Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа №1
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
1. Цель и содержание
Измерение параметров установившегося режима работы трансформатора, определение потерь активной и реактивной мощностей в нем.
2. Теоретическое обоснование
2.1. Общие сведения о силовых трансформаторах
Силовые трансформаторы являются основным электрическим оборудованием электроэнергетических систем, обеспечивающим передачу и распределение электроэнергии на переменном трехфазном токе от электрических станций к потребителям. С помощью трансформаторов напряжение повышается от генераторного до значений, необходимых для электропередач системы (35... 750 кВ), а также многократное ступенчатое понижение напряжения до значений, применяемых непосредственно в приемниках электроэнергии (0,22... 0,66 кВ).
В справочных данных на трансформаторы приводятся: тип, номинальная мощность, номинальные напряжения обмоток, потери мощности холостого хода и короткого замыкания, напряжение короткого замыкания, ток холостого хода.
На повышающих и понизительных подстанциях применяют трехфазные или группы однофазных трансформаторов с двумя или тремя раздельными обмотками. В зависимости от числа обмоток трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные. Двухобмоточные трансформаторы номинальной мощностью больше 25 MB·А выполняются с расщепленной обмоткой вторичного напряжения 6... 10 кВ. Обмотки высшего, среднего и низшего напряжений принято сокращенно обозначать соответственно ВН, СН, НН.
В настоящее время применяются трансформаторы следующих стандартных номинальных мощностей: 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300, 10000, 16000, 25000, 32000, 40 000, 63000, 80000, 160000 кВ·А.
Условные обозначения типов трансформаторов состоят из букв, которые обозначают:
первые буквы: О – однофазный, Т – трехфазный;
последняя буква: Н – выполнение одной обмотки с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН);
Р – трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напряжения;
Т – трехобмоточный трансформатор;
М, Д, ДЦ, С, 3 – система охлаждения трансформаторов.
В настоящее время трансформаторы выполняются с переключением ответвлений обмотки без возбуждения (ПБВ) и с переключением ответвлений обмотки под нагрузкой – РПН (таблица 1).
Таблица 1 – Ответвления обмоток трансформаторов с РПН на обмотке ВН
|
Вид трансформатора |
Напряжение, кВ |
Мощность, МВА |
Число ответвлений |
|
Двухобмоточный |
35 |
1 – 6,3 |
±6x1,5% |
|
110 |
6,3 и более |
±9x1,78% |
|
|
220 |
32... 160 |
±8x1,5% |
|
|
Трехобмоточный |
35 |
6,3 |
±6х1,5 % |
|
110 |
6,3... 80 |
±9х1,78 % |
|
|
220 |
25 ...63 |
±8x1,5% |
Переключение без возбуждения осуществляется после отключения всех обмоток от сети при помощи ответвлений обмотки ВН или СН. Трехфазные понижающие трансформаторы мощностью 25... 80000 кВ·А напряжением до 35 кВ включительно имеют четыре ответвления (± 2х2,5 %) номинального напряжения. Понижающие трансформаторы напряжением 110 и 220 кВ имеют ответвления для ПБВ только в трехобмоточном исполнении на обмотках СН при напряжении 38,5 кВ.
Трансформаторы с воздушным охлаждением называются сухими (С). Изготовляются мощностью до 1600 кВ·А включительно для установки в закрытых помещениях. Преимущество сухих трансформаторов заключается в их пожаробезопасности и сравнительной простоте конструкции.
Естественное масляное охлаждение (М) применяется для трансформаторов мощностью до 6300 кВ·А.
При мощности трансформаторов 10000 кВ·А и более применяется масляное охлаждение с воздушным дутьем (Д). Обдувание поверхности радиаторов позволяет увеличить теплоотдачу на 50% и более. В настоящее время трансформаторы снабжаются системой дутьевого охлаждения при помощи вентиляторов.
Масляное охлаждение с принудительной циркуляцией (Ц) позволяет значительно увеличить отвод тепла. К баку масляного трансформатора подключают центробежный насос, который прогоняет горячее масло через воздушный или водяной охладитель.
На трансформаторах мощностью 63 MB·А и более используют две системы охлаждения ДЦ.
Трансформаторы с охлаждением негорючим жидким диэлектриком совтолом (Н) изготовляются мощностью до 2500 кВ·А включительно.
