Понятие потерь холостого хода трансформатора и как их определить, формулы и таблицы

Понятие холостого хода трансформатора

Когда у трансформатора наблюдается выделенное питание одной обмотки, а другие пребывают в разомкнутом состоянии. Этот процесс приводит к утечке энергии, что и называют потерями холостого хода. Его развитие происходит под влиянием ряда внешних и внутренних факторов.

Мощность трансформатора не используется в полной мере, а часть энергии утрачается по причине некоторых магнитных процессов, особенностями первичной обмотки и изоляционного слоя. Последний вариант влияет при использовании приборов, функционирующих на повышенной частоте.

Какие факторы влияют на потери

Современные трансформаторы в условиях полной нагрузки достигают 99% КПД. Но устройства продолжают совершенствовать, пытаясь снизить утрату энергии, которая практически равны сумме потерь холостого хода, возникающих под влиянием разнообразных факторов.

Изоляция

Если на стягивающих шпильках установлена плохая изоляция или ее недостаточно, возникает замкнутый накоротко контур. Это один из главных факторов данной проблемы трансформатора. Поэтому процессу изоляции следует уделять больше внимания, используя для этих целей качественные специализированные материалы.

Вихревые токи

Развитие вихревых токов связано с течением магнитного потока по магнитопроводу. Их особенность в перпендикулярном направлении по отношению к потоку. Чтобы их уменьшить, магнитопровод делают из отдельных элементов, предварительно изолированных. От толщины листа и зависит вероятность появления вихревых токов, чем она меньше, тем ниже риск их развития, приводящего к меньшим потерям мощности.

Чтобы уменьшить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали, в материал добавляют различные виды присадок.

Они улучшают свойства материала и позволяют снизить риск развития неблагоприятных процессов, плохо отражающихся на работе устройства.

Гистерезис

Как и переменный ток, магнитный поток также меняет свое направление. Это говорит о поочередном намагничивании и перемагничивании стали. Когда ток меняется от максимума до нуля, происходит размагничивание стали и уменьшение магнитной индукции, но с определенным опозданием.

При перемене направления тока кривая намагничивания формирует петлю гистерезиса. Она отличается в разных сортах стали и зависит от того, какие максимальные показатели магнитной индукции материал может выдержать. Петля охватывает мощность, которая постепенно перерасходуется на процесс намагничивания. При этом происходит нагревание стали, энергия, проводимая по трансформатору, превращается в тепловую и рассеивается в окружающую среду, то есть, она тратится зря, не принося никакой пользы всем пользователям.

Характеристики электротехнической стали

Для трансформаторов используют преимущественно холоднокатаную сталь. Но показатель потерь в ней зависит от того, насколько качественно собрали устройство, соблюдались ли все правила в ходе производственного процесса.

Для уменьшения потерь можно также немного добавить сечения проводам на обмотке. Но это не выгодно с финансовой точки зрения, ведь придется использовать больше магнитопровода и других важных материалов. Поэтому размер обмоточных проводов меняют редко. Пытаются найти другой, более экономичный способ решения этой проблемы.

Перегрев

В процессе работы трансформатора его элементы могут нагреваться. В этих условиях устройство не способно нормально выполнять свои функции. Все зависит от скорости этого процесса. Чем выше нагрев, тем быстрее прибор перестанет выполнять свои прямые функции и понадобится капитальный ремонт и замена определенных деталей.

В первичной обмотке

Если электрический ток по проводнику замыкается, то высокая вероятность утечки электрической энергии. Размер потерь зависит от величины тока в проводнике и его сопротивления, а также от показателя нагрузок, возлагаемых на прибор.

Таблица потерь силовых трансформаторов по справочным данным в зависимости от номинала

Чаще всего проблема утечки электроэнергии связана с движением вихревых токов и перемагничиванием. Под влиянием этих факторов нагревается магнитопровод, который обуславливает основную часть потерь холостого хода независимо от тока нагрузки. Развитие этого процесса происходит независимо от того, в каком режиме функционирует устройство.

Постепенно, под влиянием определенных факторов могут меняться эти показатели в сторону значительного увеличения.

