După cum știți, sub sarcină înfăşurare secundară transformatorul este pornit de rezistenţa receptoarelor. În circuitul secundar, este setat un curent care este proporțional cu sarcina transformatorului. La alimentarea unui număr mare de receptoare, nu este neobișnuit cazurile în care izolația este ruptă fire de conectare. Dacă, în locurile de deteriorare a izolației, firele care alimentează receptorii intră în contact, atunci va avea loc un mod numit scurtcircuit (scurtcircuit) al secțiunii circuitului. În cazul în care un fire de conectare, provenind din înfășurare, se va închide undeva în punctele a și b, situate înaintea receptorului de energie (Figura 1), apoi se va produce un scurtcircuit în înfășurarea secundară a transformatorului. În acest mod, înfășurarea secundară va fi scurtcircuitată. În același timp, va continua să primească energie din înfășurarea primară și să o dea circuitului secundar, care acum constă numai din înfășurare și o parte din firele de conectare. 1 - înfășurare primară; 2 - înfășurare secundară; 3 - circuit magnetic Figura 1 - Scurtcircuit la bornele înfășurării secundare a transformatorului La prima vedere, se pare că, în cazul unui scurtcircuit, transformatorul trebuie să se prăbușească inevitabil, deoarece rezistența r 2 a firelor de înfășurare și de conectare este de zece ori mai mică decât rezistența r a receptorului. Dacă presupunem că rezistența de sarcină r este de cel puțin 100 de ori mai mare decât r 2, atunci curentul scurt circuit I 2k trebuie să fie de 100 de ori curentul I 2 la operatie normala transformator. Deoarece curentul primar crește și el de 100 de ori (I 1 ω 1 \u003d I 2 ω 2), pierderile în înfășurările transformatorului vor crește brusc, și anume de 100 2 ori (I 2 r), adică de 10.000 de ori. În aceste condiții, temperatura înfășurărilor va ajunge la 500-600 ° C în 1-2 s și se vor arde rapid. În plus, în timpul funcționării transformatorului între înfășurări, există întotdeauna forțe mecanice care tind să împingă înfășurarea separată în direcțiile radiale și axiale. Aceste eforturi sunt proporționale cu produsul curenților I 1 I 2 din înfășurări, iar dacă în timpul unui scurtcircuit fiecare dintre curenții I 1 și I 2 crește, de exemplu, de 100 de ori, atunci eforturile vor crește de 10.000 de ori. În acest caz, valoarea lor va ajunge la sute de tone și înfășurările transformatorului ar trebui distruse instantaneu. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă în practică. Transformatoarele rezistă, de regulă, la scurtcircuite în acele perioade foarte scurte de timp până când protecția le deconectează de la rețea. În cazul unui scurtcircuit, se manifestă brusc acțiunea unei rezistențe suplimentare, limitând curentul de scurtcircuit în înfășurări. Această rezistență este asociată cu fluxurile magnetice de scurgere Ф Р1 și Ф Р2, care se ramifică din fluxul principal Ф 0 și se închid fiecare în jurul unei părți a spirelor „propriei” înfășurări 1 sau 2 (Figura 2).