Буква 3 обозначает, что трансформатор без расширителя и защита осуществляется с помощью азотной подушки.
Пример условного обозначения трансформатора ТРДН–40000/110: трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой НН, масляным охлаждением, дутьем и естественной циркуляцией масла, РПН, номинальной мощностью 40000 кВ·А, напряжением 110 кВ.
Важным параметром подключения трансформатора к сети является группа и схема соединений его обмоток. Группой соединений называют угловое (кратное 30°) смещение векторов между одноименными вторичными и первичными линейными напряжениями холостого хода трансформатора. Возможны четыре схемы соединения силовых трансформаторов: звезда Y, звезда с выведенной нейтралью YH, треугольник Δ, зигзаг Z. Группа соединений указывается числами от 0 до 12. Например, 11 соответствует углу 330°.
На электрических станциях и подстанциях наибольшее распространение получили следующие схемы и группы соединений двухобмоточных трансформаторов:
«звезда-звезда с выведенной нейтралью» Y/YH – 12;
«звезда-треугольник» Y/Δ – 11;
«звезда с выведенной нейтралью-треугольник» YH/Δ – 11.
В трехобмоточных трансформаторах наиболее часто применяются соединения: «звезда-звезда с выведенными нейтралями-треугольник» Y/YH/Δ – 11, 12.
2.2. Двухобмоточные трансформаторы
Двухобмоточный трансформатор (рисунок 1, а) можно представить в виде Г-образной схемы замещения (рисунок 1, б).
Продольная часть схемы замещения содержит rт и xт – активное и реактивное сопротивления трансформатора. Эти сопротивления равны сумме соответственно активных и реактивных сопротивлений первичной и приведенной к ней вторичной обмоток. В такой схеме замещения отсутствует трансформация, т.е. отсутствует идеальный трансформатор, но сопротивление вторичной обмотки приводится к первичной. При этом приведении сопротивление вторичной обмотки умножается на квадрат коэффициента трансформации. Если сети, связанные трансформатором, рассматриваются совместно, причем параметры сетей не приводятся к одному базисному напряжению, то в схеме замещения трансформатора учитывается идеальный трансформатор.
а – условное обозначение; б – Г-образная схема замещения;
в – упрощенная схема замещения
Рисунок 1 – Двухобмоточный трансформатор
Поперечная ветвь схемы (ветвь намагничивания) состоит из активной и реактивной проводимостей gт и bт. Активная проводимость соответствует потерям активной мощности в стали трансформатора от тока намагничивания Iµ. Реактивная проводимость определяется магнитным потоком взаимоиндукции в обмотках трансформатора.
В расчетах электрических сетей двухобмоточные трансформаторы при Uв.ном≤220 кВ представляют упрощенной схемой замещения (рисунок 1, в). В этой схеме вместо ветви намагничивания учитываются в виде дополнительной нагрузки потери мощности в стали трансформатора или потери холостого хода ΔPх+jΔQх.
Для каждого трансформатора известны следующие параметры (каталожные данные): Sном – номинальная мощность, МВ·А; Uв.ном, Uн.ном –номинальные напряжения обмоток высшего и низшего напряжений, кВ; ΔPх – активные потери холостого хода, кВт; Iх% – ток холостого хода, % Iном; ΔPк – потери короткого замыкания, кВт; uк% – напряжение короткого замыкания, % Uном. По этим данным можно определить все параметры схемы замещения трансформатора (сопротивления и проводимости), а также потери мощности в нем.
Проводимости ветви намагничивания определяются результатами опыта холостого хода (XX). В этом опыте размыкается вторичная обмотка, а к первичной подводится номинальное напряжение. Ток в продольной части схемы замещения равен нулю, а к поперечной приложено Uном (рисунок 2, а). Трансформатор потребляет в этом режиме только мощность, равную потерям холостого хода, т.е. (рисунок 2, б):
.
Проводимости, См, определяются следующими выражениями:
, (2.1)
, (2.2)
где напряжения выражены в киловольтах, а мощности – в мегаваттах и мегаварах.
а, б – опыт холостого хода: в, г – опыт короткого замыкания
Рисунок 2 – Схемы опытов холостого хода и короткого замыкания
Потери активной мощности в стали определяются в основном напряжением и приближенно предполагаются не зависящими от тока и мощности нагрузки ( и ). В схеме на рисунке 1, б постоянна и равна каталожному значению. Ток намагничивания в трансформаторе имеет очень маленькую активную составляющую:
,
где – реактивная составляющая .
