Потери холостого хода в трансформаторе

Трансформаторы ТМ-400 кВА

Трансформатори

Силовые масляные трансформаторы ТМ-400 кВА это трансформаторы общего назначения мощностью 400кВА. ТМ-400 кВА используются для нужд народного хозяйства для наружной и внутренней установки.

Силовые трансформаторы ТМ-400 выпускаются с номинальным напряжением первичной обмотки (высокого напряжения) до 10 кВ, включительно, и вторичной обмотки (низкого напряжения) – 0,4 кВ. Схема и группа соединений трансформаторв ТМ – У/Ун-0, Д/Ун-11.

Трансформаторы соответствуют требованиям ГОСТ 11677-85 «Трансформаторы силовые. Общие технические условия», ГОСТ 27050-86 «Трансформаторы силовые I-III габаритов (мощностью свыше 5 до бЗООкВА включительно напряжением до 35 кВ включительно), техническим условиям ТУ УЗ 1.1-31617591-001-2005 Трансформаторы силовые масляные мощностью от 25 до 1000 кВ А».

Условия эксплуатации трансформаторов ТМЖ

• Высота над уровнем моря — до 1000 м.
• Температура окружающего воздуха — от -45 °С до +40 °С.
• Относительная влажность воздуха — не более 80%.
• Трансформаторы не рассчитаны для работы во взрывоопасной и агрессивной среде (содержащей газы, испарения, пыль повышенной концентрации и т.п.).

Технические характеристики трансформаторов ТМ.

Номинальное напряжение первичной обмотки силового трансформатора ТМ может составлять 6кВ, 10кВ, 15кВ, 20кВ, 27.5кВ, 35кВ, и вторичной обмотки 0,4кВ, 6кВ, 10кВ, 15кВ, 20кВ. Группы соединений и схемы трансформатора ТМ кВА — Д/Ун-11; У/Ун-0; Y/Zн-0. Напряжение регулируется без возбуждения. Силовые масляные трансформаторы ТМ оборудованы высоковольтными переключателями, которые присоединяются к обмотке высокого напряжения. Они позволяют регулировать напряжение ступенями при отключенном от электрической сети трансформаторе с диапазоном +-2х2.5%.

Масса трансформатора ТМ составляет 260 кг, масса масла 85кг. Потери холостого хода трансформатора ТМ 110Вт. Потери короткого замыкания 600Вт. Напряжение короткого замыкания 4.5%.

Бак трансформатора ТМ овальной формы. В трансформаторах мощностью 25 кВА для увеличения поверхности охлаждения применяются радиаторы и гофрированные баки. Для подъёма силового трансформатора ТМ в сборе под верхней рамой бака расположены крюки. Для залива масла есть кран на крышке бака, для спуска масла внизу бака имеется пробка, также внизу расположен кран для взятия пробы и болт заземления.

Активная часть трансформатора ТМ состоит из магнитопровода, который изготавливается из холоднокатаной высококачественной электротехнической стали, обмоток и высоковольтного переключателя. Обмотки силового масляного трансформатора ТМ алюминиевые или медные (цена трансформаторов ТМ с медной обмоткой, как правило, выше). На трансформатор ТМ устанавливаются проходные фарфоровые изоляторы. Вводы низшего и высшего напряжений наружной установки, съёмные. При токе ввода более 1000А в верхней части токоведущего стержня прикреплен контактный зажим с лопаткой, которая обеспечивает подсоединение плоских шин. На крышке трансформатора расположен вводы ВН и НН. Наличие масла при всех режимах работы трансформатора и колебаниях температуры окружающей среды обеспечивает маслорасширитель. Влагу, поступающую в масляный силовой трансформатор, поглощает сорбент, которым заполнен воздухоосушитель, защищающий масло от наружного воздуха.

На торце маслорасширителя закреплен маслоуказатель для контроля масла. Он имеет три контрольные метки, которые соответствуют уровню масла в неработающем трансформаторе при различных температурах. На крышке трансформатора установлен термометр для измерения температуры верхних слоев масла.

Технические характеристики трансформаторов ТМ-400 кВА.

