Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Мы поможем в написании вашей работы!  
 

Введение в предмет 3 страница



Целесообразно определять относительные значения перечисленных сопротивлений. Из схемы замещения при холостом ходе следует

(14-68)

В силовых трансформаторах r1 и x1 в десятки, сотни раз меньше rM и xM. Поэтому с большой точностью можно считать, что параметры холостого хода равны параметрам намагничивающей цепи:

zo = zM; ro = rM; xo = xM, (14-69)

и мощность холостого хода Ро » Рмг – магнитным потерям в магнитопроводе, а

(14-71)

Вследствие преобладания индуктивного сопротивления при Uo = Uн коэффициент мощности cosφ ≤ 0,1.

Так как r1<< rM, то потери холостого хода практически представляют собой потери в стали магнитопровода, включая потери от вихревых токов в стенках бака.

Опыт холостого хода производят обычно для ряда значений Uo: от Uo» 0,3 Uн до Uo» 1,1 Uн и по полученным данным строят характеристики холостого хода: I, Po, zo, ro, cosφo = ¦(Uo).

Опыт короткого замыкания.


Рис. 14-13. Схема опыта короткого замыкания.

Вторичная обмотка замыкается накоротко, а к первичной подводится пониженное напряжение, чтобы I1 ≤ Iн. При этом:

(14-72)

Для трехфазного трансформатора по показаниям приборов определяются средние значения линейного напряжения Uк.л., линейного тока Iк.л. и мощности короткого замыкания Рк.

Напряжение Uк = Uк.н, при котором ток короткого замыкания равен номинальному: I = Iн, носит название напряжения короткого замыкания и обозначается «Uк».

Величина Uк в относительных единицах равна сопротивлению короткого замыкания в относительных единицах

(14-77)

Величина выражается на практике также в процентах:

(14-78)

Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании с Iк = Iн изображена в двух видах на рис. 14-15, а, б. Треугольник на рис. 14-15, б называется треугольником короткого замыкания. Его катеты представляют собой активную и реактивную составляющие напряжения короткого замыкания:

(14-79)

Рис. 14-15. Векторные диаграммы трансформатора при коротком замыкании с Iк = Iн.

В трансформаторах мощностью Sн = 10кВ×А обычно cosφk» 0,65, а при Sн = 60кВ×А обычно cosφk» 0,05, т.е. в мощных трансформаторах преобладают составляющие ukr и xk по сравнению с uka и rk.Значение uka* приводится к температуре обмоток 75°С.

Напряжение короткого замыкания uk характеризует значение активных сопротивлений r и индуктивных сопротивлений рассеяния x трансформатора, и является поэтому важной характеристикой трансформатора. Значение uk% указывается в паспортной табличке трансформатора. В силовых трансформаторах uk% = 4,5 ¸ 15. Первая цифра относится к трансформаторам с номинальным линейным напряжением Uлн ≤ 10 кВ, а вторая – с Uлн = 500 кВ, которые обладают большим рассеянием между обмотками.

Значение э.д.с. Е1 в опыте короткого замыкания при Iк = Iн в 15 ¸ 40 раз меньше Uн. При этом магнитные потери в 225 ¸1600 раз меньше, чем в случае U = Uн, и весьма малы.Поэтому мощность короткого замыкания Рк с большой точностью представляет собой мощность электрических потерь в обмотках, включая добавочные потери в стенках бака и в крепежных деталях от потоков рассеяния. Следовательно, и rk = r1 + r¢2, определенное из опыта короткого замыкания, является эквивалентным сопротивлением с учетом этих потерь.

Если короткое замыкание происходит при номинальном первичном напряжении, то

,

или в относительных единицах

Если, например, uk% = 10%, то Iк =10 Iн;

uk% = 4,5%, то Iк =22,2 Iн;

uk% = 15%, то Iк =6,7 Iн.

Глава 15. Работа трансформатора под нагрузкой.

§15-1. Физические условия работы.

Будем иметь в виду однофазный трансформатор или трехфазный с симметричной нагрузкой, когда можно рассматривать одну фазу.

На основании схемы замещения рис. 14-5, можно написать:

(15-1)

причем .

