Режим холостого хода трансформатора

Что такое режим холостого хода трансформатора

Холостой ход трансформатора — режим работы при питании одной обмотки от источника переменного напряжения и других обмотках, не замкнутых на внешние цепи. В возбуждаемой обмотке протекает ток холостого хода, создающий магнитный поток в сердечнике, а во вторичной цепи возникает электродвижущая сила, но ток нагрузки практически отсутствует.

В режиме холостого хода напряжение источника питания должно иметь номинальную частоту, синусоидальную форму и быть симметричным по фазам. На практике режим используют для измерения параметров силовых трансформаторов и диагностики магнитопровода и обмоток.

Основные параметры режима

Параметр	Обозначение	Что характеризует
Ток холостого хода	I₀	Ток, потребляемый обмоткой при разомкнутой не возбуждаемой цепи
Напряжение холостого хода	U₀	Напряжение на разомкнутой обмотке при заданном напряжении питания
Потери холостого хода	P₀	Активную мощность, потребляемую трансформатором без нагрузки
Коэффициент мощности	cos φ₀	Соотношение активной и полной мощности в режиме ХХ

elektricheskie-mashiny/vidy-transformatorov-princip-raboty.php

Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

izmeritelnye-pribory/voltmetr.php

Ток холостого хода трансформатора

Ток холостого хода I₀ состоит из активной и реактивной составляющих и равен их геометрической сумме:

I₀² = I₀а² + I₀р².

Активная составляющая связана с потерями холостого хода и подведённым напряжением. Для однофазной схемы при согласованных обозначениях:

I₀а = P₀ / U.

Для трёхфазной системы используют соответствующее фазное или линейное напряжение; смешивать эти величины в одной формуле нельзя.

Реактивная составляющая совпадает по направлению с магнитным потоком и называется током намагничивания. Она создаёт магнитный поток в магнитопроводе силового трансформатора. Поскольку в нормальном опыте активная составляющая значительно меньше намагничивающей, ток холостого хода часто приближённо рассматривают как ток намагничивания:

I₀а = I₀ · cos φ₀,

I₀р = I₀ · sin φ₀.

Угол φ₀ близок к 90°, поэтому коэффициент мощности cos φ₀ невелик, а реактивная составляющая определяет основную часть тока.

Как найти ток холостого хода

Точный ток холостого хода трансформатора находят измерением амперметром или измерительным комплексом при заданном напряжении и частоте. Расчётная формула холостого хода сама по себе не заменяет измерение: фактическое значение зависит от конструкции магнитопровода, числа витков, качества шихтовки и характеристик электротехнической стали.

Теоретически ток намагничивания оценивают через магнитную цепь, напряжённость поля, длину участков магнитопровода и число витков первичной обмотки или другой возбуждаемой обмотки. Без конструктивных и магнитных данных такой расчёт не даёт надёжного паспортного значения.

Повышенный ток холостого хода может быть связан с:

• увеличенными зазорами и размерами стыков магнитопровода;
• повышенной индукцией из-за недостаточного сечения или несоответствия стали расчётным данным;
• замыканием листов электротехнической стали;
• ошибочным числом витков обмотки;
• остаточным намагничиванием магнитной системы перед испытанием.

Число витков и правильность соединения обмоток дополнительно проверяют измерением коэффициента трансформации.

elektricheskie-mashiny/sxemy-grupp-soedineniya-transformatorov-s-vektornymi-diagrammami.php

Потери холостого хода трансформатора

Активная мощность при опыте холостого хода включает потери в стали магнитопровода и потери в обмотке, к которой подведено напряжение:

P₀ = Pст + I₀² · r,

для трёхфазной схемы — с учётом числа фаз и фазного тока:

P₀ = Pст + 3I₀² · rф.

При обычном анализе потери в обмотке считают небольшой составляющей, поэтому потери холостого хода в основном связывают с потерями в стали магнитопровода. Для расчётной оценки используют выражение:

P₀ ≈ pс · Gс + pя · Gя,

где pс и pя — удельные потери в стали на соответствующих участках при заданной индукции и частоте, а Gс и Gя — масса стали стержней и ярм магнитопровода.