Номинальное напряжение первичной обмотки силового трансформатора ТМ-400 кВА может составлять 6кВ, 10кВ, 15кВ, 20кВ, 27.5кВ, 35кВ, и вторичной обмотки 0,4кВ, 6кВ, 10кВ, 15кВ, 20кВ. Группы соединений и схемы трансформатора ТМ-400 кВА — Д/Ун-11; У/Ун-0; Y/Zн-0. Напряжение регулируется без возбуждения. Силовые масляные трансформаторы ТМ-400 кВА оборудованы высоковольтными переключателями, которые присоединяются к обмотке высокого напряжения. Они позволяют регулировать напряжение ступенями при отключенном от электрической сети трансформаторе с диапазоном +-2х2.5%.

Масса трансформатора ТМ-400 кВА составляет 260 кг, масса масла 85кг. Потери холостого хода трансформатора ТМ-400 кВА 110Вт. Потери короткого замыкания 600Вт. Напряжение короткого замыкания 4.5%.

Бак трансформатора ТМ-400 овальной формы. В трансформаторах мощностью 25 кВА для увеличения поверхности охлаждения применяются радиаторы и гофрированные баки. Для подъёма силового трансформатора ТМ-400 в сборе под верхней рамой бака расположены крюки. Для залива масла есть кран на крышке бака, для спуска масла внизу бака имеется пробка, также внизу расположен кран для взятия пробы и болт заземления.

Активная часть трансформатора ТМ-400 кВА состоит из магнитопровода, который изготавливается из холоднокатаной высококачественной электротехнической стали, обмоток и высоковольтного переключателя. Обмотки силового масляного трансформатора ТМ-400 кВА алюминиевые или медные (цена трансформаторов ТМ-400 кВА с медной обмоткой, как правило, выше). На трансформатор ТМ-400 устанавливаются проходные фарфоровые изоляторы. Вводы низшего и высшего напряжений наружной установки, съёмные. При токе ввода более 1000А в верхней части токоведущего стержня прикреплен контактный зажим с лопаткой, которая обеспечивает подсоединение плоских шин. На крышке ТМ-400 кВА расположен вводы ВН и НН. Наличие масла при всех режимах работы трансформатора ТМ-400 кВА и колебаниях температуры окружающей среды обеспечивает маслорасширитель. Влагу, поступающую в масляный силовой трансформатор ТМ-400 кВА, поглощает сорбент, которым заполнен воздухоосушитель, защищающий масло от наружного воздуха.

На торце маслорасширителя закреплен маслоуказатель для контроля масла. Он имеет три контрольные метки, которые соответствуют уровню масла в неработающем трансформаторе при различных температурах. На крышке трансформатора ТМ-400 установлен термометр для измерения температуры верхних слоев масла.

Тип трансформатора	Размеры, мм										Масса, кг
		В	Н	А	Д	Б	Г	Е	И	Н1
ТМ-100/10-У1
ТМ-160/10-У1
ТМ-250/10-У1
ТМ-400/10-У1

Мы также предлагаем трансформаторы ТМ-25 кВА, трансформаторы ТМ-40 кВА, трансформаторы ТМ-63 кВА, трансформаторы ТМ-100 кВА, трансформаторы ТМ-160 кВА, трансформаторы ТМ-250 кВА, трансформаторы ТМ-400 кВА, трансформаторы ТМ-630 кВА, трансформаторы ТМ-1000 кВА, трансформаторы ТМ-1250 кВА, трансформаторы ТМ-1600 кВА, трансформаторы ТМ-2500 кВА, трансформаторы ТМ-4000 кВА.

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, в котором нет вращающихся частей и, следовательно, механических потерь. Все потери в трансформаторе — это потери активной мощности, возникающие в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах его работы. Рассмотрим эти потери.