Поэтому
(2.3)
Отметим, что намного меньше, чем , и полная мощность трансформатора в режиме холостого хода приближенно равна намагничивающей мощности .
С учетом (2.3) проводимость определяется так:
(2.2а)
Сопротивления трансформатора rт и xт определяются по результатам опыта короткого замыкания (КЗ). В этом опыте замыкается накоротко вторичная обмотка, а к первичной обмотке подводится такое напряжение, при котором в обеих обмотках трансформатора токи равны номинальному. Это напряжение и называется напряжением короткого замыкания (рисунок 2, б и г). Потери в стали в опыте короткого замыкания очень малы, так как намного меньше . Поэтому, приближенно считают, что все потери мощности в опыте КЗ идут на нагрев обмоток трансформатора, т. е.
(2.4)
и
(2.5)
В современных мощных трансформаторах << и . Из опыта КЗ (рисунок 2, в)
Умножая последнее выражение на , после преобразований получим
В (2.4), (2.5) сопротивления получаются в омах при подстановке напряжений в киловольтах, а мощностей – в мегавольт-амперах и в мегаваттах.
Потери активной мощности в rт зависят от тока и мощности нагрузки и . Эти потери равны
Если подставить в последнее выражение из (2.4) и учесть, что , то получим
. (2.6)
Потери реактивной мощности в аналогично (2.6) определяются так:
(2. 7)
Для трансформатора, через который проходят ток нагрузки и мощность , потери мощности с учетом (2.3), (2.6) и (2.7) равны
, (2. 8)
. (2.9)
Если на подстанции с суммарной нагрузкой работают параллельно k одинаковых трансформаторов, то их эквивалентные сопротивления в k раз меньше и равны , ,а проводимости в k раз больше, т.е. равны , . Если учесть это в выражениях (2.9), (2.3), (2.6), (2.7), то получим следующие выражения для потерь мощности:
, (2.10)
, (2.11)
Эти же выражения можно получить и другим способом. Если подставить в (2.6), (2.7) вместо поток мощности, текущей через каждый трансформатор и равной , то получим потери мощности в одном трансформаторе. Умножим их на k и получим выражения (2.8), (2.10) для потерь мощности в k параллельно работающих трансформаторах.
2.3. Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы
Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы. Во многих случаях на подстанции нужны три номинальных напряжения – высшее , среднее и низшее . Для этого можно было бы использовать два двухобмоточных трансформатора (рисунок 3, а). Более экономично, чем два двухобмоточных, применять один трехобмоточный трансформатор (рис. 2.6, б), все три обмотки которого имеют магнитную связь (рис. 2.7, а). Еще более экономично применение трехобмоточных автотрансформаторов, условное обозначение которых в схемах электрических сетей приведено на рис. 2.6, в.
а - два двухобмоточных трансформатора; б –трехобмоточный трансформатор; в – автотрансформатор
Рисунок 3 – Схемы подстанций с тремя номинальными напряжениями
а, б – схемы соединения обмоток; в, г – Г-образная и упрощенная схемы замещения; д – схема опыта КЗ (ВН)
Рисунок 4 – Трехобмоточный трансформатор и автотрансформатор
Схема соединения обмоток автотрансформатора показана на рисунок 4, б. Обмотка низшего напряжения магнитно связана с двумя другими. Обмотки же последовательная и общая (П и О на рисунке 4, б) непосредственно электрически соединены друг с другом и, кроме того, имеют магнитную связь. По последовательной обмотке течет ток , а по общей – (). Номинальной мощностью автотрансформатора называют мощность, которую автотрансформатор может принять из сети высшего напряжения или передать в эту сеть при номинальных условиях работы:
(2.12)
Эта мощность также называется проходной. Она равна предельной мощности, которую автотрансформатор может передать из сети высшего напряжения в сеть среднего напряжения и наоборот при отсутствии нагрузки на обмотке низшего напряжения.
Последовательная обмотка П рассчитывается на типовую мощность
(2.13)
где – коэффициент выгодности, показывающий, во сколько раз меньше .
Напряжение общей обмотки меньше , ток в ней равен , поэтому ее мощность меньше . Можно показать, что мощность общей обмотки равна типовой.
