Измерение потерь и напряжения КЗ

а) Особенности опыта короткого замыкания в этом случае
Опыт короткого замыкания в условиях эксплуатации имеет ряд особенностей. Прежде всего надо определить ту обмотку (ВН или НН), к которой при опыте короткого замыкания будет подводиться напряжение, а это в большой степени зависит от источника питания и измерительной аппаратуры, которыми располагает испытатель.
Другая обмотка должна быть замкнута накоротко; для замыкания ее применяют короткие проводники (кабели или шины), имеющие сечение того же порядка, что сечение ввода замыкаемой обмотки. При этом следует хорошо зачищать все контакты. Применение проводников недостаточного сечения и плохие контакты, создавая дополнительное сопротивление, могут значительно исказить результаты производимого опыта короткого замыкания.
В тех случаях, когда обмотка НН трансформатора имеет шинные вводы, закорачивать следует кусками шинной меди, которые зажимают для лучшего контакта вместе со станиолем. После того как замкнуты накоротко вводы одной обмотки, к другой подводят необходимое напряжение.
Опыт короткого замыкания производят на ступени номинального напряжения обмотки.

Устанавливаемый в обмотках ток может быть меньше номинального, но, как было сказано ранее, не менее 25% номинального. При опыте короткого замыкания трехфазных трансформаторов ток и напряжение определяют как среднее арифметическое значение показания приборов всех трех фаз, а именно:

ГОСТ указывает, что если несимметрия токов и напряжений не превышает 2%, то за значение тока при опыте короткого замыкания допускается принимать номинальный ток, устанавливаемый в одной из фаз, а за значение напряжения — значение того из трех измеренных напряжений, величина которого наиболее близка к среднему арифметическому значению напряжений.
При опыте короткого замыкания следует фиксировать температуру обмотки. Как было сказано ранее, за температуру обмоток холодного трансформатора принимается температура верхних слоев масла. Температуру его измеряют ртутным или спиртовым термометром, термопарой или термометром сопротивления на расстоянии 120—150 мм от крышки залитого полностью маслом трансформатора. Измерять температуру масла в расширителе, как это иногда делается, не следует.
Если опыт короткого замыкания производится после отключения от сети трансформатора или после его сушки, то для определения истинной температуры обмоток следует измерить сопротивление одной из обмоток постоянному току (одним из известных методов).
Зная сопротивление этой обмотки при определенной температуре и имея сопротивление обмотки при неизвестной температуре, можно легко определить искомую температуру. Определяют ее по формуле

где Фобм — искомая температура обмотки, при которой измерены сопротивления Ro; — известная температура при которой измерено сопротивление обмотки Rx (в «холодном» состоянии).
При проведении опыта короткого замыкания в условиях эксплуатации в большинстве случаев нет регулируемого напряжения от отдельного, специально для этой цели выделенного генератора. Приходится пользоваться трехфазными сетями стандартных напряжений: 127, 220, 380, 500, 3 150 и 6 300 в.
В этом случае следует выбирать то напряжение, при котором в обмотках трансформатора установится ток в пределах 25—100% номинального тока и все необходимые измерения возможно произвести имеющимися приборами.
б) Требования, предъявляемые к Измерительным приборам, особенно при измерении потерь при опыте короткого замыкания
При пользовании этими схемами следует точно соблюдать все правила измерений. Измерение напряжений и токов следует производить приборами класса 0,5. Особо следует остановиться на измерении потерь при опыте короткого замыкания. Рекомендуется при испытаниях мощных трансформаторов применять малокосинусные ваттметры класса 0,5 и измерительные трансформаторы (т. е. трансформаторы тока и трансформаторы напряжения) класса 0,2. При пользовании измерительными трансформаторами при необходимости следует учитывать их угловые погрешности. Поясним это.
Как известно, мощность однофазного переменного тока определяется формулой
P=UI cos ф,
т. е. величина мощности зависит не только от значения напряжения U, тока /, но и от коэффициента мощности cos ф.
Обычные ваттметры для измерения мощности переменного тока, 1как правило, предназначены для измерений при cos ф'= 1, т. е. полное отклонение стрелки прибора бывает при номинальном токе и напряжении.
Если же производить измерения мощности этими ваттметрами при cos ф<1, то при номинальных значениях напряжения и тока полного отклонения стрелки прибора не будет. Когда угол сдвига между током и напряжением (ф) будет равен 90е, cos ф будет равен нулю - никаких показаний (на ваттметре не будет (это случай, когда активная мощность равна нулю). При измерении потерь короткого замыкания трансформаторов угол сдвига между током и напряжением (ф) различен и зависит от мощности трансформатора, его индуктивности и величины потерь.
Угол ф изменяется от 60° у трансформаторов малой мощности до >87° у мощных трансформаторов высокого напряжения с большим Uк, а иногда и доходит почти до 89° (мощные автотрансформаторы высокого напряжения с большой индуктивностью).
В табл. 3-2 даны ориентировочные значения соsф при измерениях потерь короткого замыкания в зависимости от мощности трансформатора и его Uк в процентах.