Таблица потерь ХХ

. 7ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА

.7.1. Основные положения

Измерение потерь холостого хода относится к категориям контроля П
,
К
и
М
(см. введение).

Образование токопроводящих замкнутых контуров вокруг основного магнитного потока или его части вызывает местные нагревы, а в ряде случаев и искрения.

При нарушении межлистовой изоляции пластин магнитопровода, а также при замыкании этих пластин токо­проводящими частицами или предметами, в магнитопроводе возникает короткозамкнутый контур для вихревых токов. Эти токи вызывают местный нагрев магнитопровода, чем ускоряют дальнейшее разрушение изоляции пластин. Развитие процесса может привести к “пожару в стали”

и повреждению трансформатора (рис.6.1).

Рис. 6.1. ”Пожар в стали” магнитопровода При нарушении изоляции металличес­ких элементов крепле­ния активной части транс­фор­матора и (или) неправильном вы­пол­нении зазем­ле­ния эле­мен­тов транс­фор­матора возникает замкнутый токо­про­во­дящий кон­тур вокруг ос­новного маг­нитного потока. В этом слу­чае в местах не­плот­ного контакта между собой элементов этого конту­ра могут воз­ник­нуть местные нагревы и ис­крения.

Замыкание меж­ду витками обмоток, если оно является коротким, вызывает интенсивное вы­де­ление тепловой энер­­гии и быстрое сра­батывание защиты транс­форматора, действующей на его отклю­чение. При перемыкании проводов в многопараллельных обмотках, а также при замыкании между витками обмоток через повышенное пере­ходное сопротивление, наблюдается местный нагрев обмоток, который с течением времени приводит к разрушению изоляции и в конечном итоге — к короткому витковому замыканию.

Все вышеперечисленные дефекты, связанные с образованием токопроводящих замкнутых контуров вокруг основного магнитного потока или его части, вызывают увеличение потерь ХХ.

В трехфазном трансформаторе при измерении потерь ХХ прово­дят три опыта с приведением трехфазного трансформатора к однофазному путем замыкания накоротко одной из его фаз и возбуждения двух других. Замыкание накоротко одной из его фаз (или, что то же, закорачивание одной из его обмоток) делается для того, чтобы не иметь магнитного потока в этой фазе, а следовательно, не иметь в ней никаких потерь.

Например, если накоротко замкнуть фазу c

и подавать напряжение на фазы
a
и
b
обмотки НН, то измеряемые потери будут характеризовать потерю энергии на возбуждение фаз
a
и
b
(рис.6.2). Обозначим эти потери с учетом замыкаемой фазы, как P C . При отсутствии дефектов в трансформаторе потери Р А и Р С, измеренные при последовательном замыкании накоротко крайних фаз
a
и
c
, будут практически одинаковые (отличие не более 2 — 3 %), а потери Р В, измеренные при замыкании средней фазы
b
, будут превышать потери Р А или Р С на 35 — 40 % [Л.1]. Это объясняется различной длиной пути замыкания магнитного потока при возбуждении трансформатора по указанным схемам измерения. Зная потери в разных фазах можно сравнить их и убедиться, что трансформатор имеет правильное соотношение потерь и не имеет дефектов.

При возникновении какого-либо короткозамкнутого витка вокруг основного магнитного потока одного из стержней магнитопровода соотношение потерь, измеренных по этим схемам, изменится, причем появление короткозамкнутого витка вызывает увеличение потерь, поэтому дефектной будет та фаза, при закорачивании которой будут измерены наименьшие потери. Эта закономерность используется для выявления дефектной фазы [Л.2].

Вышеперечисленные дефекты могут возникнуть при монтаже или капитальном ремонте трансформатора. Поэтому в нормативных документах [Л.3] предлагается измерять потери ХХ при приемосдаточных испытаниях и после капитального ремонта.

У трехфазных трансформаторов при вводе в эксплуатацию и при капитальном ремонте соотношение потерь на разных фазах не должно отличаться от соотношений, приведенных в протоколе заводских испытаний (паспорте), более чем на 5%.

