Что такое номинальная мощность трансформатора. Силовые трансформаторы: номинальные режимы работы и величины. Основные параметры силовых трансформаторов

Основные выражения и уравнения для определения параметров трансформатора

Однофазные трансформаторы.

Действующие значения ЭДС, наводимых в первичной и вторичной обмотках, определяют

Е 1 =4,44 f w 1 Ф m

Е 2 = 4,44 f w 2 Ф m

где Е 1 и Е 2 - ЭДС первичной и вторичной обмоток, В; f - частота переменного тока, Гц; Ф m -амплитудное значение магнитного потока, Вб; w 1 , w 2 - число витков первичной и вторичной обмоток.

Отношение ЭДС обмоток, равное отношению чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации:

k тр = E 1 /E 2 = w 1 /w 2 ≈U 1 /U 2

Уравнение токов имеет вид

где I x - ток холостого хода трансформатора; I 1 , I 2 – ток первичной и вторичной обмоток

Пренебрегая током холостого хода, можно считать, что

I 1 /I 2 = w 1 /w 2

Токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числу витков этих обмоток

Определяют отношением активных мощностей на выходе и входе трансформатора:

где Р 2 - активная мощность, потребляемая нагрузкой трансформатора Вт; Р 1 - активная мощность, поступающая в первичную обмотку из сети, Вт; Р к и Р х - потери мощности при коротком замыкании и холостом ходе, Вт; Р э1 и Р э2 – электрические потери в первичной и вторичной обмотках, Вт.

КПД трансформатора при любой нагрузке определяют по формуле

где - коэффициент нагрузки, определяемый как отношение тока во вторичной обмотке к номинальному току вторичной обмотки; S ном = U 1ном I 1ном - полная мощность, потребляемая трансформатором при номинальной нагрузке, В А; соsφ 2 - коэффициент мощности вторичной обмотки.

Максимальный КПД соответствует следующему значению коэффициента нагрузки.

Процентное изменение напряжения на вторичной обмотке

∆U 2 =β(U a cosφ 2 ±U p sinφ 2),

где β- коэффициент нагрузки; U a = - активная cоставляющая напряжения короткого замыкания; U p = 100% - составляющая напряжения короткого замыкания. Знак плюс соответствует индуктивной, а знак минус- емкостной нагрузкам.

Потери холостого хода Р х = U 1 I x cosφ 1

Потери мощности холостого хода расходуются па нагрев стали, т. е. Р х =Р ст

Полное сопротивление при холостом ходе трансформатора Z x = U 1ном /I x

Активное сопротивление при холостом ходе R x = Z x cosφ x

Потери короткого замыкания P k =I 1ном U k cosφ k =I 2 1ном R k

Мощность, потребляемая трансформатором при коротком замыкании и расходуемая на нагрев P k = P э1 +Р э2 =Р ст

Напряжение первичной обмотки, при котором токи в обмотках короткозамкнутого трансформатора равны номинальным, называют номинальным напряжением короткого замыкания. Это напряжение указывают к номинальному напряжению первичной обмотки:

Полное сопротивление при коротком замыкании Z k =U k ном /I 1ном.

Активное сопротивление короткого замыкания R k =Z k cosφ k

Трехфазные трансформаторы.

Соотношения между линейными и фазными значениями токов и напряжений при соединении:

а) в «звезду» =1,73U ф; I л =I ф

б) в «треугольник» U л =U ф, I л =

Мощность независимо от схемы соединения определяют по следующим формулам:

а) активная Р=3Р ф =3 U ф I ф cosφ = ,

б)реактивная Q=3Q ф =3U ф I ф sinφ =

в)полная S= 3 S ф =3U ф I ф =

Электрические Р э =3I 2 R

Магнитные Р м =3Р фх.

Автотрансформаторы

Проходная мощность S пр = S э + S м = U 2 I 1 +U 2 I ax

где S э =U 2 I 1 – мощность, передаваемая электрическим путем; S м =U 2 I ax - мощность, передаваемая магнитным путем; U 2 – напряжение на вторичной обмотке; I 1 - ток первичной обмотки; I ах – ток на общем участке обмоток трансформатора.

Расчетная, или электромагнитная, мощность

S p = S м = S пр (1- 1/n)= S пр К в

где К в = (1-1/n)- коэффициент выгодности автотрансформатора; n – коэффициент трансформации.

Типовые задачи с решениями

Задача I . По паспортным данным и результатам осмотра однофазного двухобмоточного трансформатора установлено, что число витков первичной обмотки w 1 =424, а вторичной обмотки w 2 = 244, действительное cечение сердечника S д = 28,8 см 2 ; 10% приходится на изоляцию пластин, активное сопротивление первичной обмотки R 1 = 1,2 Ом, вторичной обмотки R 2 = 1,4 Ом, потери холостого хода составляют 1 % от номинального значения потребляемой мощности, напряжение на первичной обмотке U 1 = 220 В, активный ток обмоток I 1 =2,95 А,I 2 =4,85 A, ток холостого хода 5% от I 1ном. Определить амплитудное значение магнитной индукции, ЭДС, вторичной обмотки, электрические и магнитные потери, номинальный КПД

Активное сечение стали находим как разность между действительным сечением стали и сечением изоляции: S a =S д -S из =28,8 – 0,1∙28,8 = 26 см 2 = 26∙10 -4 м 2

Амплитудное значение магнитной индукции

В m = Ф m /S a = 0,0023/(26∙10 -4) Тл,

Коэффициент трансформации

n= Е 1 /E 2 = w 1 /w 2 = 424/244 = 1,73.

Отсюда ЭДС вторичной обмотки

Е 2 =E 1 /n = 220/1,73 = 127 В.

Абсолютное значение тока холостого хода

I x = 5% I 1ном =0,05∙2,95 = 0,147 А.

Электрические потери трансформатора

P э = Р э1 +Р э2 =I 2 1 R 1 +I 2 2 R 2 = 2,95 2 ∙ 1,2+4,85 2 ∙ 1,4= 43,3 Вт.

Магнитные потери

Р m =P x =1%P 1 =0,01∙ 220∙ 2,95=б,5 Вт,

Сумма потерь

КПД трансформатора при номинальной нагрузке

η=

Задача 2 . Однофазный двухобмоточный трансформатор испытали в режиме холостого хода и короткого замыкания. При опытах получили следующие данные:

номинальное напряжение первичной обмотки U 1 = 10000 В; ток холостого хода I x =0,25 А; потери холостого хода Р x = 125 Вт; напряжение на вторичной обмотке U 2 = 380В; номинальное напряжение короткого замыкания U k = 500 В; номинальный активный ток первичной обмотки I 1ном =I 1 k =2,5 А; номинальный ток вторичной обмотки I 2ном =I 2 k =79,4 А; потери короткого замыкания Р k = 600 Вт.

В опыте короткого замыкания указаны суммарные электрические потери двух обмоток, значения которых одинаковы. Определить коэффициент трансформации, коэффициент мощности при холостом ходе и опыте короткого замыкания, полное, активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки, номинальный КПД.

Решение . Определяем коэффициент трансформации:

n = w 1 /w 2 = Е 1 / E 2 =U 1 /U 2 =10 000/380 = 26,3.

