Понятие потерь холостого хода трансформатора и как их определить, формулы и таблицы

Энергетические потери в любом случае, независимо от типа производства, являются причиной перерасхода средств и материалов. Именно по этой причине возможно повышение стоимости энергии. Поэтому борьба с данным фактором играет очень важную роль. Основывается данная процедура на проведении технического обслуживания оборудования, благодаря которому имеется возможность определить какие-либо образовавшиеся неполадки, что важно для своевременного проведения профилактических мер на исключение вероятности сбоев в функциональности. Потери холостого хода трансформатора представляют собой одну из наиболее часто встречающейся проблемой.

Понятие холостого хода трансформатора

Когда у трансформатора наблюдается выделенное питание одной обмотки, а другие пребывают в разомкнутом состоянии. Этот процесс приводит к утечке энергии, что и называют потерями холостого хода. Его развитие происходит под влиянием ряда внешних и внутренних факторов.

Мощность трансформатора не используется в полной мере, а часть энергии утрачается по причине некоторых магнитных процессов, особенностями первичной обмотки и изоляционного слоя. Последний вариант влияет при использовании приборов, функционирующих на повышенной частоте.

Правила сборки трансформаторов и способы снижения потерь на обмотках

Так как от правильности сборки оборудования зависят его параметры работы и особенности эксплуатации, выполняющим монтаж сотрудникам обязательно нужно помнить о своей ответственности. От профессионализма сборщиков зависит даже число используемых при установке трансформатора материалов.

Современное трансформаторное оборудование изготавливается из элементов, не имеющих надежной защиты от механических повреждений. Из-за этой особенности даже одно неправильное действие монтажника может привести к снижению магнитных свойств металла. Любые механические повреждения трансформатора будут приводить к снижению функциональности устройства, его экономичности и надежности.

Основные потери электрической энергии происходят на обмотках трансформаторного оборудования, причем, в большинстве случаев, из-за тока нагрузки. Снизить нагрузку, а значит и потери, можно за счет увеличения диаметра сечения используемого в обмотке кабеля. Эта методика считается самой эффективной, но не совсем рентабельной, так как увеличение диаметра кабеля обмотки может привести к необходимости увеличения других характеристик устройства, что потребует значительного финансирования.

Более правильный и дешевый вариант снижения потерь и увеличения рентабельности оборудования состоит в контроле над симметрией установленных обмоток. Специалистам должно быть известно, что даже незначительная разница в параметрах обмоток может приводить к увеличению потерь электроэнергии. Потерь из-за разницы обмоток могут приводить также к сильному нагреву отдельных элементов установки.

Ниже вы можете воспользоваться онлайн-калькулятором для расчёта стоимости услуг электролаборатории.

Какие факторы влияют на потери

Современные трансформаторы в условиях полной нагрузки достигают 99% КПД. Но устройства продолжают совершенствовать, пытаясь снизить утрату энергии, которая практически равны сумме потерь холостого хода, возникающих под влиянием разнообразных факторов.

Изоляция

Если на стягивающих шпильках установлена плохая изоляция или ее недостаточно, возникает замкнутый накоротко контур. Это один из главных факторов данной проблемы трансформатора. Поэтому процессу изоляции следует уделять больше внимания, используя для этих целей качественные специализированные материалы.

Вихревые токи

Развитие вихревых токов связано с течением магнитного потока по магнитопроводу. Их особенность в перпендикулярном направлении по отношению к потоку. Чтобы их уменьшить, магнитопровод делают из отдельных элементов, предварительно изолированных. От толщины листа и зависит вероятность появления вихревых токов, чем она меньше, тем ниже риск их развития, приводящего к меньшим потерям мощности.

Чтобы уменьшить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали, в материал добавляют различные виды присадок.

Они улучшают свойства материала и позволяют снизить риск развития неблагоприятных процессов, плохо отражающихся на работе устройства.

Гистерезис

Как и переменный ток, магнитный поток также меняет свое направление. Это говорит о поочередном намагничивании и перемагничивании стали. Когда ток меняется от максимума до нуля, происходит размагничивание стали и уменьшение магнитной индукции, но с определенным опозданием.

