Короткое замыкание трансформатора

Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации

Короткие замыкания в электрических установках возникают обычно вследствие каких-либо неисправностей в сетях (при механическом повреждении изоляции, электрическом ее пробое в результате перенапряжений и т. д.) или при ошибочных действиях эксплуатационного персонала.

Для трансформатора короткое замыкание очень опасно, так как при этом возникают очень большие токи. При коротком замыкании зажимов вторичной обмотки сопротивление нагрузки Zн практически равно Нулю и, следовательно, напряжение на зажимах вторичной обмотки U2 также равно нулю. Таким образом, напряжение U1, приложенное к первичной обмотке, будет уравновешено падением напряжения в полных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток zK=Z1+Z2 Эквивалентная схема для одной фазы трансформатора при коротком замыкании изображена на рис. 11, а.

Уравнение равновесия э. д. с. первичной обмотки трансформатора при коротком замыкании вторичной обмотки запишется в следующем виде:

U1=Ikzk где Ik—ток короткого замыкания.

На рис. 11, б показана векторная диаграмма для одной фазы трансформатора при коротком замыкании. Вертикально вверх направлен вектор тока короткого замыкания Ik. Параллельно вектору тока направлен вектор падения напряжения в активном сопротивлении короткого замыкания IkRk. Повернут относительно вектора тока на — в сторону опережения (против часовой стрелки вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении короткого замыкания трансформатора

Геометрическая сумма векторов IkRk определит вектор приложенного к первичной обмотке напряжения U1, который подвернут относительно вектора тока короткого замыкания Ik в сторону опережения на угол короткого замыкания рk. Этот угол зависит

от соотношения сопротивлений xk и rk. Чем больше индуктивное .сопротивление xk и чем меньше активное сопротивление rk, тем большим будет угол ф. Таким образом, сила тока короткого замы­кания трансформатора Ik=U1/zk

Так как падение напряжения в полном сопротивлении обмоток трансформатора при номинальном токе составляет 5-7% от номинального напряжения, т. е ток короткого 'замыкания окажется большим поминального тока во столько раз во сколько номинальное напряжение больше падения напряжения в полном сопротивлении обмоток при номинальном токе.

Отношение Ik/Iн=100/uk называется кратностью тока короткого замыкания, где Uk — напряжение короткого замыкания.

Следовательно, ток короткого замыкания трансформатора во много раз больше номинального тока Здесь мы имели в виду установившееся значение тока короткого замыкания трансформатора. Такой ток, во много раз больший номинального, будет протекать в обмотках трансформатора в течение всего вре­мени короткого замыкания, как бы велико оно ни было. Однако в момент короткого замыкания кратность тока короткого замыкания может оказаться еще большей. В зависимости от мгновенного значения приложенного напряжения мгновенный ток короткого замыкания отличается от установившегося 2 раза.

Если короткое замыкание вторичной обмотки трансформатора произошло в момент, когда мгновенное значение напряжения щ равно максимальному значению Uim, то мгновенный ток короткого

При коротком замыкании в момент, когда напряжение равно нулю, мгновенный ток короткого замыкания окажется в 2 раза большим установившегося тока.

Ток короткого замыкания резко повышает температуру обмотки, что угрожает целости изоляции. Потери в проводах обмоток трансформатора пропорциональны току во второй степени. Поэтому в случае, когда ток короткого замыкания окажется, например, в 20 раз большим номинального тока, потери в проводах обмоток будут в 400 раз большими, чем при номинальном токе (если не учитывать увеличения сопротивления обмоток от нагрева). Выделение большой мощности в проводах обмоток вызывает резкое повышение их температуры, вследствие которого возможна нарушение целости изоляции и выход трансформатора из строя

Поэтому все трансформаторы снабжаются достаточно быстродействующей защитой, которая отключает трансформатор в случае его короткого замыкания. Если время, в течение которого трансформатор находится в режиме короткого замыкания, будет мало, обмотки его не успеют нагреться до температуры, опасной для их изоляции.

Короткое замыкание трансформатора очень опасно, так как может привести к его разрушению Как известно, между проводами, обтекаемыми током, возникает механическое взаимодействие. Если в двух параллельных проводах протекают токи, направленные в одну и ту же сторону, эти провода притягиваются друг к другу, а если токи направлены в противоположную сторону, провода взаимно отталкиваются.

В трансформаторе имеется очень много параллельных друг другу витков, каждый из которых можно рассматривать как отдельный провод. В витках какой-либо одной обмотки (первичной или вторичной) протекают токи одинакового направления, так что все витки одной обмотки взаимно притягиваются. Намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток имеют встречное направление, поэтому обмотки стремятся оттолкнуться одна от другой.

Механические силы, действующие на обмотки, зависят от конструкции обмоток, размещения витков и токов, протекающих в обмотках. В концентрических симметричных обмотках силы F, действующие на обмотки, направлены перпендикулярно оси катушек в дисковых чередующихся обмотках силы направлены параллельно оси катушек

Так как силы, действующие на провода с током, зависят от произведения токов, то и силы F, действующие на обмотки трансформаторов при коротком замыкании, будут во много раз большими сил, которые возникают при номинальной нагрузке. Под действием очень больших механических сил обмотки трансформатора деформируются настолько, что может быть нарушена изоляция и резко уменьшена их электрическая прочность. Конструкция обмоток должна быть рассчитана на такую механическую прочность, которая противостояла бы силам, возникающим в первый момент от мгновенных токов короткого замыкания.

НОВОСТИ КОМПАНИИ