Потери холостого хода

В режиме холостого хода потребляемая трансформатором активная мощность расходуется только на покрытие потерь в стали магнитопровода и в первичной обмотке от тока холостого хода (I20r1). Потери, возникающие при этом в магнитопроводе, называют магнитными и обозначают Рм. А суммарные потери в режиме холостого хода (при номинальных первичном напряжении и частоте) называют потерями холостого хода и обозначают Р0: Р0 = Рм + I20r1, где r1 — активное сопротивление первичной обмотки. Особенностью потерь холостого хода являются их постоянство и независимость от режима нагрузки трансформатора. Действительно, ток холостого хода I0 определяется геометрической суммой намагничивающей и активной составляющих. Ток Iнам создает основной поток Ф0, а активная составляющая Iа определяется только потерями в стали от гистерезиса и вихревых токов. Магнитный поток Ф0 остается постоянным, как бы ни менялся режим нагрузки (токи I1 и I2) трансформатора. Следовательно, и ток Iнам останется неизменным при любой нагрузке. Активная составляющая зависит только от магнитных потерь и для данного магнитопровода, выполненного из определенной марки стали (при номинальных первичном напряжении и частоте), является также неизменной. Естественно, что и потери в первичной обмотке от протекания тока I0 останутся неизменными. Таким образом, при номинальных первичном напряжении и частоте потери холостого хода Р0 постоянны и не зависят от нагрузки трансформатора.

Основные потери в обмотках

При включении нагрузки из первичной обмотки во вторичную передается электромагнитная мощность; во вторичной обмотке появляется ток I2; одновременно в первичной обмотке возникает ток I1, который находится в прямой зависимости от нагрузки, т. е. от тока I2. При этом в обмотках теряется мощность, пропорциональная квадратам токов и сопротивлениям первичной и вторичной обмоток: Рнагр = I21r1 + I22r2, где I1 и I2 — токи нагрузки; r1 и r2 — сопротивления соответствующие обмоток. Естественно, что потери Рнагр непосредственно зависят от величины мощности, необходимой потребителю. Так, если в какой-либо момент потребляемая мощность составляет 0,7 номинальной, т. е. токи равны 0,7 своих номинальных значений, потери будут составлять 0,72 = 0,49, или только половину расчетных в номинальном режиме. А если учесть, что потребность в энергии в течение суток неодинакова, то очевидны значительные колебания нагрузочных потерь в обмотках, т. е. эти потери непостоянны и полностью зависят от режима нагрузки.

Добавочные потери в обмотках

Однако I1 и I2 — не единственные токи, протекающие в обмотках трансформатора. Кроме токов нагрузки в обмотках трансформаторов обнаруживаются еще и другие токи, которые замыкаются внутри отдельных проводов и между параллельными ветвями обмоток; эти токи в отличие от токов нагрузки не выходят за пределы обмоток. Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, называют вихревыми (аналогично токам внутри пластин магнитной системы). Токи, замыкающиеся между параллельно соединенными обмотками или частями обмоток, называют циркулирующими. Эти токи вызываются полем рассеяния, т. е. той частью магнитного поля трансформатора, силовые линии которой сцепляются не со всеми, а только с частью витков обмоток и проходят главным образом в немагнитной среде (в воздухе, масле и т. п.). При расчете потерь в обмотках реальный ток, неравномерно распределяющийся по сечению проводов и между параллельными ветвями обмоток, обычно рассматривают как сумму трех токов: — тока нагрузки, равномерно распределяющегося по поперечному сечению и между параллельными ветвями; — циркулирующего тока, замыкающегося внутри контура, образованного параллельными ветвями; — вихревого тока, замыкающегося только в пределах каждого провода. При этом сумма потерь от трех указанных токов равна реальным потерям в обмотках трансформатора. Кроме потерь в обмотках поля рассеяния вызывают потери в стенках бака, прессующих кольцах, ярмовых балках и других элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери снижают эффективность трансформатора; с ними ведется постоянная борьба с целью добиться их минимальной величины. Итак, в трансформаторе различают потери активной мощности, не зависящие от нагрузки (Р0); нагрузочные (Рнагр) и добавочные (Рдоб) потери, определяемые режимом работы (величиной нагрузки) трансформатора: ΣР = Р0 + Рнагр + Рдоб.