1 - înfășurare primară; 2 - înfășurare secundară; 3 - axa comună a înfășurărilor și miezul transformatorului; 4 - circuit magnetic; 5 - canalul principal de împrăștiere Figura 2 - Fluxuri de scurgere și dispunerea concentrică a înfășurărilor transformatorului Este foarte dificil de măsurat direct amploarea împrăștierii: căile de-a lungul cărora aceste fluxuri pot fi închise sunt prea diverse. Prin urmare, în practică, disiparea este evaluată prin efectul pe care îl are asupra tensiunii și curenților din înfășurări. Evident, fluxurile de scurgere cresc odată cu creșterea curentului care curge în înfășurări. De asemenea, este evident că în timpul funcționării normale a transformatorului, fluxul de scurgere este o fracțiune relativ mică din fluxul principal Ф 0 . Într-adevăr, fluxul de împrăștiere este legat doar de o parte a spirelor, fluxul principal este legat de toate spirele. În plus, fluxul de împrăștiere pentru cea mai mare parte a traseului este forțat să treacă prin aer, a cărui permeabilitate magnetică este luată ca unitate, adică este de sute de ori mai mică decât permeabilitatea magnetică a oțelului, de-a lungul căreia fluxul se închide Ф 0 . Toate acestea sunt valabile atât pentru funcționarea normală, cât și pentru modul de scurtcircuit al transformatorului. Totuși, deoarece fluxurile de scurgere sunt determinate de curenții din înfășurări, iar în modul de scurtcircuit, curenții cresc de sute de ori, fluxurile F p cresc cu aceeași cantitate; în același timp, ele depășesc semnificativ fluxul Ф 0 . Fluxurile de scurgere induc în înfășurările E p1 și E p2 de auto-inducție în faza electromagnetică direcționate împotriva curentului. Contraacțiunea, de exemplu, emf E p2 poate fi considerată ca o rezistență suplimentară în circuitul de înfășurare secundară atunci când este scurtcircuitat. Această rezistență se numește reactivă. Pentru înfășurarea secundară, este valabilă ecuația E 2 \u003d U 2 + I 2 r 2 + (-E p 2). În modul de scurtcircuit, U 2 \u003d 0 și ecuația sunt convertite după cum urmează: E 2 \u003d I 2K r 2K + (-E p2K) sau E 2 \u003d I 2K r 2K + I 2K x 2K, unde indicele „k” se referă la rezistențele și curenții în modul de scurtcircuit; I 2 K x 2 K - cădere de tensiune inductivă în regim de scurtcircuit, egală cu valoarea lui E p 2 K ; x 2 K - reactanța înfășurării secundare. Experiența arată că, în funcție de puterea transformatorului, rezistența x 2 este de 5-10 ori mai mare decât r 2. Prin urmare, în realitate, curentul I 2 K nu este 100, ci doar de 10-20 de ori mai mare decât curentul I 2 în timpul funcționării normale a transformatorului (neglijăm rezistența activă din cauza valorii sale mici). În consecință, în realitate, pierderile în înfășurări vor crește nu cu un factor de 10.000, ci doar cu un factor de 100-400; temperatura înfășurărilor în timpul scurtcircuitului (câteva secunde) va ajunge cu greu la 150-200 ° C și nu se vor produce daune grave la transformator în acest timp scurt. Deci, datorită disipării, transformatorul însuși este capabil să se protejeze de curenții de scurtcircuit. Toate fenomenele luate în considerare apar în timpul unui scurtcircuit la bornele (intrările) înfăşurării secundare (vezi punctele a şi b din Figura 1). Acesta este modul de urgență pentru majoritatea transformatoare de putereși, desigur, nu are loc în fiecare zi sau chiar în fiecare an. În timpul funcționării (15-20 de ani), un transformator poate avea doar câteva astfel de scurtcircuite severe. Cu toate acestea, trebuie proiectat și fabricat astfel încât să nu îl distrugă și să nu provoace un accident. Este necesar să ne imaginăm clar fenomenele care au loc în transformator în timpul unui scurtcircuit, pentru a asambla în mod conștient cele mai critice componente ale proiectării acestuia. În acest sens, una dintre cele mai importante caracteristici ale transformatorului, tensiunea de scurtcircuit, joacă un rol foarte important.

Experiență în scurtcircuit la transformator

Un test de scurtcircuit este un test al unui transformator cu un scurtcircuit al înfășurării secundare și curent nominalînfăşurare primară. Schema pentru efectuarea unui test de scurtcircuit este prezentată în fig. 11.3. Experimentul este efectuat pentru a determina valoarea nominală a curentului înfășurării secundare, pierderile de putere în fire și căderea de tensiune pe rezistența internă a transformatorului.