Что показывают потери холостого хода

Измерение тока и потерь холостого хода трансформатора позволяет обнаружить признаки дефектов магнитной системы и некоторых неисправностей обмоток. Повышенные потери могут указывать на:

• замыкание листов электротехнической стали из-за повреждения изоляции или заусенцев после штамповки;
• замыкание параллельных проводов обмоток без существенного изменения тока ХХ;
• параллельное соединение секций обмотки с разным числом витков.

Сравнивать результат следует не с произвольно выбранной таблицей тока холостого хода трансформатора, а с паспортными данными, протоколом заводских испытаний и результатами предыдущих измерений того же аппарата.

electrotehnika-electronika/sinusoida-i-drugie-formy-signala.php

Напряжение холостого хода трансформатора

Напряжение холостого хода U₀ измеряют на разомкнутой обмотке при подаче напряжения на другую обмотку. Если известны коэффициент трансформации и напряжение возбуждаемой обмотки, напряжение можно оценить по соотношению:

k = U₁ / U₂,

откуда для идеализированной модели:

U₂ ≈ U₁ / k.

В реальном трансформаторе результат отличается из-за падения напряжения на сопротивлениях и реактивностях обмоток, поэтому при проверке используют измеренное значение и данные паспорта. Формула для нахождения напряжения холостого хода применима только при ясном определении, какая обмотка является первичной, а какая — вторичной.

Опыт холостого хода трансформатора

Опыт ХХ проводят для определения тока и потерь холостого хода, оценки напряжения на разомкнутой обмотке и проверки состояния магнитопровода. Он позволяет получить исходные параметры для расчётов и сравнить фактическое состояние аппарата с заводскими данными.

Обычно напряжение подают на вторичную обмотку при разомкнутой первичной обмотке, если это предусмотрено схемой испытания. В общем случае возбуждаемую обмотку выбирают по программе испытаний и паспортной документации. Все остальные выводы должны быть отключены от внешних цепей, а схема соединения обмоток сохранена.

Порядок измерения

1. Отключают трансформатор, проверяют отсутствие напряжения, заземляют выводы и подготавливают рабочее место по требованиям электробезопасности.
2. Проверяют состояние изоляции, соединение обмоток и разомкнутое состояние не возбуждаемой обмотки.
3. Подключают вольтметры, амперметры и ваттметр либо измерительный комплекс к выводам возбуждаемой обмотки.
4. Плавно подают напряжение, контролируя его форму, частоту и симметрию фаз.
5. Измеряют напряжение, ток холостого хода, активную мощность и напряжение на разомкнутой обмотке.
6. Сопоставляют значения с паспортным протоколом и предыдущими результатами.
7. После измерений снимают напряжение, выполняют разряд и устанавливают заземления по принятой процедуре.

Современные наладчики используют комплексные измерительные приборы. Также применяют классические схемы с ваттметрами, амперметрами и вольтметрами. Подключение выполняют непосредственно к выводам трансформатора.

Выжимки из ГОСТ 3484.1-88

Ниже приведены сохранённые в исходной странице условия, которые следует применять вместе с действующей редакцией стандарта, паспортом и программой испытаний:

• перед испытаниями выполняют измерение прочности изоляции;
• зажим нейтрали обмотки заземляют, если её изоляция ниже изоляции линейного зажима;
• допустимое отклонение подводимого напряжения — ±0,5%, частоты — ±1%;
• подводимое напряжение определяют как среднее арифметическое трёх линейных напряжений, измеренных вольтметрами действующих значений;
• ток холостого хода определяют как среднее арифметическое токов трёх фаз;
• соединение обмотки в «треугольник» во время опыта не размыкают, а компенсационную обмотку однофазного трансформатора соединяют с обмоткой НН;
• кривую напряжения считают практически синусоидальной, если отношение действующего значения напряжения к среднему отличается от 1,11 не более чем на ±2%; при большем отличии вносят поправку на несинусоидальность;
• при приёмочных испытаниях измерение потерь и тока холостого хода проводят не менее чем в пяти точках диапазона от 80 до 110% номинального напряжения, включая номинальное напряжение питаемой обмотки;
• в трёхобмоточных трансформаторах ток определяют в процентах тока возбуждаемой обмотки, приведённого к номинальной мощности трансформатора, а в автотрансформаторах — к проходной мощности;
• подводимое напряжение регулируют по среднему значению, равному действующему номинальному напряжению, деленному на 1,11; одновременно измеряют ток, потери и действующее значение напряжения, после чего выполняют измерение при действующем значении, равном номинальному.