Потери холостого хода трансформатора Рх состоят из потерь в стали сердечника, а также в стальных элементах конструкции остова трансформатора, электрических потерь в первичной обмотке, вызванных током холостого хода, и диэлектрических потерь в изоляции. В силовых трансформаторах диэлектрические потери и потери от тока холостого хода не учитываются. Потери в элементах конструкции трансформатора при холостом ходе невелики и учитываются вместе с другими добавочными потерями. Таким образом, мощность холостого хода принимается равной потерям мощности в стали магнитопровода.
Потери в стали сердечника разделяются на потери от гистерезиса и вихревых токов. Для горячекатаной легированной стали первые из них составляют 70–80 %, а вторые 30–20 % от полных потерь в стали при толщине листов соответственно 0,5 и 0,35 мм. В холоднокатаной
легированной стали потери на гистерезис составляют 25–35 % и от вихревых токов 75–65 % от полных потерь в стали.
В практике расчета обычно определяют полные потери в стали, не разделяя их, и пользуются при этом экспериментально установленной зависимостью между индукцией и удельными потерями в стали. Данные экспериментального исследования стали сводятся в таблицы или изображаются кривой удельных потерь
Р = f(B).
Методика расчёта потерь зависит от марки стали, из которой изготовлен магнитопровод.
Если сердечник изготовлен из горячекатаной стали, то методика расчёта проще, чем при изготовлении магнитопровода из холоднокатаной стали.
Так, в случае изготовления сердечника из горячекатаной стали расчёт потерь холостого хода ведётся в следующем порядке:
определяют полную массу стали, кг,
Gст = Gс + Gя ;
потери холостого хода, Вт, по выражению
Ро = Кg(PcGc+PяGя),
где Рс и Ря – удельные потери в 1 кг стали стержня и ярма, зависящие от величины индукции Вс и Вя, марки и толщины листов стали и частоты;
Kg – коэффициент добавочных потерь, который может быть принят.
Для трансформаторов с диаметром стержня dст до 20 см Kg =1,0¸1,01; dст = 20¸30 см – Kg = 1,02¸1,05; dст = 30¸50 см – Kg = 1,05¸1,1;
dст более 50 см – Kg = 1,07¸1,15.
Индукция в стержне Вс, Тл, в ярме Вя, Тл, определяется для окончательного установленных значений Пс и Пя
Вс = ; Вя = Вс .
Значения Рс и Ря для различных значений индукции и марки стали могут быть взяты из табл. 1 для сталей горячей прокатки.
Активная составляющая тока, А, холостого хода
Iоа = или в процентах Iоа = ,
где Ро – потери холостого хода, Вт; S – мощность трансформатора, кВА.
Расчет реактивной намагничивающей составляющей тока холостого хода усложняется наличием в магнитной цепи трансформатора немагнитных зазоров.

Таблица 1

Удельные потери в стали р и в зоне шихтованного стыка рз
горячекатаной стали марок 1512 и 1513 и холоднокатаной стали
марок 3411, 3412 толщиной 0,35 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Примечание. Добавочные потери в зоне шихтованного стыка для горячекатаной стали не учитываются.

При расчете намагничивающей мощности сердечник трансформатора разбивается на три участка – стержни, ярма, зазоры –, и для каждого из этих участков подсчитывается требуемая намагничивающая мощность.
Полная намагничивающая мощность трансформатора, ВА, для сердечника из холоднокатаной стали при «косых стыках» может быть выражена следующей формулой:
Qx = gxcGc+gхяGя+nзgхзПс ,
где gxc и gхя – удельные намагничивающие мощности для стержня и ярма, определяется по табл. 2, ВА/кг; nз – число воздушных зазоров (стыков) в сердечнике; gхз – удельная намагничивающая мощность ВА/см2, для воздушных зазоров, определяемая при «прямых стыках», для индукции в стержне по табл. 2; Пс – активное сечение стержня, см2.