Коэффициенты мощности:

при холостом ходе сosφ x =

при опыте короткого замыкания сosφ k =

Сопротивления при коротком замыкании первичной обмотки

активное

R k =P 1 k /I 2 1ном = 600/2,5 2 =96 Ом;

Z 1 k =U 1 k /I 1ном = 500/2,5 = 200 Ом;

индуктивное

Номинальный КПД

Задача 3 . Однофазный трансформатор имеет следующие данные: номинальная мощность S ном = 5000 кВ А; потери холостого хода Р х = 1400 Вт; потери короткого замыкания при номинальной мощности Р к = 4500 Вт; ток холостого хода I х =4% от номинального значения тока первичной обмотки. Напряжение первичной обмотки U 1 = 35 кВ, напряжение вторичной обмотки U 2 = 400 В.

Определить полное сопротивление первичной обмотки, коэффициент мощности при холостом ходе трансформатора, коэффициент трансформации, КПД трансформатора при номинальной нагрузке, при нагрузке 0,5; 0,75; 1,25 и коэффициенте мощности соsφ 2 =0,8 При какой нагрузке КПД транcформатора будет максимальным и чему равно его значение?

Решение. Номинальный ток первичной обмотки

I 1ном =S ном /U ном = 5000 000/35 000=142,8 А,

где S ном - номинальная мощность трансформатора; U ном - напряжение первичной обмотки.

Полное сопротивление первичной цепи

Z 1 =U 1ном /I 1ном = 35 000/142,8= 245 Ом.

Коэффициент мощности при холостом ходе трансформатора определяем по известному значению потерь холостого хода и току холостого хода

I х = 4%I 1ном:

Коэффициент трансформации n = U 1ном /U 2ном = 35 000/400 = 87,5

КПД трансформатора при номинальной нагрузке

При коэффициенте нагрузки

Максимальный КПД возникает при коэффициенте нагрузки

Задачи для самостоятельного решения

Вариант 1

Трансформатор подключили к сети переменного тока с напряжением U = 220 В и частотой

f = 50 Гц. Определить коэффициент трансформации, если сердечник имеет активное сечение S = 7,6 см 2 , наибольшая магнитная индукция В m = 0,95 Тл, а число витков вторичной обмотки w = 40.

Вариант 2

Первичная обмотка трансформатора подключена к сети переменного тока напряжением U =220 В. К трем вторичным обмоткам трансформатора w 1 , w 2 , w 3 подключены резисторы с сопротивлением R 1 = R 2 = R 3 = 20 Ом, в которых проходят токи I 1 =0.25 A, I 2 =0.315 A, I 3 = 0.6 A. Определить коэффициент трансформации для трёх вторичных обмоток.

Вариант 3

Для определения потерь в стали дросселя его с начало включили в цепь постоянного тока. Сопротивление обмотки оказалось равным 2,0 Ом. Затем к дросселю подвели переменное напряжение. При этом вольтметр показал 127 В, ваттметр – 75 Вт, амперметр - 2 А. Определить потери в стали и меди дросселя.

Вариант 4

Однофазный трансформатор с номинальной мощностью S ном = 160 кВт · А включен в сеть переменного тока с частотой f = 50 Гц. Вычислить ЭДС первичной и вторичной обмоток, если активное сечение стержня и ярма S = 175 см 2 , наибольшая магнитная индукция в стержне В = 1,5 Тл, число витков первичной обмотки w 1 = 1032, вторичной w 2 = 40.

Вариант 5

Катушка со стальным сердечником включена в сеть переменного тока с напряжением U = 220 В и потребляет мощность Р 1 = 340 Вт при токе I 1 = 8 А. Эта же катушка при том же напряжении, но при вынутом стальном сердечнике потребляет мощность Р 2 = 100 Вт при токе I 2 = 10 А. Определить потери в меди и стали.

Вариант 6

Однофазный трансформатор включен в сеть с напряжением U = 380 В, напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе U 2 = 12 В. Определить число витков обеих обмоток w 1 и w 2 , если активное сечение стержня S а =20 см 2 , наибольшая магнитная индукция в стержне В=1,2 Тл, частота f =50 Гц.

Вариант 7

Трансформатор подключили к сети переменного тока с напряжением U = 660 В. К вторичной обмотке подсоединена осветительная сеть с cos φ = 1, рассчитанная на напряжение U =220 В. Чему равен ток вторичной обмотки, если ток в первичной обмотке L 1 = 2 А.

Вариант 8

Однофазный трансформатор подключили к сети переменного тока с напряжением U = 380 В и частотой f =50 Гц. Вторичная обмотка имеет число витков w 2 = 40 и силу тока при нагрузке 10 А. Определить коэффициент трансформации, если сердечник изготовлен из стали с сечением S = 7,2 см 2 , магнитная индукция составляет В = 1 Тл.

Вариант 9

Потери при холостом ходе трансформатора составляют Р Х = 500 Вт, при коротком замыкании

Р К =1400 Вт. Определить КПД трансформатора, если номинальная мощность Р ном = 25 кВт.

Вариант 10

Трансформатор имеет номинальную мощность S ном = 2,5 кВ · А и подключен к сети переменного тока с напряжением U =220 В. Как изменится ток в первичной обмотке трансформатора, если коэффициент мощности вторичной обмотки возрос с 0,85 до 0,95, а мощность потребляемая нагрузкой Р=2200 Вт?

Вариант 11

Трансформатор подключили к сети переменного тока с напряжением U = 220 В. Ток первичной обмотки I 1 = 7,1 А. Определить cos φ 1 , если мощность во вторичной обмотке трансформатора Р = 1 кВт, а КПД трансформатора η = 0,8.

Вариант 13

Сопротивление первичной обмотки трансформатора постоянному току R 1 = 2 Ом, потери холостого хода Р Х = 75 Вт. Определить активную мощность, если ток холостого хода I Х = 0,5 А. Оценить ошибку в определении потери в стали, если вся мощность при холостом ходе расходуется в стали магнитопровода.

ПЗ № 4 Трехфазные асинхронные электродвигатели:

Основные выражения и уравнения для определения параметров электрических машин переменного тока

Скорость вращения магнитного поля асинхронной машины n 1

n 1 = 60∙f 1 /p

p- число пар полюсов, f 1 - частота тока сети, Гц.

Скольжение это отношение разности между скоростью вращения магнитного поля статора и скоростью вращения ротора машины переменного тока к скорости вращения магнитного поля s= ; где n 1 , n 2 – скорость вращения магнитного поля и ротора,об/мин.

n 2 = n 1 (1-s) =

Частота тока и ЭДС, наводимая магнитным полем статора в проводниках ротора

f 2 = s∙ f 1 = s

Действующее значение ЭДС, наводимой в каждой фазе обмотки статора,

Е 1 = 4,44 k 01 f 1 w 1 Ф m

где w 1 число витков одной фазы статора:

Ф m - значение магнитного потока вращающегося магнитного поля, Вб;

k 01 -обмоточный коэффициент статора.

Действующее значение ЭДС обмотки неподвижного ротора

Е 2 = 4,44 k 02 f 2 w 2 Ф m

где f 2 = f 1 – частота ЭДС, наводимой в проводниках ротора, Гц; w 2 - витков одной фазы ротора; k 02 - обмоточный коэффициент ротора.

Действующее значение ЭДС обмотки вращающегося ротора

Е 2 s = E 2 ∙s,

где Е 2 - ЭДС неподвижного ротора, В.

Отношение ЭДС обмоток статора Е 1 к ЭДС обмоток ротора Е 2 называют коэффициентом трансформации асинхронного двигателя:

m = Е 1 /Е 2 =k 01 w 1 / k 02 w 2

Активная мощность, потребляемая двигателем из сети

Р 1 =3U 1ф ∙I 1ф ∙cosφ= U 1 ∙I 1 ∙cosφ,

где U 1ф, I 1ф – фазное значение напряжения [B] и тока [A];

U 1 ,I 1 – линейные значения напряжения и тока;

сosφ – коэффициент мощности.