При перемене направления тока кривая намагничивания формирует петлю гистерезиса. Она отличается в разных сортах стали и зависит от того, какие максимальные показатели магнитной индукции материал может выдержать. Петля охватывает мощность, которая постепенно перерасходуется на процесс намагничивания. При этом происходит нагревание стали, энергия, проводимая по трансформатору, превращается в тепловую и рассеивается в окружающую среду, то есть, она тратится зря, не принося никакой пользы всем пользователям.

Характеристики электротехнической стали

Для трансформаторов используют преимущественно холоднокатаную сталь. Но показатель потерь в ней зависит от того, насколько качественно собрали устройство, соблюдались ли все правила в ходе производственного процесса.

Для уменьшения потерь можно также немного добавить сечения проводам на обмотке. Но это не выгодно с финансовой точки зрения, ведь придется использовать больше магнитопровода и других важных материалов. Поэтому размер обмоточных проводов меняют редко. Пытаются найти другой, более экономичный способ решения этой проблемы.

Перегрев

В процессе работы трансформатора его элементы могут нагреваться. В этих условиях устройство не способно нормально выполнять свои функции. Все зависит от скорости этого процесса. Чем выше нагрев, тем быстрее прибор перестанет выполнять свои прямые функции и понадобится капитальный ремонт и замена определенных деталей.

В первичной обмотке

Если электрический ток по проводнику замыкается, то высокая вероятность утечки электрической энергии. Размер потерь зависит от величины тока в проводнике и его сопротивления, а также от показателя нагрузок, возлагаемых на прибор.

На что сказываются потери и от чего они зависят

В процессе транспортировки электрической энергии от объектов производства до конечного потребителя происходят серьезные потери. Объем потерь при транспортировке может составлять до 18%, причем, большая часть этих потерь приходится именно на трансформаторное оборудование.

Объем потерь обязательно должен учитываться проектировщиками при создании систем электрического потребления. От потерь будет зависеть себестоимость электрической энергии, стоимость обслуживания и ремонта электрического оборудования.

До середины XX века для производства трансформаторов использовалась сталь горячей прокатки, которая отличалась низкими техническими характеристиками. В 50-х годах прошлого столетия такую сталь начали постепенно заменять металлом холодной прокатки с зерновой структурой. Основным достоинством более современной стали являлся более высокий уровень магнитной проницаемости, а потому и большая эффективность трансформаторного оборудования в целом.

С тех пор и до наших дней технологии производства холоднокатаной стали постоянно улучшались и сегодня параметры таких материалов еще больше улучшились.

В настоящее время уровень потерь холостого хода трансформаторного оборудования значительно снизился за счет применения более современной и функциональной стали, улучшения конструкции магнитных систем и модернизации сердечников.

Если рассматривать особенности современной стали, используемой для создания пластин, то ее положительные свойства связаны с тем, что с течением времени производители улучшали ориентацию доменов, уменьшали толщину стальных листов при производстве. Кроме того, очистка доменов сегодня осуществляется за счет лазерной обработки, что также сказывается на технических характеристиках конечных изделий. Занимающиеся измерениями и выбором трансформаторного оборудования специалисты должны знать отличия трансформаторов от автотрансформаторов.

Таблица потерь силовых трансформаторов по справочным данным в зависимости от номинала

Чаще всего проблема утечки электроэнергии связана с движением вихревых токов и перемагничиванием. Под влиянием этих факторов нагревается магнитопровод, который обуславливает основную часть потерь холостого хода независимо от тока нагрузки. Развитие этого процесса происходит независимо от того, в каком режиме функционирует устройство.

Постепенно, под влиянием определенных факторов могут меняться эти показатели в сторону значительного увеличения.

Таблица потерь ХХ

Проверка устройства в режиме ХХ

Для этого выполняют такие действия:

1. С использованием вольтметра проверяют напряжение, подающееся на катушку.
2. Другим вольтметром исследуют напряжение на остальных выводах. Важно использовать устройство с достаточным сопротивлением, чтобы показатели были требуемого значения.
3. Выполняют присоединение амперметра к цепи первичной обмотки. С его помощью можно добиться определения силы тока холостого хода. Также прибегают к применению ваттметра, с помощью которого стараются выполнить измерение уровня мощности.

