corrente di cortocircuito del trasformatore. Tale corrente, molte volte maggiore della corrente nominale, fluirà negli avvolgimenti del trasformatore durante l'intero tempo del cortocircuito, non importa quanto grande possa essere. Tuttavia, al momento di un cortocircuito, la molteplicità della corrente di cortocircuito può essere anche maggiore. A seconda del valore istantaneo della tensione applicata, la corrente di cortocircuito istantanea differisce dallo stato stazionario di 2 volte.
Se il cortocircuito dell'avvolgimento secondario del trasformatore si è verificato nel momento in cui il valore istantaneo della tensione u è uguale al valore massimo Uim, allora la corrente di cortocircuito istantanea
In caso di cortocircuito nel momento in cui la tensione è nulla, la corrente di cortocircuito istantanea sarà 2 volte la corrente costante.
La corrente di cortocircuito aumenta notevolmente la temperatura dell'avvolgimento, che minaccia l'integrità dell'isolamento. Le perdite nei fili degli avvolgimenti del trasformatore sono proporzionali alla corrente alla seconda potenza. Pertanto, nel caso in cui la corrente di cortocircuito risulti essere, ad esempio, 20 volte maggiore della corrente nominale, le perdite nei fili degli avvolgimenti saranno 400 volte maggiori rispetto alla corrente nominale (se non si tenere conto dell'aumento della resistenza dell'avvolgimento dovuto al riscaldamento). Il rilascio di alta potenza nei fili degli avvolgimenti provoca un forte aumento della loro temperatura, a seguito del quale l'integrità dell'isolamento può essere interrotta e il trasformatore può guastarsi.
Pertanto, tutti i trasformatori sono dotati di una protezione sufficientemente rapida, che spegne il trasformatore in caso di cortocircuito. Se il tempo durante il quale il trasformatore è in modalità di cortocircuito è breve, i suoi avvolgimenti non avranno il tempo di riscaldarsi a una temperatura pericolosa per il loro isolamento.
Un cortocircuito di un trasformatore è molto pericoloso, in quanto può portare alla sua distruzione. Se le correnti scorrono nella stessa direzione in due fili paralleli, questi fili sono attratti l'uno dall'altro, e se le correnti sono dirette nella direzione opposta, i fili si respingono.
Un trasformatore ha molte spire parallele tra loro, ciascuna delle quali può essere considerata come un filo separato. Nelle spire di uno qualsiasi degli avvolgimenti (primari o secondari) le correnti scorrono nella stessa direzione, così che tutte le spire di un avvolgimento si attraggono reciprocamente. Le forze magnetizzanti degli avvolgimenti primario e secondario sono in direzione opposta, quindi gli avvolgimenti tendono a respingersi a vicenda.
Le forze meccaniche che agiscono sugli avvolgimenti dipendono dal progetto degli avvolgimenti, dal posizionamento delle spire e dalle correnti che scorrono negli avvolgimenti. Negli avvolgimenti concentrici simmetrici, le forze F agenti sugli avvolgimenti sono dirette perpendicolarmente all'asse delle spire; negli avvolgimenti alternati a disco, le forze sono dirette parallelamente all'asse delle spire
Poiché le forze che agiscono sui fili con corrente dipendono dal prodotto delle correnti, le forze F che agiscono sugli avvolgimenti dei trasformatori durante un cortocircuito saranno molte volte maggiori delle forze che si verificano al carico nominale. Sotto l'azione di forze meccaniche molto elevate, gli avvolgimenti del trasformatore si deformano a tal punto che l'isolamento può rompersi e la loro resistenza elettrica si riduce drasticamente. Il design degli avvolgimenti deve essere progettato per una resistenza meccanica tale da resistere alle forze derivanti al primo momento dalle correnti di cortocircuito istantanee.