Эта таблица относится к трехфазным двухобмоточным трансформаторам отечественного производства с потерями и напряжением короткого замыкания согласно ГОСТ 401-41.
Измерение трехфазной мощности производится как методом трех ваттметров, так и методом двух ваттметров. Потери трехфазного трансформатора определяют как алгебраическую сумму показаний ваттметров данной схемы. Ток и напряжение измеряют во всех фазах, а среднее значение их определяют как среднее арифметическое трех величин.
При измерении потерь короткого замыкания мощных трехфазных трансформаторов по методу двух ваттметров большое значение имеют ошибки самого прибора. Как известно из теории измерений, в этом случае показания ваттметров будут пропорциональны cos (ф—30) и cos(ф + 30), следовательно, для мощных трансформаторов, где угол близок к 90°, cos 60° будет равен 0,5 и cos 120° —минус 0,5.
(При пользовании обычным ваттметром (для cosф = = 1), когда катушки токовая и  напряжения полностью загружены, показания стрелок ваттметров будут находиться в середине шкалы и разность этих показаний (которая будет давать величину измеряемой мощности) будет невелика.

Рис. 1.
а — измерение мощности по методу двух ваттметров одним ваттметром с переключателем; б — другое положение переключателя.
В этом случае ошибки самих приборов, если они к тому же будут иметь различные знаки, могут дать большую погрешность, иногда превышающую 10%.
Пользование в этом случае одним ваттметром с переключателем, о чем будет сказано ниже, значительно уменьшает эту ошибку. Пользование одним ваттметром даже при большой его погрешности в определенной части шкалы при алгебраическом сложении (±) дает величину ошибки, равную или близкую к нулю.
Если при испытании не располагают полным количеством приборов, то за счет некоторого усложнения схемы можно обойтись меньшим их количеством. Мощность трехфазных трансформаторов может быть измерена одним ваттметром с переключателем, позволяющим переключать цепи тока и\ напряжения ваттметра с одной фазы на другую. Подобные переключатели бывают самых различных конструкций. Опишем наиболее простую схему.
Ваттметровый переключатель представляет собой трехполюсный переключатель (рис. 1,а), к двум нижним ножам которого приключены концы токовой обмотки ваттметра, а третий, верхний, нож подводит напряжение к катушке напряжения ваттметра. Другой конец катушки напряжения соединен постоянно со средней фазой b. Этот переключатель отличается от обычного трехполюсного тем, что он имеет два самодействующих механизма K1 и К2 замыкающих накоротко фазу а или с, в то время когда в нее не включена токовая катушка ваттметра.

Рис. 2. Вольтметровый переключатель. а — схема переключателя, б — общий вид переключателя
Вспомогательное приспособление устроено так, что позволяет включать токовую обмотку ваттметра без разрыва тока главной цепи.
Ставя переключатель в одно из двух возможных положений, мы поочередно включаем токовую катушку ваттметра в фазу а или с. На рис. 1,а токовая катушка ваттметра включена последовательно в фазу а, а катушка напряжения — между фазами а и b. Разрыв фазы с в это время замкнут механизмом К2-
На рис. 1,6 токовая катушка ваттметра включена последовательно в фазу с, а катушка напряжения — между фазами с и b.
Вольтметровым переключателем (рис. 2) можно измерять напряжения между всеми фазами одним вольтметром. Устройство переключателя видно на рис. 2,а и б. Шесть контактов, смонтированных на изолирующей плите, соединены попарно. По зажимам a, b и с скользят два изолированных друг от друга движка, к которым подключен вольтметр. Поворачивая ручку переключателя, измеряют напряжения поочередно между всеми фазами.