Таблица 2
Полная удельная намагничивающая мощность в стали q и в зоне
шихтованного стыка qздля горячекатаной стали марок 1512 и 1513
и холоднокатаной стали марок 3411, 3412 и 3413 толщиной 0,35 мм
при различных индукциях и f = 50 Гц

Примечание. Значения qз даны для шихтовки слоями в две пластины

В сердечниках с «косыми стыками» при угле наклона около 45о индукция в немагнитном зазоре для определения gхз находится как
Вз = = 0,71Вс,
а площадь стыка Пс = 1,41Пс.
При расчете намагничивающей мощности для сердечника с «прямыми стыками», собранного из холоднокатаной стали, следует учитывать, что в тех частях сердечника, где направление вектора индукции магнитного потока не совпадает с направлением прокатки листов, магнитная проницаемость стали существенно понижается, и требуемая для создания магнитного потока намагничивающая мощность увеличивается.
В этом случае намагничивающую мощность увеличивают в К раз.
Для различных индукций величина К может быть принята:
В = 1¸1,2 Тл К = 1,8;
В = 1,2¸1,5 Тл К = 1,8–3,2;
В = 1,5¸1,6 Тл К = 3,2–4;
В = 1,6¸1,7 Тл К = 4,0–3,6.
Абсолютное фазное значение реактивной составляющей хода, А,
Iоф = , в процентах Iop = .
Полный ток холостого хода:
абсолютное значение Io = ,
в процентах Io = .
Полученное значение тока холостого хода не должно отличаться от заданного или нормы государственного стандарта более, чем на 15 %.
Коэффициент полезного действия трансформатора
) 100 % .
Для плоской трёхфазной шихтованной магнитной системы современной трёхстержневой конструкции с взаимным расположением стержней и ярм, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали, с прессовкой стержней, расклиниванием с внутренней обмоткой или бандажами, а ярм ярмовыми балками или балками с полубандажами, не имеющими сквозных шпилек в стержнях и ярмах, потери холостого хода могут быть рассчитаны по (1).
. (1)
Такая магнитная система имеет четыре угла на крайних и два на средних стержнях.
Коэффициент увеличения потерь в углах может быть найден по формуле
.
Он зависит от формы стыков в углах крайних и средних стержней магнитной систем, коэффициенты для которых определяются по таблицам. Значения , рассчитанные для различных сочетаний формы стыков приведены в табл. 3.
Выражение åрзnзПз определяет потери в зоне стыков пластин магнитной системы с учётом числа стыков различной формы, площади зазора П3 для прямых и косых стыков, индукции по табл. 10 и частично 9.
Коэффициенты и определяются по табл. 5., а коэффи-циент для различных вариантов прямых и косых углов – по табл. 6.
Коэффициент добавочных потерь определяется по табл. 7.
Удельные потери в стали, в зависимости от величин магнитной индукции и марки стали, приведены соответственно в табл. 4.
Согласно ГОСТ 11677-85 для потерь холостого хода в готовом трансформаторе установлен допуск +15 %. Таким образом, в расчёте следует выдержать потери холостого хода в пределах нормы соответствующего государственного стандарта плюс 7,5 %.

Таблица 3

Коэффициент Кп.у, учитывающий увеличение потерь в углах магнитной системы, для стали разных марок при косом и прямом стыках для
диапазона индукций В = 0,9÷1,7 Тл при f = 50 Гц

Таблица 4
Удельные потери в стали р и в зоне шихтованного стыка рз
для холоднокатаной стали марок 3404 и 3405 по ГОСТ 21427-83
и для стали иностранного производства марок М6Х и М4Х
толщиной 0,35, 0,30 и 0,28 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Продолжение табл. 4

Примечания: 1. Удельные потери для стали марки 3405 толщиной 0,35 мм принимать по графе для стали 3404 толщиной 0,30 мм. 2. Удельные потери для стали М6Х толщиной 0,35 мм принимать по графе для стали 3404 той же толщины.
3. В двух последних графах приведены удельные потери р3, Вт/м², в зоне шихтованного стыка при шихтовке слоями в одну и две пластины одинаковые для всех марок.