Реактивная мощность Q 1 =3∙U 1ф ∙I 1ф ∙sinφ= ∙U 1 ∙I 1 sinφ

Электромагнитная мощность Р эм =Р 1 -∆Р 1 = U 1 ∙I 1 ∙cosφ-(Р 1э +Р 1м)=М∙ω 1 = ,

где ∆Р 1 –потери в статоре, Вт; Р 1э =3 ∙r 1 ∙I 1 2 - электрические потери в статоре, Вт;

М= P 2 / ω 2 = 9,55∙Р 2 /n 2 - вращающий момент, Н∙м; ω 1 – угловая синхронная скорость вращающегося магнитного поля, рад/с; ω 2 – угловая скорость вращения ротора, рад/с.

М=

Полезная мощность на валу двигателя

Р 2 = Р 1 - = Р 1 –(Р 1э +Р 1м +Р 2э +Р 2м +Р мх +Р д); Р 2 = М∙n 2 /9,55.

Коэффициент полезного действия η= ; Р 2 =Р 1 ∙ η; Р 2 = Р эм (1 –s) = M∙ω 2

Сумма потерь асинхронного двигателя, Вт; Р 2э, Р 2м – электрические и магнитные потери в роторе; Р мх, Р д – механические и дополнительные потери ротора.

Токи в неподвижном роторе I 2 и во вращающемся роторе I 2 s

I 2 = I 2 s = ; где r 2 ,x 2 – активное и индуктивное электрические сопротивления обмотки неподвижного ротора, Ом; Z – полное электрическое сопротивление фазы обмотки ротора, Ом, индуктивное сопротивление вращающегося ротора х 2 s = х 2 ∙s.

Приближенно активное электрическое одной фазы обмотки ротора можно найти

r 2 = , где М ном – номинальный момент; m 2 – число фаз ротора.

Кратность пускового тока двигателя k 1 = I п /I ном, где I п – пусковой ток двигателя.

Кратность пускового момента k м = М п /М ном, где М п - пусковой момент двигателя.

Перегрузочная способность двигателя λ= М max /М ном, где М max – максимальный вращающий момент.

Критическое скольжение – это скольжение, при котором асинхронная машина развивает максимальный вращающий момент

s кр = s ном (λ+

Типовые задачи для определения параметров электрических машин

Переменного тока

Задача1. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет следующие технические характеристики: номинальная мощность на валу Р = 75 кВт, номинальное напряжение сети U= 220/380 В, номинальное скольжение s ном = 0,015, КПД=92,5%, коэффициент мощности при номинальной нагрузке cosφ ном = 0,92, при холостом ходе cosφ х =0,2, кратность пускового тока k I =б; кратность пускового момента

k м = 1,1, кратность максимального момента λ = 1,8, число пар полюсов р=3, частота сети 50 Гц.

Определить номинальный, максимальный и пусковой вращающие моменты, фазный, линейный и пусковой токи при номинальной нагрузке, ток холостого хода, потери энергии в роторе, общее, активное и индуктивное сопротивления фазы при номинальной нагрузке, частоту вращения ротора при максимальной нагрузке, частоту тока ротора при номинальной и максимальной нагрузках.

Решение. Определяем скорость вращения магнитного поля

n 1 = 1000 об/мин.

Число оборот ротора при номинальной нагрузке и при известном скольжении

n 2 = n 1 (1-s) = 1000(1 – 0,015)= 985 об/мин.

Вращающие моменты:

номинальный М ном = 9,55 ∙Р ном /n 2ном =9,55∙75000/985 = 727 Н∙м

максимальный М max = λ∙М ном =1,8∙727 =1308 Н∙м

пусковой М п =k м ∙М ном = 1,1∙М ном = 1,1∙727=780 Н∙м

Мощность, потребляемая двигателем из сети,

Р 1 =Р ном /η = 75 000/0,92 = 81 081 Вт

Из формулы мощности Р 1 =3U ф ∙I ф ∙ cosφ определяем номинальный фазный ток в обмотках статора при соединении в «треугольник»:

I фном = =133,5 А

Линейный номинальный ток I л.ном = I ф.ном =1,73∙133,5 =231 А

Умножая линейный ток на кратность пускового тока, получаем пусковой ток:

I п =k I ∙I л.ном =6∙231=1386 А

Общие потери двигателя составляют разность между потребляемой и номинальной мощностью

Р 1 – Р ном =81 081 – 75 000 = 6081 Вт

Ток холостого хода определяем из Р х = U ном ∙I x cosφ x ,

откуда I x = = 80 A

Электромагнитную мощность, т. е. мощность, передаваемого электромагнитным путем из статора в ротор, определяем как произведение вращающего момента на угловую частоту вращения магнитного поля:

Р эм = М ном ∙ω 1 =М ном

Электрические потери в статоре

Р с =Р 1 - Р эм =81081 -76125 =4956 Вт

Электрические потери в роторе

Р р = = 6081 – 4956 = 1125 Вт

Сопротивления фазы при номинальной нагрузке:

Z ф = U ф.ном /I ф.ном =220/133,5 = 1,65 Ом;

активное

r ф =Z ф cosφ = 1,65 0,92=1,5 Ом;

индуктивное

Критическое скольжение – это скольжение, при котором двигатель развивает максимальный вращающий момент

s кр =s ном (λ+

Скорость вращения ротора при максимальной нагрузке

n 2.кр =n 1 (1 –s кр) = 1000(1-0,049) = 951 об/мин

Частота тока ротора при номинальной нагрузке

f 2.ном = f 1 ∙s ном = 50 0,015=0,75 Гц.

Частота тока ротора при максимальной нагрузке

f 2. max = f 1 ∙s ном = 50 0,049 = 2,45 Гц.

Задача 2. Трехфазный шестиполюсный асинхронный двигатель с фазным ротором имеет следующие паспортные данные: номинальная мощность Р 2 =5,0 кВт, номинальное напряжение U=220/380 В, номинальная скорость вращения n = 940 об/мин, номинальный коэффициент мощности cosφ = 0,68, номинальный КПД η = 74,5%. Определить мощность Р 1 , подводимую к двигателю, токи двигателя при соединении обмоток статора в «треугольник» и «звезду», вращающий момент и скольжение s ном, если частота тока в статоре f =50 Гц.

Рассчитать сопротивление регулировочного реостата, включаемого в цепь ротора для снижения скорости вращения вала двигателя до n = 750 об/мин, при номинальном моменте на валу и соединении обмоток в «звезду».

Решение. Мощность, подводимую к двигателю из сети, определим из формулы

η= Р 2.ном /Р 1

Р 1 = Р 2 /η = 5000/0,745 =6711 Вт

Токи двигателя при соединении обмоток статора:

в «звезду» Iγ=
А

в «треугольник» I ∆ = A

Вращающий момент двигателя при номинальной нагрузке

М ном =9,55∙Р 2ном /n 2ном = 9,55∙5000/940 =50,8 Н∙м

Скольжение при номинальной нагрузке

S ном = (n 1 –n 2ном)/n 1 =(1000 -940)/1000 = 0,06

n 1 = 60∙f /p =60∙50/3 =1000 об/мин

Скольжение при n 2 = 750 об/мин

s = (n 1 –n 2)n 1 = (1000 – 750)/1000 = 0,25

Для определения сопротивления регулировочного реостата воспользуемся равенством

(r 2 +r р)/s = r 2 /s ном

Откуда сопротивление регулировочного реостата

r р = r 2 (s/s ном -1)

Активное сопротивление фазы ротора найдем из формулы, выражающей зависимость электрических потерь в роторе Р э2 =3r 2 I 2ном 2 от электромагнитной мощности Р эм =М ном ∙n 1 /9,55 при номинальной нагрузке

3∙r 2 ∙I 2 2ном =s ном

r 2 = s ном

Активное сопротивление фазы ротора

r 2 =s ном
Ом

Сопротивление регулировочного реостата

r р = r 2 (s/s ном -1)=0,47(0,25/0,06 -1) =1,49 Ом.