Если измерение потерь короткого замыкания по каким-либо причинам затруднительно, то приближенное определение напряжения короткого замыкания для температуры 75° С можно произвести и без измерения этих потерь.
Напряжение короткого замыкания иКу как было указано выше, слагается из активного падения напряжения, зависящего от температуры, и из реактивного падения напряжения, которое от температуры не зависит. Активное и реактивное падения напряжения в свою очередь обусловливаются током, а также активным и реактивным сопротивлениями трансформатора. В трансформаторах малой мощности активное сопротивление относительно велико, а потому Uк в холодном состоянии может значительно отличаться от такового для температуры 75° С. Разница для очень малых трансформаторов может доходить до 20%. В трансформаторах мощностью свыше 1 000 кВА относительная величина активного сопротивления много меньше. Для крупных же трансформаторов можно без большой погрешности пренебречь активным сопротивлением и считать, что все сопротивление трансформатора реактивное и не зависит от температуры, и, следовательно, за uk принимать значение, измеренное при температуре окружающей среды. Такое допущение может внести ошибку в определение ак порядка 2,0%, что не ухудшает сколько-нибудь существенно параллельную работу трансформаторов при соблюдении прочих условий параллельной работы.

Рис. 3. Упрощенная схема для определения напряжения короткого замыкания мощных трансформаторов.
Из приведенных примеров видно, что при определении ак токи и напряжения в различных фазах очень мало отличаются друг от друга. Это обстоятельство, а также преобладание реактивного сопротивления в крупных трансформаторах допускают применение упрощенной схемы при определении Uк крупных трансформаторов. Как видно из схемы (рис. 3), для опыта короткого замыкания пользуются лишь одним амперметром, частотомером и вольтметром. Ниже приводится пример определения Uк по этой схеме.

Таблицы 3-4 и 3-5 составлены с учетом ГОСТ 9680-61 — новых рядов номинальных мощностей силовых трансформаторов и автотрансформаторов мощностью 10 кВА и выше.
Согласно ГОСТ 11677-65, трансформаторы (и автотрансформаторы) силовые. Общие технические требования, измеренное напряжение короткого замыкания (на основном ответвлении) для всех трансформаторов может отличаться от значений, данных в табл. 3-4 и 3-5, на ±10%, а действительные (измеренные) потери короткого замыкания для всех дзухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов и для основной пары обмоток трехобмоточных автотрансформаторов — на +10%.
в) Мощность, потребляемая при опыте короткого замыкания
Мощность в киловольт-амперах, потребная при опыте короткого замыкания при прохождении по обмоткам номинальных токов, зависит от мощности испытываемого трансформатора, его Uк и определяется формулой

(341)
где Рн — номинальная мощность испытываемого трансформатора, кВА\ Uк — напряжение короткого замыкания трансформатора, %.
Если при опыте короткого замыкания подводимое напряжение U' будет отличаться от напряжения, которое следует приложить к обмоткам, для того чтобы получить номинальные значения токовто требуемая мощность определится как произведение Р' на квадрат этого отношения, т. е.