În cazul unui scurtcircuit în circuitul înfășurării secundare, curentul din acesta este limitat doar de rezistența internă mică a acestei înfășurări. Prin urmare, chiar și la valori relativ mici ale EMF E2, curentul I2 poate atinge valori periculoase, poate provoca supraîncălzirea înfășurărilor, distrugerea izolației și defectarea transformatorului. Având în vedere acest lucru, experimentul începe la tensiune zero la intrarea transformatorului, adică. la . Apoi creșteți treptat tensiunea înfășurării primare până la o valoare la care curentul înfășurării primare atinge valoarea nominală. În acest caz, curentul înfășurării secundare, măsurat de ampermetrul A2, este luat egal cu valoarea nominală. Tensiunea se numește tensiune de scurtcircuit.
Valoarea tensiunii înfășurării primare în testul de scurtcircuit este mică și se ridică la 5 ¸ 10% din valoarea nominală. Prin urmare, valoarea efectivă a EMF a înfășurării secundare E2 este 2 ¸ 5%. Proporțional cu valoarea EMF, fluxul magnetic scade și, prin urmare, pierderea de putere în circuitul magnetic - Pc. Rezultă din aceasta că citirile wattmetrului în testul de scurtcircuit determină practic doar pierderile în firele Ppr și
(11.3)
Exprimăm curentul I2K prin curentul redus

Luăm în calcul asta și de asemenea
.
Apoi rescriem expresia (11.3) ca
(11.4)
unde RK este rezistența activă a transformatorului în modul de scurtcircuit și
(11.5)
Valoarea rezistenței active a transformatorului vă permite să calculați reactanța inductivă a acestuia

Când se calculează cu precizie, trebuie să se țină cont de faptul că RK depinde de temperatură. Prin urmare, impedanța transformatorului se determină redusă la o temperatură de 750C, adică.

.
Acum este ușor să determinați căderea de tensiune pe rezistența internă a transformatorului - ZK:

În practică, ei folosesc valoarea dată a UK, ca procent, notând-o cu un asterisc, i.e.
(11.6)
Această valoare este dată pe plăcuța de identificare a transformatorului.
Cunoştinţe rezistență internă transformatorul vă permite să reprezentați circuitul său echivalent sub forma Fig. 11.4. Diagrama vectorială corespunzătoare acestei scheme este prezentată în fig. 11.5.
Diagrama vectorială vă permite să determinați scăderea tensiunii la ieșirea transformatorului D U din cauza căderii de tensiune pe rezistența complexă. Valoarea lui D U este definită ca distanța dintre linia dreaptă care iese din punctele începutului și sfârșitului vectorului și paralelă cu axa x. Din diagramă se poate observa că această valoare este suma catetelor a două triunghiuri dreptunghiulare, ale căror ipotenuze sunt și , iar unghiurile ascuțite sunt egale cu j2.
De aceea

În practică, valoarea relativă a DU este utilizată, în procente, indicată printr-un asterisc, i.e.
(11.7)
Pentru transformatoarele de mare putere (SH> 1000 V×A), experiența în scurtcircuit poate fi folosită pentru a controla raportul de transformare. Pentru astfel de transformatoare în modul de scurtcircuit, curentul fără sarcină poate fi neglijat, având în vedere

De aceea
(11.8)
Ultima expresie este mai precisă, cu atât puterea transformatorului este mai mare. Cu toate acestea, nu este acceptabil pentru transformatoarele de putere mică.

Toate transformatoarele funcționează în două moduri principale: sub sarcină și la relanti. Cu toate acestea, se cunoaște un alt mod de funcționare, în care forțele mecanice și fluxul de scurgere în înfășurări cresc brusc. Acest mod se numește scurtcircuit la transformator. Această situație apare atunci când înfășurarea primară primește putere, când secundarul se închide pe intrările sale. În timpul scurtcircuitului are loc reactanța, în timp ce curentul către înfășurarea secundară continuă să curgă din primar.

Apoi curentul este dat consumatorului, care este înfășurarea secundară. Astfel, are loc procesul de scurtcircuitare a transformatorului.

Esența scurtcircuitului

Într-o secțiune închisă, apare o rezistență, a cărei valoare este mult mai mică decât rezistența la sarcină. Există o creștere bruscă a curenților primari și secundari, care pot arde instantaneu înfășurările și pot distruge complet transformatorul. Totuși, acest lucru nu se întâmplă și protecția reușește să o deconecteze de la rețea. Acest lucru se datorează faptului că disipările și câmpurile crescute ale transformatorului reduc semnificativ impactul curenților de scurtcircuit și oferă, de asemenea, protecție înfășurării împotriva sarcinilor electrodinamice și termice. Prin urmare, chiar dacă există pierderi în înfășurări, pur și simplu nu au timp să își exercite impactul negativ.