Нормы измерения потерь холостого хода (СТП 33243.20.366-16)

В исходном материале также приведены следующие условия сопоставления результатов:

• измерения проводят у трансформаторов мощностью 1000 кВ·А и более при напряжении на обмотке низшего напряжения, указанном в протоколе заводских испытаний или паспорте;
• у трёхфазных трансформаторов потери измеряют при однофазном возбуждении по схемам, применяемым изготовителем;
• при вводе в эксплуатацию и капитальном ремонте соотношение потерь по фазам не должно отличаться от приведённого в заводском протоколе более чем на 5%;
• для однофазных трансформаторов при вводе в эксплуатацию отличие измеренных потерь от исходных не должно превышать 10%;
• в процессе эксплуатации отличие измеренных значений от исходных не должно превышать 30%, а соотношение потерь — 10%.

Эти критерии нельзя переносить на другой тип испытания или аппарат без проверки применимости документа и требований изготовителя. Если перед измерениями по обмоткам проходил постоянный ток либо имело место несимметричное короткое замыкание, перед опытом снимают остаточное намагничивание магнитной системы по принятой методике.

Как измерить потери холостого хода трансформатора

Перед испытанием проверяют состояние изоляции, схему соединения и готовность измерительного оборудования. При проверке контролируют ток каждой фазы, активную мощность, действующее подведённое напряжение, симметрию фаз, форму кривой и соответствие схемы паспортной.

Для проверки потерь холостого хода трансформатора 110/6 кВ нельзя механически переносить режимы и допуски от другого аппарата: оценивают паспортные и нормативные требования именно к данному изделию.

Типовые ошибки при опыте холостого хода

• подключение нагрузки к не возбуждаемой обмотке;
• смешивание линейного и фазного напряжения в расчёте;
• сравнение тока ХХ с непроверенной типовой таблицей вместо паспортного значения;
• игнорирование схемы соединения обмоток и положения ответвлений;
• измерение сразу после воздействия постоянного тока без учёта остаточного намагничивания;
• работа на выводах без снятия напряжения, проверки его отсутствия и установки заземлений.

Частые вопросы

Как рассчитать ток холостого хода трансформатора?

Для практической оценки ток холостого хода измеряют при заданном напряжении и частоте. Теоретический расчёт возможен через магнитную цепь, число витков и характеристики стали, но без конструктивных данных он не даёт надёжного результата.

Что такое напряжение холостого хода?

Это напряжение на разомкнутой обмотке при подаче переменного напряжения на другую обмотку. Его измеряют без подключения нагрузки.

Для чего нужен коэффициент мощности в опыте ХХ?

Коэффициент мощности показывает долю активной мощности в полном токе. При холостом ходе значительная часть тока связана с намагничиванием, поэтому cos φ₀ помогает разделить активную и реактивную составляющие.

Каким должен быть ток холостого хода силового трансформатора?

Ориентируются на паспорт, протокол заводских испытаний и сопоставимые результаты предыдущих измерений. Универсального значения для всех силовых трансформаторов нет.

Вывод

Холостой ход трансформатора нужен для определения тока, потерь и напряжения, а также для оценки состояния магнитопровода и правильности числа витков. Опыт выполняют по конкретной схеме испытания, с соблюдением электробезопасности и сравнением результатов с достоверными паспортными данными.

Литература

• ГОСТ 3484.1-88 (СТ СЭВ 1070-78). Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний (с Изменением № 1).
• Е. А. Каганович. «Испытание трансформаторов малой и средней мощности».
• Г. В. Алексенко. «Испытания высоковольтных и мощных трансформаторов и автотрансформаторов».
• Г. В. Алексенко. «Испытание мощных трансформаторов и реакторов».
• К. К. Чернев. «Мощные трансформаторы».