Раздел 2. Режимы работы силовых трансформаторов (автотрансформаторов)

В сетях энергосистем существует несколько ступеней трансформации, и поэтому количество трансформаторов в них и их суммарная мощность в несколько раз превосходят установленную генераторную мощность. Ориентировочно на каждый установленный киловатт генерирующей мощности приходится до 89 кВА трансформаторной мощности. Хотя на электростанциях число установленных трансформаторов и невелико, однако они оказывают существенное влияние на работу электрической системы.

2.1. Нагрузочный режим работы трансформатора

Для однофазного трансформатора (или одной фазы трёхфазного трансформатора) схема замещения представлена на рис. 2.1.

Основные уравнения напряжений и токов для однофазного трансформатора имеют вид

(2.1)

где k₂₁ = w₂ / w₁ – коэффициент трансформации.

Приведя вторичные параметры к первичной обмотке, запишем в сопоставимых единицах приведённые выражения токов и напряжений.

Формулы приведения:

(2.2)

Приведённые уравнения напряжений и токов:

(2.3)

На рис. 2.2 представлены векторные диаграммы двухобмоточного трансформатора с различным характером нагрузки. В общем случае угол сдвига приведённого тока относительно ЭДС находится в пределах 090. При увеличении активно-индуктивной составляющей нагрузки на стороне вторичной обмотки (понижающий трансформатор) напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора понижается, и, наоборот, при увеличении активно-ёмкостной составляющей нагрузки напряжение на выводах вторичной обмотки может увеличиваться.

Для схемы замещения (рис. 2.1) при заданной величине первичного напряжения U₁ можно записать

(2.4)

где

В нагрузочных режимах магнитные потоки рассеяния, образованные токами в первичной и вторичной обмотках, возрастают и пренебрежение ими вносит существенную ошибку. В приведенных векторных диаграммах ЭДС рассеяния учтены соответствующими векторами: и

.

При работе под нагрузкой к потерям в стали (потери холостого хода) добавляются потери на нагрев обмоток (нагрузочные потери), которые зависят от величины токов нагрузки: .

В общем случае потери мощности в двухобмоточном силовом трансформаторе при любой нагрузке определяются следующим образом:

(2.5)

где  потери холостого хода трансформатора;  дополнительные потери на охлаждение;  коэффициент загрузки трансформатора;  потери короткого замыкания трансформатора.

Для трёхобмоточных трансформаторов расчёт следует вести с учётом загрузки и потерь короткого замыкания каждой из обмоток.

2.2. Режим холостого хода трансформатора

В режиме холостого хода вторичная цепь трансформатора разомкнута ( = ), ток вторичной цепи равен нулю (I₂ = 0). Ток в первичной обмотке равен току холостого хода (I₁ = I₀) и представляет собой ток, устанавливающийся в этой обмотке при подведении к ней номинального напряжения при номинальной частоте, при другой разомкнутой в двухобмоточном трансформаторе или при всех остальных разомкнутых от нагрузки обмотках в трёхобмоточном трансформаторе. Ток холостого хода обычно выражают в процентах от номинального тока соответствующей обмотки. Для серийных трансформаторов он составляет 15 % и определяется в основном величиной тока намагничивания ( ), которому соответствует мощность холостого хода, затрачиваемая на создание магнитного потока. Иначе эта мощность называется потери холостого хода или потери на намагничивание.

Основные уравнения напряжений и тока имеют вид

(2.6)

На рис. 2.3 представлена векторная диаграмма трансформатора для режима холостого хода.

Полные потери холостого хода состоят из потерь на намагничивание и потерь в стали на гистерезис и вихревые токи. Последние определяются сортом стали, плотностью магнитного потока, индукцией и частотой f. Потерями в стали на гистерезис и вихревые токи обусловлен сдвиг по фазе (угол ) между током холостого хода и магнитным потоком Ф. Магнитная индукция при переходе от холостого хода к нагрузке и с увеличением нагрузки остаётся практически неизменной, поэтому потери холостого хода в стали при данном уровне напряжения полагают неизменными.

Магнитный поток рассеяния, образованный током в режиме холостого хода, невелик и, следовательно, образованной им ЭДС рассеяния без особой погрешности для практических целей можно пренебречь.

Определение параметров холостого хода входит в число обязательных заводских сдаточных испытаний всех силовых трансформаторов. В ходе этих испытаний определяют коэффициент трансформации по напряжению k₁₂ , ток холостого хода , потери холостого хода р_хх.

Коэффициент трансформации по напряжению

(2.7)

Ток холостого хода

= (2.8)

где I_хх – измеренный ток в режиме холостого хода.

Потери холостого хода: р_хх = U_ххI_ххcos _хх  для однофазного трансформатора, р_хх = 3U_ххI_ххcos _хх для трёхфазного трансформатора.

На рис. 2.4 представлена схема испытания режима холостого хода трансформатора.

При нагрузке трансформатора вплоть до номинальной при номинальном напряжении магнитные потери и намагничивающий ток I_о принимают равными потерям холостого хода и току холостого хода соответственно, ввиду малого изменения магнитного потока трансформатора при изменениях нагрузочного режима.