Avertizare de scurtcircuit

În timpul funcționării normale a transformatorului, valoarea forțelor electrodinamice are o valoare minimă. În decursul timpului se înregistrează o creștere a curenților și eforturilor de zece ori, creând un pericol grav. Ca urmare, înfășurările pot fi deformate, stabilitatea lor se pierde, bobinele sunt îndoite, garniturile sunt zdrobite sub influența forțelor axiale.

Pentru a reduce forțele electrodinamice, înfășurările sunt presate axial în timpul asamblarii. Această operație se efectuează în mod repetat: mai întâi, atunci când înfășurările sunt montate și grinzile superioare sunt instalate și apoi, după ce partea activă s-a uscat. A doua operație este de o importanță deosebită pentru reducerea eforturilor, deoarece presarea de proastă calitate, sub acțiunea unei închideri, poate avea ca rezultat forfecarea sau distrugerea bobinei. Un pericol serios este coincidența autorezonanței bobinei cu frecvența prezentă în forța electrodinamică. Rezonanța poate provoca forțe care sunt complet inofensive când Mod normal muncă.

Pentru a îmbunătăți calitatea transformatorului, în timpul asamblarii, trebuie să eliminați imediat posibila contracție a izolației, să aliniați toate înălțimile și să asigurați o presare de înaltă calitate. Sub rezerva proceselor tehnologice necesare, un scurtcircuit al transformatorului se poate descurca fără consecințe grave.

Scurtcircuit al transformatorului în funcțiune

Scurtcircuite în instalații electrice apar de obicei din cauza oricăror defecțiuni ale rețelelor (cu deteriorarea mecanică a izolației, defecțiunea electrică a acesteia ca urmare a supratensiunilor etc.) sau din cauza acțiunilor eronate ale personalului operator.

Pentru un transformator, un scurtcircuit este foarte periculos, deoarece se generează curenți foarte mari. Când bornele înfășurării secundare sunt scurtcircuitate, rezistența de sarcină Zн este practic egală cu zero și, prin urmare, tensiunea la bornele înfășurării secundare U2 este, de asemenea, egală cu zero. Astfel, tensiunea U1 aplicată înfășurării primare va fi echilibrată de scăderea de tensiune în impedanțele înfășurărilor primare și secundare zK=Z1+Z2.Circuitul echivalent pentru o fază a transformatorului în timpul unui scurtcircuit este prezentat în fig. 11, a.

Ecuația de echilibru e. d.s. înfășurarea primară a transformatorului în cazul unui scurtcircuit al înfășurării secundare se va scrie în următoarea formă:

U1=Ikzk unde Ik este curentul de scurtcircuit.

Pe fig. 11b prezintă o diagramă vectorială pentru o fază a unui transformator în timpul unui scurtcircuit. Vectorul curent de scurtcircuit Ik este îndreptat vertical în sus. Paralel cu vectorul curent, vectorul căderii de tensiune în rezistența activă a scurtcircuitului IkRk este direcționat. Întors față de vectorul curent cu - în direcția de avans (în sens invers acelor de ceasornic, vectorul căderii de tensiune cu reactanța inductivă transformator de izolare

Suma geometrică a vectorilor IkRk va determina vectorul tensiunii U1 aplicat înfășurării primare, care este rotit în sus față de vectorul curent de scurtcircuit Ik în direcția de avans cu unghiul de scurtcircuit pk. Acest unghi depinde

pe raportul dintre rezistențele xk și rk. Cu cât rezistența inductivă xk este mai mare și cu cât rezistența activă rk este mai mică, cu atât unghiul φ va fi mai mare. Astfel, curentul de scurtcircuit al transformatorului Ik=U1/zk

Deoarece căderea de tensiune în impedanța înfășurărilor transformatorului la curentul nominal este de 5-7% din tensiunea nominală, adică curentul de scurtcircuit va fi mai mare decât curentul nominal de atâtea ori cât tensiunea nominală este mai mare decât tensiunea scăderea impedanței înfășurărilor la curentul nominal.