У однофазных трансформаторов при вводе в эксплуатацию отличие измеренных значений потерь от исходных не должно превышать 10%.

Рис. 6. 2. Измерение потерь ХХ при малом возбуждении с последовательным закорачиванием фаз Измерения в процессе эксплуатации производятся при комплексных испытаниях трансформатора. Отличие измеренных значений от исходных данных не должно превышать 30%.

Предположения о дефекте отвергаются, если выполняются ниже перечисленные условия [Л.2]:

.7.2. Методика измерения

Измерения производятся у трансформаторов мощностью 1000 кВ·А и более при напряжении, подводимом к обмотке низшего напряжения, равном указанному в протоколе заводских испытаний (паспорте). Для рассматриваемого метода оно обычно составляет 5-10% номинального. У трехфазных трансформаторов потери холостого хода измеряются при однофазном возбуждении по схемам, применяемым на заводе-изготовителе [Л.3].
Перед испытанием трансформатор должен быть надежно заземлен.

Замыкание накоротко одной фазы можно производить на любой обмотке трансформатора, т.е. на обмотке, к которой подводят напряжение при опыте ХХ, или другой, разомкнутой обмотке (рис.6.2); при этом руководствуются действительной схемой соединения обмоток трансформатора.

При измерении обычно подводят напряжение к двум фазам обмотки НН, а третью — закорачивают накоротко, добиваясь таким образом большего возбуждения магнитной системы. Опыт холостого хода обычно производят со стороны обмотки НН, так как измерение напряжения, тока и мощности легче производить при более низком напряжении.

Перед измерениями при малом напряжении ГОСТ 3484-77 предусматривает необходимость снятия остаточного намагничивания магнитной системы трансформатора, если перед этими измерениями производились работы, связанные с протеканием по обмоткам постоянного или переменного тока, а также если при отключении возбуждение трансформатора значительно (в 2 раза и более) превышало напряжение при котором производят измерения. Методы снятия остаточного намагничивания устанавливает ГОСТ 3484-77.

Вольтметр и ваттметр для измерений по возможности следует применять класса 0,2.

При испытании измеряют подводимое напряжение и суммарную мощность, потреб­ляемую испытуемым трансформатором и измерительными приборами. Затем определяют мощность, потребляемую измерительными приборами (Р пр), путем измерения или расчета. Измерение потерь в приборах производят по той же схеме, что и при измерении суммарных потерь (P изм), но при отключенном трансформаторе (рис 6.3), при одинаковом показании вольтметра (V).

Рис. 6. 3. Схема измерения потерь в приборах

Потребление приборов можно определить также по формуле

,

Потери в испытуемом трансформаторе вычисляют по формуле:

Приведенные к номинальному напряжению потери определяются по формулам:

В случае соединения возбуждаемой обмотки в треугольник

В случае соединения возбуждаемой обмотки в звезду

Обычно n

имеет следующие приближенные значения при возбуждении трансформатора напряжением 5-10% номинального:

Значение n может быть определено по формуле [Л4]

Если подводимое напряжение менее 5% номинального, то для приведения потерь показатель степени n

следует определять по данной формуле.

При пофазном измерении каждая фаза участвует в измерениях дваж­ды, поэтому общие потери трансформатора составят:

.7.3. Пример

Дан следующий трансформатор:
Потери холостого хода при заводских испытаниях P0 = 149,5 кВт.

Магнитопровод трансформатора изготовлен из горячекатанной стали толщиной листа 0,35 мм. Измерения производились пофазно.

Результаты даны в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Все измерения производились при частоте 50 Гц.
Напряжение (525 В) составляет 5% от номинального.

Потери в приборах составили 20 Вт.

Потери, приведенные к номинальному напряжению обмотки НН:

P прив.С = P прив. A =(428 — 20)  (10500 / 525) 1,8 = 89,64 кВт

P прив. B = (554 — 20)  (10500 / 525) 1,8 = 121,7 кВт

P 0 прив = (P прив.С + P прив. B + P прив. A) / 2 = (89,64 + 89,64 + 121,7) / 2 = 150,5 кВт,

что 0,5% больше заводских потерь холостого хода.