или
 
Для случая токов, отличных от номинального, мощность будет:
 
где Г и / — ток при измерении и номинальный ток той обмотки, к которой подведено напряжение.
Если известны ток и напряжение при опыте короткого замыкания, то мощность в киловольт-амперах определится:
для однофазных трансформаторов
 
для трехфазных трансформаторов
 
Определять мощность можно по одной ив приведенных формул, пользование которой представляется более удобной.
г) Измерение потерь и напряжения короткого замыкания трансформаторов большой мощности при малых токах
Определение потерь и напряжения короткого замыкания мощных трансформаторов (7 500 кВА и выше) в условиях эксплуатации часто бывает связано с большими трудностями. Проведение испытаний при токах более 25% номинального требует мощных источников тока и измерительных трансформаторов тока и напряжения класса точности 0,2 и выше. Применение измерительных трансформаторов связано с необходимостью учета их угловых погрешностей. Могут быть и такие случаи, когда ошибка за счет угловой погрешности составляет 10% и более.
Основываясь на опыте многолетней работы МТЗ, Л. К. Ашрятов предложил методику измерения потерь и напряжения короткого замыкания трансформаторов большой мощности, а в отдельных случаях и трансформаторов средней мощности (3-го габарита) при малых токах без измерительных трансформаторов.
Испытания, произведенные на МТЗ, показали, что определения потерь и напряжения короткого замыкания мощных трансформаторов и автотрансформаторов при малых токах (до 10 а) и при малых напряжениях (до 600 в) с последующим пересчетом дают достаточно точные результаты. Отсутствие при этих испытаниях измерительных трансформаторов избавляет результаты измерений от угловых погрешностей измерительных трансформаторов и значительно упрощает измерительную схему и сами измерения.
Измерять потери по этому методу можно и при любом токе, меньшем номинального, удобном для измерений без трансформаторов тока и напряжения. Потери короткого замыкания измеряются малокосинусным ваттметром (cosф = 0,l).
Включение приборов при испытании однофазных трансформаторов производят по схеме а или б рис. 4.
Для измерения потерь допускается применение мостовой схемы.

Риме 4. Схема измерения потерь и напряжения короткого замыкания однофазного трансформатора при малых токах а  — упрощенный вид схемы;
6 — другой вид схемы
При работе по схеме рис. 4,а амперметром измеряется действительное значение тока, а ваттметром — потери в испытываемом трансформаторе, амперметре, токовой катушке ваттметра и соединительных проводах. Потери в приборах и проводах необходимо вычесть из измеренных потерь. Величина потерь в приборах и соединительных проводах определяется как произведение квадрата тока на величину сопротивления приборов и соединительных проводов. Если эти сопротивления неизвестны, то их можно измерить постоянным током. Поправки к измеряемому напряжению за счет падения напряжения в токовой цепи можно не учитывать, так как они очень малы.
При работе по схеме рис. 4,6 напряжение измеряется непосредственно на вводах трансформатора, а измеренная мощность будет больше за счет потерь в катушке напряжения ваттметра и в вольтметре. Полученные результаты измерений за вычетом потерь на собственное потребление приборов приводятся к номинальному току трансформатора:

Измерение потерь и напряжения короткого замыкания трехфазных трансформаторов автор предложения рекомендует производить при однофазном питании по схеме рис. 4,а с соблюдением следующих условий.
Одна из обмоток трансформатора надежно замыкается накоротко на всех ее вводах, а к вводам другой обмотки подводится питание в  следующей последовательности:

Полученные из трех указанных опытов результаты измерений приводят к трехфазному режиму по формулам:

где РА В , Рв с, РА С — измеренные при трех опытах и приведенные к номинальному току значения потерь короткого замыкания;
ua-b> ив-с » ua-c —измеренные в трех опытах и приведенные к номинальному току значения напряжения короткого замыкания, выраженные в процентах номинального напряжения.
Формулы  действительны для любых схем соединения обмотки стороны питания трансформатора.
Сравнивая результаты пофазных измерений, можно судить об исправности каждой фазы трехфазного трансформатора.
Сравнение измеренных потерь и напряжения короткого замыкания, произведенные на МТЗ с рядом однофазных и трехфазных трансформаторов и автотрансформаторов различных мощностей (от 3 200 до 80 000 кВА) при малых токах (1—2% номинального) с измеренными в обычных условиях (от 25 до 75% номинального тока), показали, что, как указывает автор предложения, оба метода дали практически одинаковые результаты.
Повторяем, что потребляемая мощность для опыта в этих случаях будет в десятки и сотни раз меньше, чем в обычных условиях, что позволяет производить испытания от сети 220 или 380 в, т. е. при практически синусоидальной форме кривой напряжения и при номинальной частоте.