Обмотка низшего напряжения также рассчитывается на или на мощность меньше . Ее номинальная мощность выражается через номинальную мощность автотрансформатора так:
(2.13а)
где для кВ 0,4; 0,5.
В трехобмоточном трансформаторе все три обмотки имеют мощность . В автотрансформаторе общая и последовательная обмотки рассчитаны на типовую мощность <, а обмотки низшего напряжения – на <. Таким образом, через понижающий автотрансформатор можно передать мощность, большую той, на которую выполняются его обмотки. Чем меньше коэффициент выгодности , тем более экономичен автотрансформатор по сравнению с трехобмоточным трансформатором. Чем ближе номинальные напряжения на средней и высшей сторонах автотрансформатора, тем меньше и тем выгоднее использовать автотрансформатор. При .
Схема замещения трехобмоточного трансформатора и автотрансформатора с >220кВ приведена на рисунке 4, в, а с кВ – на рисунке 4, г. Как и для двухобмоточкого трансформатора, в такой схеме замещения отсутствуют трансформации, т.е. идеальные трансформаторы, но сопротивления обмоток низшего и среднего напряжений приводят к высшему напряжению. Такое приведение соответствует умножению на квадрат коэффициента трансформации. Потери холостого хода и определяются так же, как и для двухобмоточного трансформатора. Потери – известная каталожная величина, а определяются из выражения (2.4) по каталожному значению %. Для трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов задаются три значения потерь короткого замыкания по парам обмоток и три напряжения короткого замыкания по парам обмоток . Каждое из каталожных значений и относится к одному из трех возможных опытов короткого замыкания. Значения и определяются при замыкании накоротко обмотки низшего напряжения при разомкнутой обмотке среднего напряжения и подведении к обмотке высшего напряжения такого напряжения , чтобы ток в обмотке низшего напряжения трансформатора был равен номинальному. Схема этого опыта КЗ приведена на рисунке 4, д. Ненагруженная обмотка среднего напряжения изображена штрихами, чтобы подчеркнуть, что ток в ней равен нулю. Аналогично опыту КЗ для двухобмоточного трансформатора из данного опыта КЗ можно определить сумму сопротивлений обмоток высшего и низшего напряжений:
. (2.14)
Соответственно для опытов КЗ по другим обмоткам справедливы аналогичные выражения:
, (2.15)
. (2.16)
В уравнениях (2.12) – (2.16) три неизвестных – активные сопротивления обмоток трансформатора . Решив эти три уравнения с тремя неизвестными, получим выражения, аналогичные (2.12):
, (2.17)
, (2.18)
. (2.19)
В (2.17) – (2.19) величины , соответствующие лучам схемы замещения, определяются по каталожным значениям потерь КЗ для пар обмоток:
, (2.20)
, (2.21)
(2.22)
Аналогично этому по каталожным значениям напряжении КЗ для пар обмоток определяются напряжения КЗ для лучей схемы замещения :
(2.23)
(2.24)
(2.25)
По найденным значениям определяются реактивные сопротивления обмоток по выражениям, аналогичным (2.13) для двухобмоточного трансформатора. Реактивное сопротивление одного из лучей схемы замещения трехобмоточного трансформатора (обычно среднего напряжения) близко к нулю.
Все современные трехобмоточные трансформаторы выпускаются с одинаковыми номинальными мощностями обмоток. Для ранее выпускавшихся трансформаторов, имеющих различные мощности отдельных обмоток, каталожные значения , для пар обмоток должны быть приведены к одной мощности (обычно к мощности обмотки высшего напряжения). Приведение производится пропорционально отношению мощностей обмоток, а приведение – пропорционально квадрату этого отношения.
Для автотрансформаторов дополнительно указывается номинальная мощность обмотки низшего напряжения в долях номинальной мощности автотрансформатора, т.е. (2.13а). Значения для пар обмоток приведены к напряжению обмотки ВН и отнесены к . Значения отнесены к номинальной мощности автотрансформатора , а и – к номинальной мощности обмотки низшего напряжения, т.е. к . Эта особенность записи параметров определяется условиями опыта КЗ автотрансформаторов. Например, при КЗ (ВН) напряжение на обмотке ВН поднимается до такого значения, при котором в закороченной обмотке низшего напряжения, рассчитанной на , ток будет соответствовать не , а . При КЗ (ВС) ток в последовательной обмотке (рисунок 4,6) поднимается до значения, соответствующего (см. (2.22).