После получения показаний всех приборов выполняют расчеты, которые помогут в вычислении. Чтобы получить нужные данные, необходимо показатели первой обмотки разделить на вторую. С применением данных опыта ХХ с результатами короткозамкнутого режима определяют, насколько полно устройство выполняет свои действия.

Что включает в себя проверка трансформатора

Первые профессиональные электрические измерения включают в себя несколько отдельных проверок и исследований, каждое из которых позволяет получить точную информацию о функциональности трансформаторного устройства.

Помимо измерения потерь в режиме холостого хода, специалистам электролаборатории нужно будет также определить коэффициент трансформации прибора, проверить качество изоляции, качество соединения обмоток и параметры сопротивления на обмотках трансформатора. Проводя исследование трансформатора, следует не только грамотно выполнить все этапы электроизмерительных работ, но еще и провести их в правильной последовательности. Любые ошибки в проектах электроснабжения могут становится причиной выхода из строя трансформаторного оборудования.

На первом этапе измерительных работ специалистам нужно будет измерить характеристики тока при холостой работе устройства. В соответствии с современными законами, к проведению замеров холостого хода трансформаторного устройства допускаются только квалифицированные специалисты с уровнем по электрической безопасности не ниже 3. Каждый сотрудник электролаборатории обязан использовать средства индивидуальной защиты и работать в соответствии со всеми нормами безопасности.

Чтобы получить точную информацию о силе тока в холостом ходу, работы должны проводиться при напряжении от 220 В до 380 В. Напряжение может быть подано исключительно на обмотку трансформаторного оборудования, а уровень напряжения постоянно должен контролироваться сотрудниками бригады с помощью профессиональных измерительных приборов.

Так как после отключения устройства на магнитопроводе может оставаться остаточное намагничивание, специалистам электролаборатории нужно будет его размагнитить. Чтобы это сделать, мастерам нужно пропустить ток с противоположной полярностью по обмотке. Для этих работ обычно используются современные переносные аккумуляторы. Если производится исследование трехфазного устройства, то замеры нужно проводить пофазно, за счет чего можно будет выявить неисправный проводник и сравнить характеристики эксплуатации устройства с заводскими параметрами.

Для получения актуальных характеристик тока, специалистам нужно будет поочередно замыкать одну из фаз устройства, проверяя оставшиеся проводники.

Особенности режима ХХ в трехфазном трансформаторе

На функционирование трехфазного трансформатора в таком режиме влияют отличия в подключении обмоток: первичная катушка в виде треугольника и вторичная в форме звезды. Ток способствует созданию собственного потока.

Трехфазный ток в виде группы однофазных имеет такие особенности: замыкание ТГС магнитного потока происходит в каждой фазе за счет сердечника. Если напряжение будет постепенно увеличиваться, то в изоляции возникнет пробой и электроустановка рано или поздно выйдет из строя.

Если в трансформаторе используется бронестержневая магнитная система, то в нем можно наблюдать развитие похожих процессов.

Вывод

Энергопотери в условиях холостого хода трансформатора связаны с магнитными потерями, потерями в первичной обмотке и изоляционном слое. Для снижения этого показателя до сих пор ведутся работы, несмотря на то, что КПД современных трансформаторов в условиях повышенной нагрузки составляет 99%.

Для снижения показателя утечки энергии необходимо снизить влияние провоцирующих факторов. Чтобы добиться этого, постоянно усовершенствуют технологию создания устройств, используют только прочные материалы, проверяя их экспериментальным путем.

Режимы работы трансформаторных устройств

На данный момент насчитывается порядка десяти типов различных трансформаторных устройств. Все их объединяет единый принцип изменения переменного напряжения и конструктивная схожесть. Соответственно, каждый из трансформаторов способен работать в трех основных режимах: холостого хода, короткого замыкания и нагрузки. Режим холостого хода позволяет производить рад замеров, данные которых необходимы для комплексного анализа эффективности работы устройств. Первые испытания проводятся для определения и проверки соответствия паспортным значениям технических данных трансформатора в целом и каждого из его узлов в частности перед сдачей прибора в эксплуатацию. Пусконаладочные работы выявляют скрытые неисправности и позволяют исправить их до начала интенсивного использования устройства. Какие-то из них проводятся еще на этапе сборки, а какие-то уже после того, как залито масло.