Поэтому вместо уравнений (15-1) можно также написать

(15-2)

Особенностью работы трансформатора является то, что ввиду относительной малости r1 и x1 падение напряжения (r1 + jx1) в диапазоне нормальных нагрузок относительно мало, вследствие чего E1» U1.В свою очередь E1 ~ Фс. Поэтому значение потока определяется в основном первичным напряжением:

, (15-3)

и при U1 = const также Фс» const.

При холостом ходе трансформатор потребляет из сети такой ток Io = I1, который нужен для создания необходимого потока при данном U1.

Значение потока Фс всегда таково, что индуктируемая им э.д.с., Е1 вместе с падением напряжения z1İ1 уравновешивает приложенное напряжение (15-2).

При подключении ко вторичной обмотке нагрузки в ней возникает ток İ2 и вторичная намагничивающая сила w 2İ2 = w 1İ´2 стремится создать в магнитопроводе свой поток и изменить поток, существовавший в режиме холостого хода. Однако при U1 = const этот поток существенным образом измениться не может. Поэтому первичная обмотка будет потреблять из сети кроме намагничивающего тока İм, дополнительный ток İ´1 такого значения, что создаваемая им намагничивающая сила İ´ 1w1 уравновесит намагничивающую силу İ2w2. Таким образом,

İ´ 1w1 = - İ2w2 = -İ´ 2w1, (15-4)

откуда İ1 = 2, (15-5)

Ток İ´1, уравновешивающий в магнитном отношении вторичный ток İ2, называется нагрузочной составляющей первичного тока.

Полный первичный ток состоит из намагничивающей İм и нагрузочной İ´1 составляющих

İ1 = İм + İ´1, (15-6)

или

İ1 = İм - İ´2, (см. 15-5) (15-7)

Умножив (15-7) на w 1, получим

w 1İ1 + w 1İ´2 = w 1İм (15-8)

Или:

w 1İ1 + w 2İ2 = w 1İм. (15-9)

Отсюда видно, что поток магнитопровода трансформатора создается суммой намагничивающих сил первичного и вторичного токов или намагничивающей силы намагничивающей составляющей первичного тока İм. Так как с изменением нагрузки İ1 и z1İ1 изменяются, то при U1 = const, также несколько изменяются Е1 и Фс и намагничивающая составляющая первичного тока İм.

Рис. 15-1. Векторная диаграмма трансформатора при смешанной активно-индуктивной нагрузке.

Ток İ´2 отстает от э.д.с. Ė´2 на некоторый угол ψ2. При активно-индуктивной нагрузке φ12. (при активно-емкостной нагрузке см. А.И. Вольдек, рис. 15-1,б).

Векторные диаграммы трансформатора позволяют более полно проанализировать описанные положения.

Энергетические диаграммы трансформатора.

Рис. 15-3. Преобразование мощности в трансформаторе:

а) активной, б) реактивной.

Первичная обмотка потребляет из питающей сети мощность

P1 = m1U1I1cosφ1;

При этом неизбежны электрические потери мощности

рэм = mI21r1.

и магнитные потери мощности

рмг = mЕ1Iма = mI2мrм.

Электромагнитная мощность

Рэм = Р1 – pэл1 – pмг = mE12×cosψ2

передается магнитным полем во вторичную обмотку, в которой теряется мощность

рэл2 = mI22r2 = mI´22×r´2.

Остаток мощности P2 представляет собой полезную мощность, передаваемую потребителям:

P2 = Рэм – pэл2 = mU2I2cosφ2 = mU´22cosφ2.

Преобразование реактивной мощности:

Q1 = mU1I1sinφ1,

мощность q1 = mI21x1 расходуется на создание первичного магнитного поля рассеяния и мощность qмг = mE1Iмг = mI2мхм – на создание магнитного поля магнитопровода.

Во вторичной обмотке теряется реактивная мощность

q2 = mI22x2 = mI´22х´2

и оставшаяся реактивная мощность

Q2 = Q1 – q1 – qмг – q2 = mU2I2sinφ2 = mU´22sinφ2 – передается потребителю.