Таблица 5

Способы прессовки стержня и ярма и коэффициенты К и
для учёта влияния прессовки на потери и ток холостого хода

S, кВА	Способ прессовки		Сталь отожжена		Сталь не отожжена
	стержня	ярма
До 630	Расклинивание с обмоткой	Ярмовые балки без бандажей	1,03	1,045	1,02	1,04
1000–6300	Бандажи из стеклоленты	То же	1,03	1,05	1,025	1,04
10000 и более	То же	Ярмовые балки с бандажами	1,04	1,06	1,03	1,05

Таблица 6
Значения коэффициента для различного числа углов с косыми
и прямыми стыками пластин плоской шихтованной магнитной системы для стали разных марок при В = 0,9÷1,7 Тл и f = 50 Гц

Примечание. * — Комбинированный стык

Таблица 7
Коэффициент добавочных потерь в (1) для стали
марок 3404 и 3405

S, кВА	До 250	400–630	1000–6300	10000 и более
Пластины отожжены	1,12	1,13	1,15	1,20
Пластины не отожжены	1,22	1,23	1,26	1,31

Примечания: 1. Для стали марок М4Х и М6Х можно принять те же коэффициенты. 2. При прямоугольной форме поперечного сечения ярма коэффициент, полученный из таблицы, умножить на 1,07.

Полная намагничивающая мощность трансформатора с плоской магнитной системой из анизатропной холоднокатаной стали может быть рассчитана по формуле
,
где , и – масса стали стержней и отдельных частей ярм, определённых так же, как и при расчёте потеть холостого хода, кг;
– удельные намагничивающие мощности, определяемые по
табл. 8 и 9, ВА/кг; – удельная намагничивающая мощность, определяемая по табл. 8 и 9 по индукциям для косых и прямых стыков, ВА/м2; Пз – площадь зазора, м2; – коэффициент, учитывающий резку полосы рулона на пластины,
для отожженной стали марок 3404 и 3405 = 1,18;
для неотожженной – 1,49;
для стали марок М4Х и М6Х – соответственно 1,11 и 1,25.
– коэффициент, учитывающий влияние срезания заусениц,
для отожженных пластин = 1;
для неотожженных пластин – 1,01;
если заусеницы не сняты, то = 1,02 и 1,05.
– коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах, он принимается по табл. 10;
– коэффициент, учитывающий форму сечения ярма,
для ярма многоступенчатого сечения =1;
при соотношении числа ступеней стержня и ярма равном трём = 1,04;
при соотношении равном шести = 1,06;
для прямоугольного ярма = 1,07.
– коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы, определяется по таблице 5.;
–коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма, равный
1,01 при мощности трансформатора до 250 кВА;
1,02 – при мощности 400 – 1000 кВА;
1,04 — 1,05 – при мощности 1000 – 6300 кВА;
1,09 – при мощности 10000 и более.
Коэффициент определяется по табл. 11. и 12.

Таблица 8
Полная удельная намагничивающая мощность в стали q и в зоне
шихтованного стыка qз для холоднокатаной стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Окончание табл. 8

Примечание. В двух последних графах приведена удельная намагничивающая мощность qз, ВА/м², в зоне шихтованного стыка при шихтовке слоями в две пластины. При шихтовке в одну пластину данные qз, полученные из таблицы, умножить на 0,82 и на 0,78 для стали марки 3405.

Таблица 9

Полная удельная намагничивающая мощность в стали q и в зоне шихтованного стыка qз для стали иностранного производства марок М6Х и М4Х толщиной 0,35 и 0,28 мм при различных индукциях и f = 50 Гц

Окончание табл. 9

Таблица 10

Значения коэффициента , учитывающего увеличение
намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета а2, для холоднокатаной стали

Таблица 11
Значения коэффициента , учитывающего увеличение
намагничивающей мощности в углах магнитной системы для стали
различных марок при косом и прямом стыках, для диапазона
индукции 0,20¸1,90 Тл при f = 50 Гц

Окончание табл. 11

Примечание. Для стали марок 3412 или 3413 толщиной 0,35 мм при всех значениях индукции и значения К’т, у (косой стык), полученные из таблицы для стали 3404, умножить на 0,65 или 0,80 и значения К˝т, у (прямой стык) – на 0,56 или 0,78 соответственно.

Таблица 12

Значения коэффициента для различного числа углов с косыми
и прямыми стыками пластин плоской шихтованной магнитной системы для стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм при f = 50 Гц