Потери P прив.С и P прив. A равны между собой, а P прив. B больше потерь P прив.С и P прив. A:

Все это указывает, что трансформатор вполне исправен и не имеет дефектов.

.7.4. Заполнение машинной формы результатов измерений

Для занесения в базу данных результатов измерений необходимо заполнить шаблон в соответствии с правилами, приведенными в “Инструкции пользователя”. Форма шаблона приводится ниже.
Обязательно нужно ввести «Дату проведения испытания» и указать «Вид испытания».

Форма имеет три вкладки: «По тери», «Пр иборы» и «При мечание». Перейти на нужную вкладку можно указав ее мышью.

В первой вкладке пользователем вводятся «Напряжения», «Токи» и «Измеренные потери» для каждого из трех опытов. Для однофазных трансформаторов заполняется только первый столбец таблицы. Если мощность, потребляемая приборами измерялась во время опытов, то ее значения тоже заносятся в поля формы, а если из паспортов приборов известны их сопротивления, то потери в приборах будут вычислены во время проведения экспертизы и результаты занесены в поля формы.

Экспертиза вычисляет также «Потери, приведенные к номинальному напряжению» и «Отличия приведенных потерь от базовых значений» для каждого опыта. Кроме этого, вычисляются «Общие потери холостого хода во всех фазах трансформатора при данном напряжении», «Общие потери холостого хода во всех фазах трансформатора приведенные к номинальному напряжению» и «Отличие общих приведенных потерь холостого хода от базовых потерь холостого хода при номинальном напряжении».

За базовые значения берутся данные из самого раннего по дате измерения потерь холостого хода для этого трансформатора.

Во второй вкладке вводятся номера используемых приборов и если нужно вычислять потери в приборах, то «Сопротивление вольСопротивление обмотки напряжения ваттметра».

В примечания можно ввести любой текст.

.7.5. Литература

1. Каганович Е. А., Райхман И. М. Испытание трансформаторов мощ­ностью до 6300 кВА и напряжением до 35 кВ. — М.: Энергия, 1980.
2. Филиппишин В. Я., Туткевич А. С. Монтаж силовых транс­форматоров.- М.: Энергоиздат, 1981.
3. Объем и нормы испытаний электрооборудования / Под общей редакцией Б. А. Алексеева, Ф. Л. Когана, Л. Г. Мамиконянца. — 6-е изд. — М.: НЦ ЭНАС, 1998. — 256 с.
4. Алексенко Г. В., Ашрятов А. К., Фрид Е. С. Испытание высоковольтных и мощных трансформаторов и автотрансформаторов, часть 1. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. — 672 с.
5. Нормы испытания электрооборудования. Под общей редакцией С.Г.Королева.- 5-е издание. — М.: Атомиздат, 1978.

Проверка устройства в режиме ХХ

Для этого выполняют такие действия:

1. С использованием вольтметра проверяют напряжение, подающееся на катушку.
2. Другим вольтметром исследуют напряжение на остальных выводах. Важно использовать устройство с достаточным сопротивлением, чтобы показатели были требуемого значения.
3. Выполняют присоединение амперметра к цепи первичной обмотки. С его помощью можно добиться определения силы тока холостого хода. Также прибегают к применению ваттметра, с помощью которого стараются выполнить измерение уровня мощности.

После получения показаний всех приборов выполняют расчеты, которые помогут в вычислении. Чтобы получить нужные данные, необходимо показатели первой обмотки разделить на вторую. С применением данных опыта ХХ с результатами короткозамкнутого режима определяют, насколько полно устройство выполняет свои действия.

Особенности режима ХХ в трехфазном трансформаторе

На функционирование трехфазного трансформатора в таком режиме влияют отличия в подключении обмоток: первичная катушка в виде треугольника и вторичная в форме звезды. Ток способствует созданию собственного потока.

Трехфазный ток в виде группы однофазных имеет такие особенности: замыкание ТГС магнитного потока происходит в каждой фазе за счет сердечника. Если напряжение будет постепенно увеличиваться, то в изоляции возникнет пробой и электроустановка рано или поздно выйдет из строя.