При активно-емкостной нагрузке φ2 < 0, а также Q2 < 0. Изменение знака Q2 означает изменение направления передачи реактивной мощности или энергии. Если при этом также

Q1 = Q2 + q2 + qмг + q1< 0,

то реактивная мощность передается из вторичной обмотки в первичную. Если же Q2 < 0 и Q1 > 0, то реактивная мощность потребляется как из первичной, так и из вторичной обмотки и расходуется на намагничивание трансформатора.

§15-2. Изменение напряжения трансформатора.

Это арифметическая разность между вторичными напряжениями трансформатора при холостом ходе и при номинальном токе нагрузки Uxx – Uн, когда первичное напряжение постоянно и равно номинальному, а частота тока также постоянна и равна номинальной, т.е. U1 = const = Uн, а f1 = const = fн. Это важная эксплуатационная характеристика трансформатора. (см. рис.)

Внешние характеристики трансформатора U2 = ƒ(I2) при U1 = const и ƒ = const.

Внешней характеристикой трансформатора называется зависимость U2 = ƒ(I2) при U1 = const и cosφ2 = const. ΔU – падение напряжения.

Согласно определению, изменение ΔU в относительных единицах:

(15-10)

Обычно ΔU вычисляют в процентах и выражают через Uка% и Uкr%, причем в первом приближении ΔU%» Uка%× сosφ2 + Uкr% × sinφ2 (15-14).

На рис. 15-5 построен график зависимости ΔU% = ƒ(φ2) при I = Iн применительно к некоторому примеру

Рис. 15-5. Зависимость изменения напряжения от характера нагрузки.

На рис. 15-5 правый верхний квадрант соответствует смешанной активно-индуктивной нагрузке, а левый нижний – активно-емкостной нагрузке. При активно-индуктивной нагрузке вторичное напряжение U2 падает (ΔU > 0), а при активно-емкостной нагрузке – при достаточно большом угле сдвига фаз – оно повышается (ΔU < 0). Это обусловлено тем, что индуктивный ток вызывает понижение напряжения, а емкостный – повышает его. Чем выше номинальное напряжение трансформатора Uн, тем больше магнитное рассеяние σ и напряжение короткого замыкания Uк и поэтому тем больше изменение напряжения трансформатора ΔU.

§15-3. Регулирование напряжения трансформатора.

Вследствие колебания нагрузок потребителей, возникает необходимость регулирования напряжения трансформаторов, что можно осуществить путем изменения коэффициента трансформации k = w 1/ w 2 или числа включенных в работу витков первичной или вторичной обмотки w 1 или w 2. Для этой цели обмотка выполняется с рядом ответвлений, которые переключаются при отключении трансформатора от сети или под нагрузкой. Первое – проще и дешевле, но связано с перерывом энергоснабжения. Переключение под нагрузкой требует более сложного и дорогого переключающего устройства и используется в мощных трансформаторах при необходимости частого и непрерывного регулирования напряжения. Ответвления обычно выполняют со стороны заземленной нейтрали (нулевой точки) обмотки, так как изоляция переключателя при этом облегчается.

Рис. 15-6. схемы обмоток с ответвлениями для регулирования напряжения. Переключатели ответвлений располагаются внутри бака, а концы осей переключателей – на крышке бака.

§15-4. Коэффициент полезного действия трансформатора.

Потери активной мощности в трансформаторе подразделяются на электрические потери в обмотках, pэл и магнитные потери pмг в магнитопроводе. Добавочные потери pдоб на вихревые токи в обмотках, включаются в электрические. Кроме того, возникают потери на вихревые токи pвихр от полей рассеяния также в стенках бака и в крепежных деталях. Они пропорциональны квадрату тока I2 и относятся к электрическим потерям рэл. Опытное значение активного сопротивления короткого замыкания rк учитывает и эти добавочные потери рдоб.

Значение потерь определяется расчетным путем при проектировании трансформатора или опытным путем в готовом трансформаторе.

Магнитные потери pмг изменяются незначительно и при всех нагрузках принимаются равными потерям холостого хода Ро при U1 = U = const.

Электрические потери pэл, включая добавочные потери при номинальном токе, принимаются равными мощности короткого замыкания Рк при этом же токе, и приводятся к температуре 75˚С через коэффициенты: для меди и алюминия, соответственно:

где v – температура обмотки.

