Назначение любого трансформатора – преобразование параметров тока с его увеличением или уменьшением. Такие изменения затрагивают все основные параметры тока, но на практике привыкли говорить о некотором «главном» значении и по его изменению определять эффективность трансформатора.

Характеристикой данных преобразований является безразмерный коэффициент трансформации k. Этот параметр имеет множество вариантов определения в зависимости от того, какой параметр тока считать главным для устройства.

Коэффициент k применяется для описания изменения таких характеристик, как напряжение, что встречается наиболее часто, а также сила тока и, несколько реже, сопротивление.

Когда говорят о коэффициенте трансформации трансформатора, часто имеют в виду именно учет по напряжению. Самой примитивной формулой расчета коэффициента (т.е. без учета таких факторов как, например, потери в обмотках) будет отношение измеряемой характеристики тока на входе и выходе.

Определяемый коэффициентом трансформации параметр выбирается в зависимости от назначения трансформатора, а значит, и его конструкционных особенностей.

Например, выбор параметра при определении коэффициента в основном происходит при учете типа подключения первичной обмотки. Напряжение может быть «главным» при параллельном подключении к источнику энергии первичной обмотки. В таком случае коэффициент будет выражать отношение входного и выходного напряжения (первичного и вторичного, соответственно).

Коэффициент трансформации k – важная характеристика для трансформатора и во многом определяет его назначение. Например, само назначение трансформатора «понижающим» или «повышающим» происходит согласно значению k – если коэффициент оказывается ниже единицы (k < 1) – трансформатор понижающий. Если наоборот – трансформатор повышающий (k > 1).

Здесь стоит отметить, что данное разделение условно. Согласно ГОСТу, не существует разграничения между повышающими и понижающими трансформаторами, так как, по определению, «коэффициент трансформации равен отношению высшего значения к нижнему», т.е. коэффициент k всегда будет больше единицы.

В определении коэффициента также стоит учитывать особенности конструкции. Например, нет разницы между коэффициентом трансформации ЭДС или напряжения для однофазного трансформатора. Однако применив ту же логику для трехфазного трансформатора, можно допустить серьезную ошибку.

Методы определения коэффициента также могут значительно отличаться для разных типов конструкции – если коэффициент напряжения однофазного трансформатора можно определить, просто измерив и поделив напряжение на его входе и выходе, то для трансформаторов иных конструкций применяются не такие простые методы.

Значимость коэффициента очевидна для всех систем, но в сравнении с трансформаторами общетехнического назначения измерительные трансформаторы особенно нетерпимы к отклонениям параметра от необходимых значений. В таких устройствах малейшие отклонения k могут привести к большим погрешностям измерений и, как следствие, к невыполнению основной функции трансформатора.

Коэффициент трансформации и его применение

Измерение коэффициента трансформации k может проводиться по разным причинам, но основная из них – проверка исправности всей конструкции. Такая проверка необходима после получения повреждений системы, однако проводится и во время подключения, а также плановых и внеплановых проверок оборудования.

После измерения проверка коэффициента производится путем сравнения с ранее полученными значениями (например, в ходе предыдущей плановой проверки) или, если установка размещена недавно, с указанными в паспорте. Данная проверка позволяет также оценить соответствие трансформатора заявленным параметрам, например, указанному числу витков обмоток на всех ответвлениях и на трех фазах (для трехфазного трансформатора).

Цели определения коэффициента k для силовых и измерительных установок незначительно отличаются.

Для силового трансформатора измерение данного параметра производят, чтобы оценить правильность работы системы регулировки под нагрузкой и переключения без возбуждения, убедиться в соответствии числа витков заявленному количеству. При учете иных измеренных параметров можно также обнаружить обрывы в цепи, выявить короткое замыкание между витками катушки и оценить общее качество работы трансформатора.

Для измерительного трансформатора параметр частично измеряется по тем же причинам – система проверяется на отклонение параметров от заданных, наличие внутренних проблем (обрывы, короткие замыкания и т.д.). Что важнее для данного типа трансформаторов – исследуются факторы, способные привести к ошибочным измерениям, т.е. сбои в устройствах релейной защиты и др.

Как было сказано ранее, метод измерения коэффициента трансформации конструкции зависит от назначения трансформатора и особенностей его конструкции, а также типа коэффициента.

Расчет коэффициента трансформации k

Методы расчета коэффициента трансформации будет также отличаться в зависимости от типа конструкции. Например, если трансформатор был монтирован без возможности вскрытия, измерение коэффициента ведется без использования всех ответвлений, а только по возможным.

Как уже было сказано, метод измерения коэффициента трансформации для однофазных трансформаторов достаточно прост. Достаточно поделить между собой входное и выходное напряжение трансформатора, предварительно его измерив вольтметром. Делается это применением простой версии метода двух вольтметров, о котором будет рассказано дальше.

Измерение для трехфазных трансформаторов бывает различных типов. Из них самые распространенные:

  • способ двух вольтметров;
  • используя мост переменного тока;

Есть и иные методы, но они используются значительно реже. Опишем представленные методы подробнее.

1. Способ двух вольтметров.

Название метода является следствием того, что при определении коэффициента используются замеры по двум точкам. К обмотке низкого напряжения подается определенное напряжение, оно регистрируется вольтметром. На другой обмотке (высокого напряжения) выполняется второй замер полученного после трансформации напряжения.