Raportul Ik/In=100/uk se numește raportul curentului de scurtcircuit, unde Uk este tensiunea de scurtcircuit.

Prin urmare, curentul de scurtcircuit al transformatorului este de multe ori mai mare decât curentul nominal.Aici ne-am referit la valoarea constantă a curentului de scurtcircuit al transformatorului. Un astfel de curent, de multe ori mai mare decât curentul nominal, va curge în înfășurările transformatorului pe toată durata scurtcircuitului, indiferent cât de mare ar fi acesta. Cu toate acestea, în momentul unui scurtcircuit, multiplicitatea curentului de scurtcircuit poate fi și mai mare. În funcție de valoarea instantanee a tensiunii aplicate, curentul instantaneu de scurtcircuit diferă de 2 ori de starea staționară.

Dacă scurtcircuitul înfășurării secundare a transformatorului a avut loc în momentul în care valoarea instantanee a tensiunii u este egală cu valoarea maximă Uim, atunci curentul instantaneu de scurtcircuit

În cazul unui scurtcircuit în momentul în care tensiunea este zero, curentul de scurtcircuit instantaneu va fi de 2 ori curentul constant.

Curentul de scurtcircuit crește brusc temperatura înfășurării, ceea ce amenință integritatea izolației. Pierderile în firele înfășurărilor transformatorului sunt proporționale cu curentul la a doua putere. Prin urmare, în cazul în care curentul de scurtcircuit se dovedește a fi, de exemplu, de 20 de ori mai mare decât curentul nominal, pierderile în firele înfășurărilor vor fi de 400 de ori mai mari decât la curentul nominal (dacă nu luați în considerare creșterea rezistenței înfășurării de la încălzire). Eliberarea de putere mare în firele înfășurărilor determină o creștere bruscă a temperaturii acestora, în urma căreia integritatea izolației poate fi ruptă și transformatorul poate eșua.

Prin urmare, toate transformatoarele sunt echipate cu o protecție suficient de rapidă, care oprește transformatorul în cazul unui scurtcircuit. Dacă timpul în care transformatorul se află în modul scurtcircuit este scurt, înfășurările sale nu vor avea timp să se încălzească până la o temperatură periculoasă pentru izolarea lor.

Un scurtcircuit al unui transformator este foarte periculos, deoarece poate duce la distrugerea acestuia. Dacă curenții curg în aceeași direcție în două fire paralele, aceste fire sunt atrase unele de altele, iar dacă curenții sunt direcționați în sens opus, firele se resping reciproc.

Un transformator are multe spire paralele între ele, fiecare dintre acestea putând fi considerată ca un fir separat. În spirele oricărei înfășurări (primare sau secundare) curenții curg în aceeași direcție, astfel încât toate spirele unei înfășurări sunt atrase reciproc. Forțele de magnetizare ale înfășurărilor primare și secundare sunt în direcția opusă, astfel încât înfășurările tind să se respingă reciproc.

Forțele mecanice care acționează asupra înfășurărilor depind de proiectarea înfășurărilor, de plasarea spirelor și de curenții care curg în înfășurări. În înfășurările simetrice concentrice, forțele F care acționează asupra înfășurărilor sunt direcționate perpendicular pe axa bobinelor; în înfășurările cu disc alternativ, forțele sunt direcționate paralel cu axa bobinelor.

Deoarece forțele care acționează asupra firelor cu curent depind de produsul curenților, forțele F care acționează asupra înfășurărilor transformatoarelor în timpul unui scurtcircuit vor fi de multe ori mai mari decât forțele care apar la sarcina nominală. Sub acțiunea unor forțe mecanice foarte mari, înfășurările transformatorului sunt deformate în așa măsură încât izolația poate fi ruptă și rezistența electrică a acestora este redusă brusc. Proiectarea înfășurărilor trebuie să fie proiectată pentru o astfel de rezistență mecanică care să reziste forțelor apărute în primul moment din curenții instantanei de scurtcircuit.