Электрические потери при нагрузке I ≠ Iн принимаются равными

Рэл нг = k2нг × Рк,

где kнг = I2/I (15-15)

представляет собой коэффициент нагрузки трансформатора.

Таким образом суммарные потери трансформатора при U = Uн принимаются равными

p = pмг + pэл = Ро + k22нг × Рк. (15-16)

КПД трансформатора:

Поскольку

P2 = mU2нkнг× I2н × cosφ2 = kнгSнгcosφ2, (15-17)

то:

(15-18)

КПД трансформатора имеет максимальное значение при такой нагрузке, при которой переменные потери рэл равны постоянным потерям рмг, т.е. при k2нг × Рк = Ро.

Таким образом, η = ηмакс, при

, (15-19)

Для трансформатора Sн = 180 кВ×А и напряжением 6,3/0,525 кВ η = ηмакс при

.

Потери холостого хода трансформатора:

1) Потери в меди первичной обмотки pм1 = I2or1;

2) Основные потери в стали сердечника рсо;

3) Добавочные потери холостого хода рдо.

Ро расходуется целиком на покрытие потерь холостого хода Ро = рм1 + рсо + рдо.

Потери рм1 обычно < 2% от суммы потерь холостого хода, поэтому Ро» рсо + рдо,

т.е. мощность холостого хода расходуется практически только на потери в стали.

А. Основные потери в стали.

Состоят из потерь на гистерезисе и на вихревые токи. Расчет ведется по участкам магнитной цепи, но можно воспользоваться формулой (при ƒ близкой к 50 Гц)

,

где рс1,0 – удельные потери в стали при В = 1 Тл и ƒ = 50Гц, приводимые в таблице В-5.

Б. Добавочные потери холостого хода.

а) потери в стали вследствие изменения структуры листов стали при их механической обработке;

б) потери в местах стыков и в местах расположения стяжных шпилек вследствие неравномерного распределения магнитной индукции;

в) потери в конструктивных деталях – в шпильках, в балках, прессующих ярмах, в баке трансформатора и т.д.

г) потери в изоляции трансформаторов высокого напряжения.

Добавочные потери не поддаются точному расчету. При индукциях 1,45 – 1,47 Тл их принимают (15 ÷ 20%) рсо = рд.

рс = рсо + рдо = (1,15 ÷ 1,20) рсо.

Потери короткого замыкания.

При коротком замыкании рск» 0, так как основной поток весьма мал, и тогда

Рк = рм1 + рм2.

Потери в меди при коротком замыкании состоят из:

а) основных потерь в меди рмо от r10 и r20;

б) добавочных потерь в меди, обусловленных вихревыми токами в проводниках обмоток,

и вызываемые потоками рассеяния в стенках бака и т.д.

рмосн = I21ro + I22r20.

Добавочные потери обычно включаются в основные потери увеличением сопротивления обмоток

r1 = r10 × kr1 и r2 = r20 × kr2.

В результате

.

В нормальных случаях kr1 и kr2 равны 1,05 ÷ 1,15, но бывают значительно большими.

Мощность короткого замыкания и мощность холостого хода имеют весьма важное эксплуатационное значение. Для стандартных трансформаторов

Ро: Рк = 1:(2,5 ÷ 4).

§15-5. Параллельная работа трансформаторов.

На повышающих и понижающих трансформаторных подстанциях обычно устанавливаются два, три и более параллельно работающих трансформаторов в зависимости от мощности подстанции. Параллельная работа трансформаторов необходима по причинам:

1) Обеспечение резервирования в энергоснабжении потребителей в случае аварии и необходимости ремонта трансформаторов.

2) Уменьшение потерь энергии в периоды малых нагрузок подстанции путем отключения параллельно работающих трансформаторов.

Равномерное распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами достигается при условии, когда они имеют:

1) Одинаковые группы соединения обмоток

2) Равные первичные и вторичные напряжения или, что тоже самое, равные коэффициенты трансформации.

3) Равные напряжения короткого замыкания.