Задачи на самостоятельную работу

Вариант 1

Найти для трёхфазного асинхронного двигателя ЭДС Е 1 , Е 2 и Е 2 S при скольжении s = 6%, если известно, что амплитуда магнитного потока, приходящегося на один полюс и одну фазу, составляет Ф = 0,53 · 10 -2 Вб, число витков обмоток статора и ротора соответственно w 1 =320, w 2 = 40, частота тока f=50Гц .

Вариант 2

Определить ЭДС, индуцируемые в фазе обмоток статора и ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя при неподвижном и вращающемся роторе, если

Ф m = 0,011 Вб, s = 0,04, w 1 = 96, w 2 = 1,5, К 01 = 0,92, К 02 = 0,98, f = 50 Гц .

Вариант 3

Основной магнитный поток трехфазного асинхронного двигателя

Ф m = 4 · 10 -3 Вб. ЭДС, индуцируемая в обмотке статора, соединенного в «треугольник», Е = 220В. Определить число витков в фазе обмотки статора, если К 01 = 0,95, а f = 50 Гц .

Вариант 4

Напряжение питания трёхфазного асинхронного двигателя U 1 = 660В, частота тока сети f= 50Гц , число пар полюсов р = 3. Пренебрегая падением напряжения в обмотке статора, определить ЭДС, индуцируемую в фазе обмотки ротора, и частоту тока, если ротор вращается с частотой n = 950 об/мин. Коэффициент трансформации двигателя n = 15.

Вариант 5

Трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором потребляет от сети мощность Р 1 =19,4кВт при токе I Л = 73,8 А и напряжении U = 220В. Найти КПД и cos φ, если мощность на валу двигателя Р 2 = 16,0 кВт.

Вариант 6

Трёхфазный асинхронный двигатель потребляет от сети мощность Р 1 =9,55 кВт при токе I 1 = 36,36 А и напряжении U = 220В. Определить КПД и cos φ, если полезная мощность на валу двигателя Р 2 = 7,5 кВт.

Вариант 7

Трёхфазный асинхронный двигатель потребляет от сети мощность Р 1 = 1,875 кВт при токе I Ф =3,5А и напряжении U 1 =220В. Чему равен коэффициент мощности cos φ, КПД,если полезная мощность на валу двигателя Р 2 = 1,5 кВт?

Вариант 8

Трёхфазный асинхронный двигатель потребляет от сети мощность Р 1 = 26,0 кВт при токе I 1 =97,6 А и напряжении U = 220 В. Чему равен коэффициент мощности cos φ и КПД, если полезная мощность на валу двигателя Р 2 = 22 кВт?

Вариант 9

Трёхфазный шестиполюсный асинхронный двигатель потребляет от сети мощность Р 1 = 4,82 кВт; частота вращения ротора n = 960 об/мин, потери в статоре равны 654 Вт, в роторе – 166 Вт. Определить скольжение, мощность на валу и КПД.

Вариант 10

Короткозамкнутый трёхфазный асинхронный двигатель имеет следующие паспортные данные: Р ном =5,5 кВт, n = 1450 об/мин, U = 220/380 В, I = 19.26/11,1 А. Определить число пар полюсов двигателя, скольжение и пусковой ток для случаев соединения обмоток статора в «треугольник» и «звезду» при включении в сеть с напряжением

U=220 В, если кратность пускового тока равна 5,0, а синхронная частота вращения двигателя n = 1500 об/мин.

Вариант 11

Крановый трёхфазный шестиполюсный асинхронный двигатель с фазным ротором включен в сеть переменного тока с напряжением U = 380 В и преодолевает момент сопротивления М = 70,0 Н · м при скольжении s = 3%. Определить мощность на валу двигателя и КПД, коэффициент мощности cos φ, частоту вращения ротора, если известно, что мощность, подводимая к двигателю, Р 1 =7,5 кВт при линейном токе I Л = 12,5 А.

Вариант 12

Трёхфазный восьмиполюсный асинхронный двигатель потребляет от сети мощность Р 1 =6,47 кВт при напряжении U = 220 В и токе I Л = 23,55 А. Определить частоту вращения ротора n 2 , мощность Р 2 на валу двигателя, коэффициент мощности cos φ и КПД, если вращающий момент двигателя М 2 = 72,5 Н · м, скольжение s = 3%, частота тока

f = 50 Гц .

Вариант 13

Трёхфазный шестиполюсной асинхронный двигатель потребляет от сети мощность Р 1 = 6,7 кВт при напряжении U = 380 В и токе I = 15,0 А. Определить частоту вращения ротора n 2 , мощность Р 2 на валу двигателя, коэффициент мощности cos φ и КПД, если вращающий момент двигателя М 2 = 49,2 Н · м, скольжение s = 3%, частота тока f = 50 Гц .

Вариант 14

Асинхронный трехфазный двигатель имеет номинальную мощность Р 2 = 4 кВт, КПД =85,5%, cos φ = 0.89,частоту вращения магнитного поля n 1 = 3000 об/мин, ротора n 2 = 2880 об/мин. Двигатель включен в сеть переменного тока с напряжением U = 220 В по схеме «треугольник». Определить потребляемую мощность, линейный ток, сумму потерь, вращающий момент на валу и скольжение.

Вариант 15

Асинхронный трехфазный двигатель марки АО2-82-6 включен в сеть переменного тока с напряжением U = 380 В и потребляет из сети мощность Р 1 = 43716 Вт при коэффициенте мощности cos φ =0,91. Сумма потерь Σ Р =3716 Вт, скольжение s = 2%. Определить мощность на валу, КПД, линейный ток, частоты вращения магнитного поля и ротора.

Вариант 16

Асинхронный трехфазный двигатель марки АОЛ2-32-6 подключен к сети переменного тока с напряжением U = 220 В по схеме «треугольник» и потребляет ток I 1 = 9,24 А при КПД =81% , cos φ =0,77, частота вращения ротора n 2 = 950 об/мин. Определить потребляемую мощность, мощность на валу, сумму потерь, вращающий момент, и частоту вращения магнитного поля.

Вариант 17

Асинхронный трехфазный двигатель марки АОЛ2-22-6 включен в сеть переменного тока с напряжением U = 380 В по схеме «звезда». Двигатель потребляет мощность Р 1 = 1447 Вт при cos φ = 0,73, развивает мощность на валу Р = 1100 Вт, при этом частота тока ротора f = 3,5 Гц . Определить линейный ток, КПД, скольжение частоту вращения магнитных полей статора и ротора.

Вариант 18

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором включен в сеть переменного тока с напряжением U = 380 В. Обмотки статора соединены по схеме «звезда». Двигатель при КПД= 87,5%, cos φ =0,33 развивает вращающий момент М = 131,7Н · м. Синхронная частота вращения магнитного поля n 1 = 750 об/мин. Определить сумму потерь, линейный ток и частоту тока ротора.

Вариант 19

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором включен в сеть переменного тока с напряжением U = 380 В. Обмотки статора соединены по схеме «звезда». При номинальном вращающем моменте М =653 Н · м и cos φ = 0,82 ротор развивает частоту вращения n 2 = 585 об/мин. Сумма потерь двигателя составляет 4,2 кВт. Определить КПД, номинальный линейный ток и частоту тока ротора.