Modul de scurtcircuit al unui transformator este un astfel de mod atunci când bornele înfășurării secundare sunt închise de un conductor de curent cu o rezistență egală cu zero (ZH = 0). Un scurtcircuit al transformatorului în condiții de funcționare creează un mod de urgență, deoarece curentul secundar, și deci cel primar, crește de câteva zeci de ori față de cel nominal. Prin urmare, în circuitele cu transformatoare, se asigură protecția care, în cazul unui scurtcircuit, oprește automat transformatorul.

În condiții de laborator, este posibil să se efectueze un scurtcircuit de testare al transformatorului, în care bornele înfășurării secundare sunt scurtcircuitate și o astfel de tensiune Uk este aplicată primarului, la care curentul în înfășurarea primară. nu depășește valoarea nominală (Ik este caracteristica transformatorului indicată în pașaport.

În acest fel (%):

unde U1nom este tensiunea primară nominală.

Tensiunea de scurtcircuit depinde de tensiune mai mareînfăşurările transformatorului. Deci, de exemplu, la cea mai mare tensiune de 6-10 kV uK = 5,5%, la 35 kV uK = 6,5÷7,5%, la 110 kV uK = 10,5% etc. După cum se poate observa, cu creșterea tensiunii nominale mai mari crește tensiunea de scurtcircuit a transformatorului.

Când tensiunea Uk este de 5-10% din tensiunea primară nominală, curentul de magnetizare (curent fără sarcină) scade de 10-20 de ori sau chiar mai semnificativ. Prin urmare, în modul de scurtcircuit, se consideră că

Fluxul magnetic principal Ф scade și el de 10-20 de ori, iar fluxurile de scurgere ale înfășurărilor devin proporționale cu fluxul principal.

Deoarece în cazul unui scurtcircuit al înfășurării secundare a transformatorului, tensiunea la bornele sale U2 = 0, ecuația e. d.s. pentru ea ia forma

iar ecuația tensiunii pentru transformator se scrie ca

Această ecuație corespunde circuitului echivalent al transformatorului prezentat în fig. unu.

Schema vectorială a unui transformator în timpul unui scurtcircuit corespunzătoare ecuației și diagramei din fig. 1 este prezentată în fig. 2. Tensiunea de scurtcircuit are componente active și reactive. Unghiul φk dintre vectorii acestor tensiuni și curenți depinde de raportul dintre componentele inductive active și reactive ale rezistenței transformatorului.

Orez. 1. Circuit echivalent transformator în caz de scurtcircuit

Orez. 2. Schema vectorială a unui transformator în scurtcircuit

Pentru transformatoare cu puterea nominală de 5-50 kVA XK/RK = 1 ÷ 2; cu o putere nominală de 6300 kVA sau mai mult XK/RK = 10 sau mai mult. Prin urmare, se crede că pentru transformatoarele de mare putere UK = Ukr, iar impedanța ZK = Hk.

experiență în scurtcircuit.

Acest experiment, ca și testul cu circuit deschis, este efectuat pentru a determina parametrii transformatorului. Este asamblat un circuit (Fig. 3), în care înfășurarea secundară este scurtcircuitată de un jumper sau conductor metalic cu o rezistență aproape de zero. Înfășurării primare se aplică o tensiune Uk, la care curentul din ea este egal cu valoare nominala I1nom.

Orez. 3. Diagrama experienței de scurtcircuit al transformatorului

Conform datelor de măsurare, următorii parametri transformator.

Tensiune de scurtcircuit

unde UK este tensiunea măsurată de voltmetru la I1, = I1nom. În modul de scurtcircuit, Marea Britanie este foarte mică, astfel încât pierderile fără sarcină sunt de sute de ori mai mici decât la tensiunea nominală. Astfel, putem presupune că Рpo = 0 și puterea măsurată de wattmetru este pierderea de putere Рpc din cauza rezistenței active a înfășurărilor transformatorului.

La curentul I1, = I1nom get pierderile de putere nominale pentru încălzirea bobinajului Rpk.nom, care sunt numite pierderi electrice sau pierderi de scurtcircuit.

Din ecuația tensiunii pentru transformator, precum și din circuitul echivalent (vezi Fig. 1), obținem

unde ZK este impedanța transformatorului.