Если в трансформаторе используется бронестержневая магнитная система, то в нем можно наблюдать развитие похожих процессов.

Рабочие режимы эксплуатации транформаторов

Сегодня существуют различные виды и типы трансформаторов, но все они работают по одному и тому же принципу изменения напряжения. Таким образом, все существующие трансформаторы способны работать в одном из трех режимов: в режиме короткого замыкания, расчетной нагрузки и холостого хода. Для подключения любой электросистемы и электрооборудования требуется согласование подключения к электросетям.

В режиме работы короткого замыкания трансформатор функционирует в условиях, когда вторичная обмотка замкнута проводником с нулевым сопротивлением. Короткое замыкание на трансформаторном оборудовании может вызывать различные аварийные ситуации, угрожающие подключенным к прибору элементам электросети, чтобы аварии не приводили к повреждениям, на трансформаторах принято устанавливать специальную защиту, отключающую устройство при замыканиях.

В режиме расчетной нагрузки на вторичную обмотку трансформаторного устройства, оборудование начинает передавать нагрузке часто мощности. Из-за такого режима первичная обмотка будет получать большую мощность из электросистемы. Следует учитывать, что при возрастании тока на трансформаторе в режиме нагрузки, ток на первичной обмотке также будет увеличиваться.

Режимом холостого хода работы трансформаторного устройства называют функционирование оборудования в условиях разомкнутой вторичной обмотки. В этом случае по первичной обмотке будет проходить ток холостого хода, имеющий параметры активной и реактивной мощности, которые должны быть учтены специалистами, проводящими электроизмерения.

За счет исследования режима холостого хода, специалисты могут получать различную важную информацию, на основе которой можно будет сделать вывод о функциональности, безопасности и надежности работы устройства. Согласно современным законодательным нормам, первые электроизмерительные работы на трансформаторе проводятся после его установки и перед сдачей электросистемы в эксплуатацию собственникам. Эти замеры предназначены для определения соответствия параметров работы устройства заводским характеристикам, для выявления неисправностей в приборе и устранения обнаруженных ошибок до передачи электросети заказчику.

Вывод

Энергопотери в условиях холостого хода трансформатора связаны с магнитными потерями, потерями в первичной обмотке и изоляционном слое. Для снижения этого показателя до сих пор ведутся работы, несмотря на то, что КПД современных трансформаторов в условиях повышенной нагрузки составляет 99%.

Для снижения показателя утечки энергии необходимо снизить влияние провоцирующих факторов. Чтобы добиться этого, постоянно усовершенствуют технологию создания устройств, используют только прочные материалы, проверяя их экспериментальным путем.

Измерения тока холостого хода ↑

Измерение тока холостого хода трансформатора напряжения производится только специалистами с уровнем квалификации — не меньше 3 группы безопасности и при наличии соответствующих средств защиты. Поэтому информация о том, как измерить ток холостого хода трансформатора является скорее ознакомительной нежели практикоприменимой для людей, не имеющих соответствующего уровня подготовки. Для измерений используется опыт холостого хода.

Основные рекомендации:

• Все замеры необходимо производить при напряжении в 220 — 380 В, подавая его только на одну обмотку и оставляя остальные полностью свободными. Контролируйте напряжение с помощью вольтметра.
• До начала проведения измерений эксплуатируемых трансформаторов обязательно размагнитьте его магнитопровод, так как в нем все еще имеется остаточное намагничивание, возникшее из-за резкого сброса напряжения. Сделать это можно, пропустив постоянный ток с противоположной полярностью по одной обмотке для каждого стержня.
• Источником постоянного тока могут быть аккумуляторы переносного типа или выпрямительные устройства.
• Если вы производите замеры для трехфазного трансформатора, делать это следует с пофазно измеряя ток и потери. Так вы сможете не только обозначить отклонения от заводских параметров, но и выявить неисправную фазу.

Всего используют три способа измерить ток холостого хода трансформатора и его потери, поочередно коротко замыкая одну из фаз и возбуждая оставшиеся две.