Вариант 20

Асинхронный шестиполюсный трехфазный двигатель включен в сеть переменного тока с напряжением U = 380 В. Обмотки статора соединены по схеме «звезда». При номинальном вращающем моменте М =216,6 Н · м и cos φ = 0,9 ротор развивает частоту вращения n 2 = 970 об/мин. Сумма потерь двигателя составляет 2,3 кВт. Определить КПД, номинальный линейный ток и частоту тока ротора.

Контрольное задание

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором единой серии 4А имеет номинальные данные, указанные для каждого варианта задания в таблице 2. 15. К номинальным данным относятся:

• U 1ном - линейное напряжение питающей сети,
• f 1 =50 Гц - частота питающего тока,
• Р 2 ном - мощность на валу,
• n 1ном - синхронная частота вращения магнитного поля,
• s ном - скольжение ротора,
• η ном - КПД,
• cosφ ном - коэффициент мощности,
• m i =I пуск /I ном - отношение начального пускового тока к номинальному току,
• К п =М пуск /М ном - отношение начального пускового момента к номинальному моменту на валу:,

m max =M max /M ном - отношение максимального к номинальному моменту. Определить номинальный М ном, максимальный М мах, пусковой М пуск моменты, номинальный I 1ном и начальный пусковой I 1пуск токи, число пар полюсов обмотки статора и мощность на зажимах двигателя Р 1ном.

Технические данные электро- двигателя
Тип электродвигателя
4AA56B4	4AA63A4	4AA63B4	4A71A4	4A71B4	4AA80A4	4AA80B4	4A90L4	4A100S4	4A100L4
U 1ном, В
Р 2ном, кВт	0,18	0,25	0,37	0,55	0,75	1,1	1,5	2,2
n 1ном , об/мин
s ном , %	8,9			7,3	7,5	5,4	5,8	5,1	4,4	4,6
cos φ ном	0,64	0,68	0,68	0,7	0,72	0,75	0,77	0,8	0,82	0,84
η ном	0.64	0,65	0,69	0,7	0,73	0,81	0,83	0,83	0,83	0,84
m i =I пуск /I ном	3,5			4,5
К п =М пуск /М ном	2,1							2,1
К m =М мах /М ном	2,2	2,2	2,2	2,2	2,2	2,2	2,2	2,4	2,4	2,4

Технические данные электро-двигателя	Варианты контрольного задания 2.4
Тип электродвигателя
4A112M4	4A132S4	4A132M4	4A160S4	4A160M4	4A180S4	4A180M4	4A200M4	4A200L4	4A225M4
U 1ном, В
Р 2ном, кВт	5,5	7,5			18,5
n 1ном , об/мин
s ном , %	3,6	2,9	2,8	2,3	2,2		1,9	1,7	1,6	1,4
cos φ ном	0,85	0,86	0,87	0,88	0,88	0,9	0,9	0,91	0,93	0,92
η ном	0,85	0,86	0,87	0,88	0,88	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
m i =I пуск /I ном			7,5			6,5	6,5
К п =М пуск /М ном		2,2	2,2	1,4	1,4	1,4	1,4	1,4	1,4	1,3
К m =М мах /М ном	2,2			2,3	2,3	2,3	2,3	2,5	2,5	2,5

Общие сведения

Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии переменного тока одного напряжения в другое. В городских распределительных сетях применяются, как правило, трансформаторы, понижающие напряжение до значений, целесообразных и допустимых по условиям подвода электроэнергии к потребителям.
По числу фаз трансформаторы разделяются на однофазные и трехфазные, по количеству обмоток различного напряжения – на двухобмоточные и трехобмоточные. Существуют также трансформаторы с расщепленными обмотками, обычно имеющие две одинаковые обмотки низшего напряжения.
Основными электрическими параметрами трансформаторов являются:

• номинальная мощность Sном, т.е. значение полной мощности, на которую непрерывно в течение всего срока службы может быть нагружен трансформатор при номинальном напряжении и номинальных температурных условиях охлаждающей среды. Для двухобмоточных трансформаторов эта мощность соответствует мощности каждой из его обмоток. Для трехобмоточных трансформаторов, обмотки которых могут иметь разные мощности, за номинальную принимается мощность наиболее мощной обмотки. Для трансформатора с расщепленной обмоткой за номинальную принимается мощность обмотки высшего напряжения. Номинальные мощности двух расщепленных обмоток одинаковы и равны половине номинальной каждая;
• номинальные напряжения обмоток Uном, соответствующие напряжениям холостого хода. При работе под нагрузкой с номинальным напряжением первичной обмотки напряжения других обмоток будут меньше своих номинальных значений на величину потери напряжения в трансформаторе. По номинальным напряжениям обмоток определяются: коэффициент трансформации двухобмоточного трансформатора как отношение номинального напряжения обмотки высшего напряжения ВН к номинальному напряжению обмотки низшего напряжения НН; коэффициенты трансформации каждой пары обмоток трехобмоточного трансформатора как отношения соответствующих номинальных напряжений;
• номинальный ток обмотки Iном – ток, определяемый по номинальной мощности и номинальному напряжению обмотки. Для трехфазного трансформатора номинальный ток обмотки
  

  Где S ном – номинальная мощность трансформатора; U ном – номинальное междуфазное (линейное) напряжение обмотки;

• напряжение короткого замыкания , характеризующее полное сопротивление трансформатора и определяющее величину падения напряжения в его обмотках. Оно обычно выражается в процентах по отношению к номинальному напряжению и обозначается как uк%. Так как реактивное сопротивление трансформатора значительно выше активного, то величина напряжения КЗ в основном зависит от реактивной (индуктивной) составляющей сопротивления, т.е. от конструкции и параметров магнитопровода, количества витков обмоток и взаимного расположения последних. В трехобмоточном трансформаторе напряжение короткого замыкания определяется для каждой пары его обмоток. В трансформаторе с расщепленной обмоткой имеются два напряжения короткого замыкания: u к.вн и u к.нн. По существу у двухобмоточного трансформатора
  
  

  Есть сопротивление короткозамкнутого трансформатора в Ом, разделенное на его номинальное сопротивление, равное
  
  
  

• номинальный ток холостого хода Iх, характеризующий потери электрической мощности на намагничивание магнитопровода трансформатора (потери в стали). Он обычно выражается в процентах по отношению к номинальному току трансформатора и зависит от магнитных свойств стали магнитопровода, конструкции и качества его сборки, а также от величины магнитной индукции в сердечнике;
• потери короткого замыкания Рк (потери в меди), соответствующие режиму полной нагрузки трансформатора и характеризующие экономичность его работы. Эти потери определяются параметрами обмоток трансформатора (материал, сечение и длина провода) и протекающим по ним током. Потери КЗ являются переменной cоcтавляющей полных потерь мощности, так как изменяются в зависимости от нагрузки трансформатора. Потери мощности указываются в киловаттах, а их относительная, по отношению к номинальной мощности, величина уменьшается с увеличением этой мощности;
• потери холостого хода Рх (потери в стали на вихревые токи и перемагничивание), соответствующие режиму работы при номинальном напряжении и также являющиеся одним из показателей экономичности работы трансформатора. Эти потери указываются в киловаттах и создаются в основном вихревыми токами в магнитопроводе трансформатора, не зависят от его нагрузки и являются постоянной составляющей полных потерь мощности (влиянием напряжения на величину потерь в стали обычно пренебрегают);
• схема соединения обмоток . Обмотки ВН напряжением 35 кВ и выше соединяют в звезду, так как при этом удешевляется междувитковая изоляция, которую можно выполнить из расчета на фазное, а не на линейное напряжение. Обмотки НН напряжением 6-10 кВ чаще соединяют в треугольник, что позволяет рассчитывать сечение обмотки на фазный, а не на линейный ток,. Кроме того, соединение в треугольник способствует уменьшению искажений симметрии линейных напряжений при неравномерной загрузке фаз;
• группа соединения обмоток . Группа соединения обмоток трансформатора определяется углом, отсчитываемым по часовой стрелке от вектора первичного напряжения к одноименному вектору вторичного напряжения. Этот угол может меняться от 0 до 360 градусов через каждые 30 градусов. Номер группы определяется делением угла сдвига на 30 градусов. В результате получается 12 вариантов номера группы соединения от 0 до 11 через 1. Так как количество часовых делений циферблата часов также равно 12, а разница между каждой соседней парой этих делений равна 30 градусам, принято номер группы соединения определять по часовой системе. При этом вектор первичного напряжения принимается за большую стрелку часов, а жестко связанный с ним одноименный вектор вторичного напряжения – за маленькую стрелку. При установке первичного вектора – стрелки на 12 часов вторичный вектор-стрелка укажет на циферблате время в качестве номера группы соединения.