La modalità di cortocircuito di un trasformatore è tale modalità quando i terminali dell'avvolgimento secondario sono chiusi da un conduttore di corrente con una resistenza pari a zero (ZH = 0). Un cortocircuito del trasformatore in condizioni operative crea una modalità di emergenza, poiché la corrente secondaria, e quindi quella primaria, aumenta di diverse decine di volte rispetto a quella nominale. Pertanto, nei circuiti con trasformatori, viene fornita una protezione che, in caso di cortocircuito, spegne automaticamente il trasformatore.
In condizioni di laboratorio, è possibile eseguire un cortocircuito di prova del trasformatore, in cui i terminali dell'avvolgimento secondario sono cortocircuitati e una tale tensione Uk viene applicata al primario, alla quale la corrente nell'avvolgimento primario non superi il valore nominale (Ik è la caratteristica del trasformatore indicata sul passaporto.
Così (%):
dove U1nom è la tensione primaria nominale.
La tensione di cortocircuito dipende da voltaggio più alto avvolgimenti del trasformatore. Quindi, ad esempio, alla massima tensione di 6-10 kV uK = 5,5%, a 35 kV uK = 6,5÷7,5%, a 110 kV uK = 10,5%, ecc. aumenta la tensione di cortocircuito del trasformatore.
Quando la tensione Uk è del 5-10% della tensione primaria nominale, la corrente di magnetizzazione (corrente a vuoto) diminuisce di 10-20 volte o anche di più. Pertanto, nella modalità di cortocircuito, si considera che
Anche il flusso magnetico principale Ф diminuisce di 10-20 volte e i flussi di dispersione degli avvolgimenti diventano commisurati al flusso principale.
Poiché in caso di cortocircuito dell'avvolgimento secondario del trasformatore, la tensione ai suoi terminali U2 = 0, l'equazione e. ds per lei prende forma
e l'equazione di tensione per il trasformatore è scritta come
Questa equazione corrisponde al circuito equivalente del trasformatore mostrato in fig. 1.
Il diagramma vettoriale di un trasformatore durante un cortocircuito corrispondente all'equazione e al diagramma di fig. 1 è mostrato in fig. 2. La tensione di cortocircuito presenta componenti attive e reattive. L'angolo φk tra i vettori di queste tensioni e correnti dipende dal rapporto tra le componenti induttive attive e reattive della resistenza del trasformatore.
Riso. 1. Circuito equivalente del trasformatore in caso di cortocircuito
Riso. 2. Diagramma vettoriale di un trasformatore in cortocircuito
Per trasformatori di potenza nominale 5-50 kVA XK/RK = 1 ÷ 2; con potenza nominale uguale o superiore a 6300 kVA XK/RK = 10 o superiore. Pertanto, si ritiene che per i trasformatori di alta potenza UK = Ukr e l'impedenza ZK = Hk.
esperienza di cortocircuito.
Questo esperimento, come il test a circuito aperto, viene eseguito per determinare i parametri del trasformatore. Viene assemblato un circuito (Fig. 3), in cui l'avvolgimento secondario è cortocircuitato da un ponticello o conduttore metallico con una resistenza prossima allo zero. Una tensione Uk viene applicata all'avvolgimento primario, alla quale la corrente in esso è uguale a valore nominale I1nom.
Riso. 3. Diagramma di esperienza di cortocircuito del trasformatore
Secondo i dati di misurazione, seguenti parametri trasformatore.
Tensione di cortocircuito
dove UK è la tensione misurata dal voltmetro a I1, = I1nom. In modalità di cortocircuito, UK è molto piccolo, quindi le perdite a vuoto sono centinaia di volte inferiori rispetto alla tensione nominale. Pertanto, possiamo assumere che Рpo = 0 e la potenza misurata dal wattmetro è la perdita di potenza Рpc dovuta alla resistenza attiva degli avvolgimenti del trasformatore.
Alla corrente I1, = I1nom get potenza dissipata nominale per il riscaldamento degli avvolgimenti Rpk.nom, che sono chiamati perdite elettriche o perdite da cortocircuito.
Dall'equazione della tensione per il trasformatore, nonché dal circuito equivalente (vedi Fig. 1), otteniamo
dove ZK è l'impedenza del trasformatore.