Для правильного применения метода важно, чтобы замер по двум точкам производился одновременно. Если напряжения колеблются, такой расчет необходимо проводить не менее двух раз. Приборы должны соответствовать минимальному классу 0.2 (или 0.5, если на участке шкалы измерений, используемом для значения напряжения, погрешность обоих типов приборов близка).

Для больших измеряемых ВН к вольтметру подключают добавочный резистор. Для удобства измерений, приборы выбирают таким образом, чтобы полученные значения пришлись на верхнюю половину шкалы.

При определении коэффициента на трехфазных трансформаторах замеры производят определение линейных напряжений на двух обмотках. Допускаются также замеры по фазным напряжениям. При полноценных испытаниях проверка выполняется по всем стадиям регулировки напряжения.

Пример замера представлен на картинке:

Пример записи расчетов в делениях шкалы вольтметра
Рис. 1 – Пример записи расчетов в делениях шкалы вольтметра

Метод применялся в течение длительного времени, а потому имеет хорошо известные преимущества и недостатки. Из плюсов – простота приборов и их подключения (не нужно беспокоиться о соблюдении правильной полярности), доступность вольтметров.

Минусы – длительное время обработки данных, т.е. составление таблиц, выполнение целого ряда замеров, последующие расчеты. Если трансформация тока происходит с коэффициентом не менее 20 – может потребоваться дополнительное оборудование, а сам метод дает не слишком точные результаты.

Метод чаще всего применяется для однофазных и маломощных трехфазных трансформаторов.

2. Способ моста переменного тока

По сравнению со способом двух вольтметров, данный метод не может похвастаться простотой непосредственного применения, однако имеет ряд серьезных преимуществ:

  • высокая (до 0.1%) точность измерений;
  • безопасность для приборов (подводимое напряжение для обмотки высокого напряжения не выше 220 В);
  • нет влияния колебаний напряжения в сети на результаты замеров;
  • коэффициент k определяется без длительных вычислений.

Самые распространенные виды применения данного метода опишем подробно.

Замеры производятся следующим образом. Обмотки высокого и низкого напряжения трансформатора соединяют последовательно и на обмотку высокого напряжения подают внешнее напряжение. К двум точкам в цепи параллельно с обмоткой подключают резистор с некоторым сопротивлением (может разниться от десятков до сотен тысяч Ом).

По сопротивлению пускают ползунок и двигают его до тех пор, пока показания на приборах не сравняют с нулем. В таком случае, снимают показания, разделяют и получают коэффициент трансформации. В данных расчетах падение напряжения в обмотке мало и считается нулевым.

Для большей точности метода, в цепи могут подключить ваттметр. Тогда метод изменяют таким образом, чтобы при помощи сдвига плеч потенциометра установить на ваттметре ноль. Коэффициент будет определяться по соотношению сопротивлений.

Метод подходит для работы с однофазными и трехфазными трансформаторами и способен определить коэффициенты от 1 до 1000.

Рекомендации по использованию коэффициента трансформации при выборе и эксплуатации трансформаторов

При выборе трансформатора рекомендуется узнать коэффициент трансформации. По параметру можно судить о назначении трансформатора, а также подобрать подходящие приборы учета электроэнергии. Учитывать коэффициент важно для проверки работы всей системы.

Согласно п. 1.5.17 ПУЭ, возможно применение трансформаторов, коэффициент k которых завышен в случае, если ток во вторичной трансформаторной обмотке равен или более 40% от номинального значения тока счетчика (при минимальной – равен или более 5%).

Выводы

Для лучшего понимания, обобщим приведенную информацию о коэффициенте трансформации k.

Коэффициент трансформации k – это мера преобразования определенного параметра тока (чаще всего – напряжения) при переходе через подключенный к сети трансформатор. По коэффициенту трансформации можно судить, является ли трансформатор понижающим (меньше 1) или повышающим (больше 1). Данный параметр важен как для однофазных, так и для трехфазных, измерительных и общетехнических трансформаторов.

Коэффициент k помогает проверить исправность всей системы, обнаружить повреждения и определить соответствие конструкции заданным параметрам. Проверка параметра производится после возникновения поломок трансформатора или подключенной электрической сети, а также в ходе плановых и внеплановых проверок. По его несоответствию значению в паспорте можно судить, например, о расхождениях в количестве витков обмотки, заявленном в документации.

Измерение коэффициента k производится, как правило методами двух вольтметров или моста переменного тока.

Первый способ отличается простотой и большим опытом использования, а также доступностью приборов измерения (вольтметры), однако используется только для относительно маломощных трансформаторов. Обработка полученных данных может занять некоторое время. Метод имеет ограничения по размеру коэффициента – не выше 20. При игнорировании этого условия, необходимо применение дополнительного оборудования, также возможно значительное снижение точности определения коэффициента.

Второй способ требует определенной подготовки перед измерениями, чем уступает предыдущему, однако обладает рядом собственных преимуществ. Точность метода высока (до 0,1%), коэффициент k получают в ходе базовых вычислений, колебания напряжения не влияют на результат, нет риска для используемых приборов. Метод применяется до значения коэффициента 1000, с различными особенностями в ранжире 1 – 100 и 10 – 1000.