Условные обозначения трансформаторов состоят из двух частей. В первой буквенной части указываются по порядку:

• число фаз . Для однофазных трансформаторов используется буква О, для трехфазных – буква Т;
• вид охлаждения . Для масляных трансформаторов при естественной циркуляции воздуха и масла используется буква М, при принудительной циркуляции воздуха (вентиляторы) и естественной масла – буква Д, при принудительной циркуляции воздуха (вентиляторы) и масла (насосы) – буквы ДЦ, при принудительной циркуляции охлаждающей масло воды и естественной циркуляции масла – буквы МВ, при принудительной циркуляции охлаждающей масло воды и масла – буква Ц. У сухих трансформаторов (с воздушным охлаждением) вторая буква обозначения – С.
• вид исполнения . Для трехобмоточных трансформаторов используется буква Т (третья буква в обозначении), для трансформаторов с регулировкой напряжения под нагрузкой – буква Н, для трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения – буква Р (ставится после буквы, обозначающей число фаз).
  Вторая, цифровая часть условных обозначений, имеет вид дроби, в числителе которой указывается номинальная мощность трансформатора в кВА, а в знаменателе – класс напряжения обмотки ВН в кВ.

Условное обозначение трансформатора, его заводской номер, основные параметры, схема и группа соединений обмоток а также некоторые другие данные указываются на заводской табличке, прикрепляемой к каждому трансформатору. Заводской номер дополнительно выбивается на крышке бака около ввода А и на верхней полке ярмовой балки со стороны выводов обмотки низкого напряжения.
Вводы трансформаторов маркируются следующим образом: для обмоток ВН используются заглавные буквы, для обмоток НН – прописные, начала обмоток обозначаются буквами А В С (а в с) , концы – X Y Z (x y z) .

Элементы конструкции трансформаторов

Основные элементы конструкции трансформатора – это магнитопровод, обмотки, бак с расширителем, выводы обмоток всех напряжений, детали изоляции, устройства для регулирования напряжения, приборы контроля и защиты (рис. 6.1.).
Магнитопровод – это магнитная система, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора. Одновременно он служит основой для установки и крепления обмоток, отводов от них и переключателей и состоит из стержней и ярем, которые создают замкнутую магнитную цепь. Полностью собранная магнитная система со всеми конструктивными и крепящими элементами носит название остова. Для уменьшения вихревых токов, создающих потери мощности в самом трансформаторе, магнитопровод собирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком.
Обмотки трансформатора выполняются, исходя из требований электрической прочности и термической и динамической стойкости. Изоляция обмоток относительно друг друга и заземленного магнитопровода называется главной, так как рассчитывается на рабочее напряжение; изоляция между витками, слоями витков и катушками обмоток называется продольной. Проводники, соединяющие обмотки с другими элементами конструкции, называются отводами .
Единая конструкция, состоящая из остова, обмоток и отводов называется активной (выемной) частью трансформатора. Активная часть помещается в бак, обычно залитый маслом, играющим основную роль охладителя и попутную – изолятора. На крышке бака устанавливается расширитель , необходимый для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Объем расширителя должен быть таким, чтобы уровень масла при изменении температуры окружающей среды всегда был выше крышки бака трансформатора. Кроме того, расширитель выполняет роль антиокислителя, ограничивая площадь соприкосновения масла с воздухом. Бак соединяется с расширителем с помощью маслопровода.
В маслопровод, соединяющий бак и расширитель, встраивается газовое реле для защиты трансформатора от внутренних повреждений, сопровождающихся интенсивным выделением газов. На крышке бака крепятся вводы обмоток , привод переключателя для регулирования напряжения, термометр для контроля температуры верхних слоев масла, предохранительная труба для защиты бака трансформатора от разрыва при недопустимом повышении давления внутри него, вызванном интенсивным выделением газов.
Трансформатор также оснащается устройствами охлаждения (радиаторы, вентиляторы, насосы, водяные охладители), термосифонным фильтром для удаления продуктов окисления масла, лестницей с площадкой для осмотра расширителя и крышки бака, устройствами релейной защиты, автоматики и сигнализации .

Эксплуатация трансформаторов

Режимы работы трансформаторов

Нормальные режимы работы трансформатора

Исходным для характеристики нормальных режимов является номинальный режим, т.е. такой, при котором сохраняются номинальные значения напряжения, частоты, тока и номинальные условия охлаждающей среды и места установки. Очевидно, что в процессе эксплуатации возникают те или иные отклонения от номинального режима.
Повышения тока сверх номинального значения приводит к перегрузкам трансформатора, которые делятся на две группы: аварийные и систематические (повторяющиеся). Допустимость перегрузок определяется нагрузочной способностью трансформатора, заложенной в его конструкцию.
Аварийные перегрузки бывают кратковременные и длительные. Кратковременные аварийные перегрузки сверх номинального тока регламентируются следующей табл.6.1 .