При несоблюдении хотя бы одного из перечисленных условий уже на холостом ходу возникают уравнительные токи, которые будут циркулировать по замкнутым контурам, образуемым вторичными обмотками параллельно включенных трансформаторов и трансформироваться также в первичные обмотки. Эти токи, если они даже не очень велики, при включении потребителей складываются с токами нагрузки и вызывают неравное нагружение, а также излишние потери и нагрев трансформаторов.

Соблюдение равенства Uk, обеспечивает равномерное распределение нагрузки.

При первом включении на параллельную работу трансформаторов необходимо проверить их фазировку, т.е. убедиться, что на одну и туже шину включаются такие же фазы отдельных трансформаторов, напряжения которых совпадают по фазе. Способы фазировки изложены в ГОСТ3484-65.

Условия одинаковости групп соединения обмоток.

Пусть параллельно включены два трансформатора с соединением обмоток

Y/Δ – 11 и Y/Y – 0, имеющие одинаковые первичные и вторичные номинальные напряжения. Тогда вторичные э.д.с. Е2 соответствующих фаз этих трансформаторов будут равны по значению, но сдвинуты по фазе на 30˚. (рис. 15-12). В замкнутом контуре вторичных обмоток действует разность этих э.д.с. ΔЕ = 2Е2sin15˚ = 0.518Е2.

Рис. 15-12. Уравнительные токи при параллельной работе трансформаторов Y/Δ – 11 и

Y/Y – 0.

Уравнительный ток течет только по первичным и вторичным обмоткам трансформаторов и ограничивается по значению только сопротивлением этих обмоток, т.е. сопротивлениями короткого замыкания трансформаторов.

Поэтому

, (15-20)

Если SI = SII и zkI* = zkII * = UkI* = UkII* = 0.05,то

т.е. этот ток будет в 5,18 раза больше номинального, что почти равносильно короткому замыканию и поэтому параллельное включение трансформаторов с различными группами соединения обмоток недопустимо.

Однако, возможны случаи, когда путем круговой перестановки обозначений выводов обмоток или соответствующим соединением зажимов двух трансформаторов удается добиться совпадения по фазе э.д.с. параллельно включаемых фаз трансформаторов, имеющих разные группы соединений. Возможность этого соединения в каждом конкретном случае можно проверить на основе рассмотрения векторных диаграмм напряжений трансформаторов, включаемых на параллельную работу.

Условие равенства коэффициентов трансформации.

Пусть параллельно работает два трансформатора одинаковой мощности и zк1* = zкII* = =0.055,а их коэффициенты трансформации различаются на 1%. Тогда ΔЕ = 0,01Uн и согласно формуле

или 9,1%, т.е. уравнительный ток составляет довольно значительную величину. По ГОСТ 11677 в общем случае допускается отличие коэффициентов трансформации от паспортных значений на 0,5%, а для трансформаторов с k > 3 – на 1%.

Условие равенства напряжений короткого замыкания.

Представим схему параллельной работы в виде рис. 15-14. Падения напряжения

(15-21)

где İ – общий ток нагрузки, а

(15-22)

Рис. 15-14. Соединение трансформаторов с разными Uк.

Токи отдельных трансформаторов в общем случае не совпадают по фазе. Однако, в обычных условиях эти сдвиги по фазе незначительны и с большой точностью

II + III + IIII = I. (15-24)

Поэтому и арифметическая сумма полных мощностей трансформаторов с большой точностью равна полной мощности нагрузки S:

SI + SII + SIII = S. (15-25)

После несложных выкладок в относительных единицах получим (см. Вольдек стр.315):

т.е. относительные нагрузки трансформаторов обратнопропорциональны их напряжениям короткого замыкания.

Если Uк% не равны, то при повышении нагрузки номинальной мощности прежде всего достигнет трансформатор с наименьшим Uк%. Другие трансформаторы будут еще не догружены, но дальнейшее увеличение общей нагрузки недопустимо, так как первый будет перегружаться. Поэтому общая установленная мощность будет недоиспользованной.

Рекомендуется включать на параллельную работу трансформаторы для каждого из которых значение Uк% отличается от арифметического среднего значения Uк% всех трансформаторов не более, чем на 10% и отношение номинальных мощностей находится в пределах 3:1.





Дата публикования: 2014-11-18; Прочитано: 813 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.037 с)...