Приведенные к разным мощностям паспортные значения для пар обмоток автотрансформатора необходимо привести к одной мощности – номинальной. Как отмечалось выше, это приведение пропорционально отношению квадратов мощностей обмоток:
(2.26)
(2.27)
3. Аппаратура и материалы
Перечень аппаратуры представлен в таблице 1, схема электрических соединений – на рисунке 5.
4. Указания по технике безопасности
Перед началом выполнения лабораторной работы необходимо ознакомиться с экспериментальной установкой и четко уяснить схему подачи и снятия напряжения со стенда.
5. Методика и порядок выполнения работы
Убедиться, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
Соединить гнезда защитного заземления "" устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" однофазного источника питания G1.
Таблица 1 – Перечень аппаратуры
|
Обозначение |
Наименование |
Тип |
Параметры |
|
G1 |
Однофазный источник питания |
218.2 |
~220 В /10 А |
|
А1 |
Однофазный трансформатор |
372.1 |
80 ВА 220/ 198...242 В |
|
А4, А5 |
Активная нагрузка |
306.4 |
~220 В/0...30 Вт |
|
А6, А7 |
Индуктивная нагрузка |
324.4 |
~ 220 В / 0...30 ВАр |
|
А8, А11 |
Коммутатор измерителя мощностей |
349 |
5 положений |
|
А9 |
Автоматический однополюсный выключатель |
359 |
~230 В/0,5 А |
|
Р1 |
Блок мультиметров |
509.2 |
2 мультиметра 0...1000 В ; 0...10 А ; 0...20 МОм |
|
Р2 |
Измеритель мощностей |
507.2 |
15; 60; 150; 300; 600 В,0,05;0,1; 0,2; 0,5 А. |
Соединить аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений.
Отключить (если включен) выключатель А9.
Установить переключателем желаемое значение коэффициента трансформации трансформатора А1.
Установить переключателями желаемые параметры нагрузок А4...А7.
Включить источник G1. О наличии напряжения на его выходе должна сигнализировать светящаяся лампочка.
Включить выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и измерителя мощностей Р2.
Рисунок 5 – Схема электрических соединений
Активизировать используемые мультиметры.
Включить выключатель А9.
С помощью мультиметров, включенных как вольтметры, блока Р1 измеряйть напряжения до и после исследуемого трансформатора А1.
Меняя положение переключателя коммутатора А8, с помощью измерителя Р2 измерять величины потоков активной и реактивной мощностей до и после исследуемого трансформатора А1 и по ним определите потери активной и реактивной мощностей в нем.
По завершении эксперимента отключить источник G1, выключатели «СЕТЬ» измерителя мощностей Р2 и блока мультиметров Р1.
Таблица 2 – Результаты измерений
|
Положение А8 |
Потоки мощностей до исследуемого т-ра |
Потоки мощностей после исследуемого т-ра |
Потери мощности в т-ре |
|||
|
P,Вт |
Q,вар |
P,Вт |
Q,вар |
ΔP,Вт |
ΔQ,вар |
|
6. Содержание отчета и его форма
Отчет должен иметь титульный лист с указанием темы лабораторной работы, ФИО студента, номера группы и даты выполнения работы.
Отчет должен содержать:
1. Название и цель лабораторной работы.
2. Принципиальные экспериментальные схемы.
3. Таблицы с экспериментальными данными, результатами расчетов, необходимыми графиками и поясняющими рисунками.
4. Выводы.
7. Вопросы для защиты работы
1.Какие схемы замещения применяются для трансформаторов и автотрансформаторов?
2.Как изменяются сопротивления трансформаторов и потери мощности в них с ростом номинального напряжения?
3.Как вычисляются потери мощности в трансформаторах?
8. Список рекомендуемой литературы
1. Идельчик, В.И. Электрические системы и сети : учебник для электроэнергетических специальностей / В.И. Идельчик. – 2-е изд., стер., перепеч. с изд. 1989 г . – М.: Альянс, 2009. – 592 с.
2. Конюхова, Е.А. Электроснабжение объектов : учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Е.А. Конюхова. – М.: Издательство «Мастерство», 2002. – 320 с.