Таблица 6.1

Допустимые аварийные перегрузки трансформаторов

Таблица применима к трансформаторам с любой системой охлаждения независимо от значения и длительности предшествующей нагрузки, температуры охлаждающей среды и места установки трансформатора
Длительные аварийные перегрузки масляных трансформаторов допускаются в соответствии со следующим правилом: трансформатор можно перегружать на 40 % сверх номинального тока в течение не более пяти суток подряд на время максимумов нагрузки общей продолжительностью не более шести часов в сутки при условии, что коэффициент предшествующей нагрузки не превышает 0,93.
Для сухих трансформаторов длительные аварийные перегрузки устанавливаются заводскими инструкциями.
Систематические перегрузки, в отличие от аварийных, не являются вынужденными, и допускаются сознательно, исходя из понятия нормативного срока службы трансформатора, напрямую связанного с нормативным износом продольной изоляции его обмоток, рассчитываемых для номинального режима. В эксплуатации режимы работы трансформатора отличаются от номинального, причем в периоды работы с недогрузом износ изоляции понижается по сравнению с расчетным, и если при этом не допускать перегрузов трансформатора, срок службы изоляции может значительно превысить нормативный, что экономически нецелесообразно. Поэтому в случае необходимости можно допускать перегрузки трансформатора, но такие, чтобы повышенный износ изоляции в часы перегрузок компенсировался бы таким ее недоизносом в часы пониженных нагрузок, что срок службы изоляции оставался близким к расчетному.
Систематические перегрузки могут быть обусловлены как недогрузкой по суточному графику, так и сезонной недогрузкой. Допустимые значения систематических суточных перегрузок определяются по графикам нагрузочной способности в зависимости от характера суточного графика нагрузки, температуры охлаждающей среды, постоянной времени нагрева трансформатора и вида системы охлаждения.
Сезонные систематические перегрузки регламентируются следующим правилом: если максимум среднего графика нагрузки в летнее время меньше номинальной мощности трансформатора, то в зимнее время допускается перегрузка трансформаторов в размере 1% на каждый 1% летней недогрузки, но всего не более чем на 15%, причем суммарная систематическая перегрузка (суточная и сезонная) не должна превышать 50%.
Работа трансформатора с повышенным сверх номинального напряжением регламентируется правилом: допускается длительное 5% и кратковременное (не более 6 часов в сутки) 10% повышение напряжения при нагрузке, не превышающей номинальную. При нагрузке, не превышающей 25% номинальной, допускается длительное повышение напряжения до 10% сверх номинального.
Несимметрия нагрузки или параметров электрической сети являются причинами несимметричного режима работы трансформатора, допустимость которого определяется расчетом. Предельным случаем несимметричного режима является работа трансформатора двумя фазами (асимметричный режим). На практике для работы двумя фазами пригодны только трансформаторы с двумя схемами соединения обмоток: звезда с заземленной нейтралью на стороне ВН и треугольник на стороне НН либо треугольник на обеих сторонах. Так как ток в заземленной нейтрали трансформатора, работающего двумя фазами, может в 1,73 раза превысить ток трансформатора, такой режим допустим только при надежном заземлении нейтрали, рассчитанном на длительное протекание указанного тока. Поврежденную фазу трансформатора допускается оставлять под напряжением только в том случае, если повреждение является обрывом. Располагаемая мощность трансформатора в несимметричном режиме уменьшается с увеличением асимметрии токов и находится в пределах от 58 до 66,7 % его номинальной мощности. Для снижения несимметрии токов рекомендуется параллельно неполнофазному трансформатору включать трансформатор, работающий тремя фазами. При этом следует помнить, что у полнофазного трансформатора в наибольшей степени загружается фаза, отсутствующая у неполнофазного. Суммарная располагаемая мощность обоих трансформаторов может быть при этом повышена за счет установки на них неодинаковых коэффициентов трансформации: у полнофазного понижающего трансформатора он должен быть больше, чем у неполнофазного.
В соответствии с Правилами технической эксплуатации ток в нейтрали сухого трансформатора не должен превышать 25% от номинального тока обмотки трансформатора.

Параллельная работа трансформаторов

Для включения трансформаторов с одинаковыми номинальными напряжениями на всех сторонах на параллельную работу необходимо обеспечить соблюдение следующих условий:

• тождественность схем и групп соединений обмоток;
• равенство коэффициентов трансформации;
• равенство напряжений КЗ.

Наиболее жестким является первое условие. Включение на параллельную работу трансформаторов с разными группами соединений может привести к катастрофическим последствиям: при этом по трансформаторам могут проходить уравнительные токи, близкие к токам трехфазного КЗ на выводах трансформатора . Следует подчеркнуть, что основные быстродействующие защиты трансформаторов – продольные дифференциальные – не реагируют на данные токи и трансформаторы будут отключены резервными максимальными токовыми защитами, имеющими значительные выдержки времени. Электродинамические силы, обусловленные указанными токами, могут вызвать смещение обмоток и другие повреждения трансформаторов; кроме того, может иметь место перегрев обмоток уравнительными токами. По этим причинам при включении трансформаторов даже с одинаковыми группами соединения на параллельную работу необходимо выполнить фазировку .
Второе и третье условия являются менее жесткими, однако необходимо учитывать также ограничение по уравнительному току между трансформаторами. Поэтому допускается параллельная работа трансформаторов с такими отступлениями от двух последних условий, при которых ни одна из обмоток не перегружается.
Кроме того, необходимо учитывать четвертое условие – рекомендуется не включать параллельно трансформаторы, мощности которых различаются более чем в три раза.
Несоблюдение любого из перечисленных выше условий (кроме первого) приводит к возникновению уравнительного тока, протекающего между трансформаторами, что влечет за собой непропорциональное их номинальным мощностям распределение нагрузки. В результате при номинальной загрузке одного из трансформаторов второй оказывается недогруженным и общая располагаемая мощность трансформаторов становится ниже суммы их номинальных мощностей.
На практике возможно параллельное включение трансформаторов, имеющих неравные напряжения КЗ. При этом добиваются компенсации уравнительного тока, обусловленного неравенством напряжений КЗ, путем создания уравнительного тока, обусловленного неравенством коэффициентов трансформации. Полная компенсация этих двух токов возможна только для конкретного значения нагрузки. При отклонении от этого значения компенсация нарушается, и необходимо подбирать другие значения коэффициентов трансформации. Поэтому данный способ параллельного включения трансформаторов рекомендуется использовать при относительно стабильной нагрузке подстанции.

Включение и отключение трансформатора

Включение трансформатора, как правило, производится со стороны питания на холостом ходу толчком на полное напряжение сети.
При таком включении трансформатора возникает переходный процесс, обусловленный изменением магнитного потока в сердечнике от начального значения до установившегося. Начальное (остаточное) значение потока может достигать половины его номинального значения. При большом остаточном значении потока, совпадающем по знаку с потоком, возникшему при включении, амплитуда суммарного потока в сердечнике через половину периода достигает 2,5 – кратного значения амплитуды нормального потока. Такое увеличение суммарного потока приводит к насыщению стали магнитопровода и значительному (вследствие нелинейного характера кривой намагничивания стали), до 100 раз, возрастанию намагничивающего тока трансформатора.
В результате включение трансформатора в течение нескольких десятков периодов сопровождается протеканием повышенного тока. Это явление называют броском намагничивающего тока трансформатора . Намагничивающий ток при этом может значительно превышать номинальный ток трансформатора, оказывая на последний такое же воздействие, как и ток КЗ. Возникают электродинамические усилия в обмотках и других элементах конструкции, появляются условия для ложного срабатывания релейной защиты. Поэтому быстродействующие токовые защиты трансформатора (в том числе продольная дифференциальная) должны отстраиваться от броска намагничивающего тока.
Отключение трансформатора производится сначала со стороны нагрузки с помощью выключателей, а затем – со стороны питания. Допускается производить отключение холостого хода силового трансформатора разъединителями, если последние на это рассчитаны.

Диагностика состояния трансформаторов

Повреждения или отклонения от нормального режима работы, возникающие в силовых трансформаторах, могут быть вызваны недоработкой конструкции, скрытыми дефектами, нарушениями правил перевозки, технологии монтажа, эксплуатации или некачественным ремонтом. Своевременное выявление возникающего дефекта позволяет принять меры по предупреждению его развития и сохранению работоспособного состояния трансформатора.
Наиболее характерными повреждениями трансформаторов являются следующие: повреждение обмоток и изоляции, активной стали, фарфоровой и внутренней изоляции вводов, контактов устройства для регулирования напряжения, вспомогательных узлов и устройств.
Диагностика состояния трансформатора носит комплексный характер: она осуществляется на стадии изготовления трансформатора, перед вводом его в работу и в процессе эксплуатации. После окончания монтажа перед вводом в работу проводятся испытания в объеме, предусмотренном ПУЭ: определение условий включения трансформатора, измерение характеристик изоляции и сопротивления обмоток постоянному току, проверка работы переключающего устройства и снятие круговой диаграммы, испытание бака с радиаторами гидравлическим давлением, проверка состояния силикагеля, фазировка трансформатора, испытание трансформаторного масла, испытание включением толчком на номинальное напряжение.
Все работы по диагностике трансформаторов в процессе его эксплуатации делятся на четыре группы:

• не требующие прикосновения к работающему трансформатору;
• не требующие отключения, но связанные с необходимостью прикосновения к трансформатору или его вспомогательным устройствам;
• выполняемые на отключенном трансформаторе;
• выполняемые на трансформаторе, выведенном в ремонт.

К первой группе работ относятся периодические внешние осмотры с контролем за показаниями сигнальных устройств и средств контроля и измерения. При периодических осмотрах проверяется следующее:

• состояние внешней изоляции, т.е. изоляторов вводов: нет ли на них трещин или сколов фарфора, какова степень загрязнения поверхности, не наблюдается ли коронирование;
• исправность измерительных приборов, термометров, маслоуказателей, мембраны выхлопной трубы, газового реле. Окошко последнего должно быть заполнено маслом;
• наличие или отсутствие подтекания масла;
• состояние доступных для наблюдения контактных соединений. Их повышенный нагрев может быть выявлен с использованием термоиндикаторов или по внешнему виду контакта и шины: появление цветов побежалости, потемнение, выгорание краски, “струящийся “ воздух над контактом. Очень сильный нагрев может вызвать свечение контакта, особенно в темное время суток.

Эффективный контроль нагрева осуществляется с помощью тепловизора (микропроцессорный прибор с дисплеем, осуществляющий измерение температуры на расстоянии, без непосредственного контакта с контролируемым объектом).
Одновременно осматриваются все контрольные средства, по показаниям которых можно судить о появлении какой-то неисправности или об опасности ее возникновения.
Температура верхних слоев масла контролируется термометром. Если эта температура превышает допустимую, в первую очередь следует обратить внимание на исправность системы охлаждения. Если неисправностей в ней не обнаружено, то повышение температуры скорее всего обусловлено возникновением внутренних повреждений в трансформаторе: витковым замыканием в обмотке, ухудшением состояния контактных соединений, ухудшением циркуляции масла вследствие уменьшения сечения масляных каналов из-за разбухания изоляции или наличия постороннего предмета.
Снижение уровня масла ниже допустимого может быть обусловлено наличием протечек в баке или радиаторах, ухудшением системы дыхания масла через расширитель или недостаточным количеством залитого масла. Работа трансформатора со сниженным уровнем масла не допускается, так как это может привести к ускоренному старению масла, срабатыванию газового реле и отключению трансформатора, ухудшению работы системы охлаждения. Если уровень снизится настолько, что изоляция обмоток окажется частично в воздухе, может произойти перекрытие по воздуху с замыканием между обмотками, что является серьезной аварией.
При осмотрах могут быть выявлены и другие нарушения нормальной работы трансформатора, например, такие, как усиленный гул, чаще всего обусловленный повышенной вибрацией трансформатора или его элементов, нарушение наружных контактных соединений, сопровождаемое характерным потрескиванием, нарушение крепления ошиновки, деформация каких-либо элементов, повреждения дренажной системы и т.д.
Персонал, заметивший при осмотре какое-либо нарушение в работе трансформатора, должен информировать об этом соответствующую службу предприятия и принять необходимые меры для устранения неисправности, если это возможно без отключения трансформатора. При обнаружении внутреннего повреждения трансформатор должен быть отключен обслуживающим персоналом с предварительным извещением вышестоящего дежурного персонала. Ко второй группе мероприятий по диагностике состояния трансформаторов относится отбор проб масла для проверки его электрических свойств, химического или хромотографического анализа растворенных в масле газов. Сюда же относится измерение вибрации бака или других частей трансформатора, контроль частичных разрядов, отбор газа из сработавшего на сигнал газового реле и др.
Значительная часть повреждений трансформаторов вообще никак не проявляется при внешнем осмотре, особенно, если это начинающиеся внутренние повреждения. Значительная их часть может быть определена проверкой состояния масла. Такие внутренние повреждения, как местные перегревы, частичные разряды, незначительное искрение в контактах и др. в большей или меньшей степени влияют на свойства трансформаторного масла. Кроме того, изменение свойств масла происходит при его увлажнении, загрязнении, попадании в него воздуха или другого газа при естественном старении как самого масла, так и твердой изоляции.
Отбор проб масла должен производиться аккуратно, чтобы не допустить увлажнения, загрязнения масла и возникновения помех. В противном случае результаты испытания или анализа масла будут недостоверными. Для отбора пробы масла необходимо очистить от грязи и пыли сливную пробку или кран, слить в постороннюю емкость некоторое количество масла и набрать требуемую пробу. Емкость для пробы должна быть вместимостью не менее 0,5 л с притертой пробкой и предварительно дважды промытой маслом, предназначенным для испытаний. Необходимо учитывать, что резкий перепад температуры может вызвать конденсацию влаги внутри емкости, поэтому открывать последнюю следует после того, как она приняла температуру окружающей среды.
В настоящее время широкое распространение получил хроматографический анализ газов, растворенных в масле трансформатора, причем, в последние годы особое внимание обращают на фурановые соединения. Разработаны специальные методики, позволяющие по наличию определенных наборов газов с их концентрациями выявлять различные повреждения трансформатора, включая повреждения бумажной изоляции, наличие электрической дуги, замыкание на корпус и др.
Третья группа мероприятий по диагностике состояния трансформатора, выполняемых на отключенном трансформаторе, включает в себя испытания и определение состояния изоляции обмоток, магнитопроводов, высоковольтных вводов, переключающих устройств и вспомогательного оборудования. Сюда относятся все виды профилактических испытаний, ревизии и т.п.
Четвертая группа мероприятий, проводимых на выведенном в ремонт трансформатор, подразумевает более полный анализ состояния отдельных частей с целью определения или уточнения объема ремонтных работ. Однако окончательное решение о необходимости вывода трансформатора в ремонт принимается на основании результатов диагностических мероприятий первых трех групп.
Наиболее ненадежными элементами трансформаторов являются маслонаполненные вводы и устройства переключения коэффициента трансформации под нагрузкой (РПН). Специалистами признано, что силовые трансформаторы центров питания целесообразно оснащать системами контроля состояния под рабочим напряжением. Такие системы разработаны и предлагаются к использованию зарубежными и отечественными фирмами. При этом может контролироваться отработанный ресурс изоляции, контролироваться концентрация определенных газов, осуществляться управление работой системой охлаждения трансформатора, контролироваться уровень частичных разрядов во вводах и внутри бака трансформатора, уровень акустических разрядов, состояние РПН и др. Однако внедрение указанных систем затруднено их высокой стоимостью.
Все большее распространение получают системы периодического и автоматизированного контроля состояния изоляции маслонаполненных вводов под рабочим напряжением (что рекомендовано Руководящими документами). Контролируется либо модуль комплексной проводимости изоляции? , либо tg? изоляции вводов, либо уровень частичных разрядов.

Повреждения или отклонения от нормального режима работы, возникающие в силовых трансформаторах, могут быть вызваны недоработкой конструкции, скрытыми дефектами, нарушениями правил перевозки, технологии монтажа, эксплуатации или некачественным ремонтом. Своевременное выявление возникающего дефекта позволяет принять меры по предупреждению его развития и сохранению работоспособного состояния трансформатора.
Наиболее характерными повреждениями трансформаторов являются следующие: повреждение обмоток и изоляции, активной стали, фарфоровой и внутренней изоляции вводов, контактов устройства для регулирования напряжения, вспомогательных узлов и устройств.