Необходимо различать два режима короткого замыкания:
Аварийный режим – тогда, когда замкнута вторичная обмотка при номинальном первичном напряжении. При таком замыкании токи возрастают в 15¸20 раз. Обмотка при этом деформируется, а изоляция обугливается. Железо так же подгорает. Это тяжелый режим. Максимальная и газовая защита отключает трансформатор от сети при аварийном коротком замыкании.
Опытный режим короткого замыкания – это режим, когда вторичная обмотка накоротко замкнута, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, когда по обмоткам протекает номинальный ток – это UК – напряжение короткого замыкания, рис. 14.
UK выражается в %
UK% =
UK% = 5,5 для трансформаторов малой
UK% = 10,5 для трансформаторов средней и большой мощности.
При номинальном напряжении ток холостого хода I0 = (2 ¸ 5)% IН .
При коротком замыкании напряжение в 15¸20 раз меньше номинального, поэтому ток холостого хода ничтожно мал и им можно пренебречь
,
т.е. намагничивающая сила первичной обмотки полностью уравновешена намагничивающей силой вторичной обмотки.
2-4-1. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании
Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании представлена на рис. 15.
Основные уравнения:
(1)
=0
Схема замещения трансформатора при коротком замыкании
( рис. 16 ) , подставив в уравнение (1), Рис. 15
Тогда (6)
где: – полное сопротивление короткого замыкания;
– активное сопротивление короткого замыкания;
– индуктивное сопротивление короткого замыкания.
из уравнения (6) ток , откуда схема замыкания
т.е. схема замещения при коротком замыкании представляет собою цепь, состоящую из двух последовательных сопротивлений, рис. 17.
Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (ZH = 0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.
В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора, при котором накоротко замыкают зажимы вторичной обмотки, а к первичной подводят такое напряжение Uк, при котором ток в первичной обмотке не превышает номинального значения (Iк
где U1ном — номинальное первичное напряжение.
Напряжение короткого замыкания зависит от высшего напряжения обмоток трансформатора. Так, например, при высшем напряжении 6—10 кВ uK = 5,5%, при 35 кВ uK = 6,5÷7,5%, при 110 кВ uK = 10,5% и т. д. Как видно, с повышением номинального высшего напряжения увеличивается напряжение короткого замыкания трансформатора.
При напряжении Uк составляющем 5—10% от номинального первичного напряжения, намагничивающий ток (ток холостого хода) уменьшается в 10—20 раз или еще более значительно. Поэтому в режиме короткого замыкания считают, что
Основной магнитный поток Ф также уменьшается в 10—20 раз, и потоки рассеяния обмоток становятся соизмеримыми с основным потоком.
Так как при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора напряжение на ее зажимах U2 = 0, уравнение э. д. с. для нее принимает вид
а уравнение напряжения для трансформатора записывается как
Этому уравнению соответствует схема замещения трансформатора, изображенная на рис. 1.
Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании соответствующая уравнению и схеме рис. 1, показана на рис. 2. Напряжение короткого замыкания имеет активную и реактивную составляющие. Угол φк между векторами этих напряжений и тока зависит от соотношения между активной и реактивной индуктивной составляющими сопротивления трансформатора.
Рис. 1. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании
Рис. 2. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании
У трансформаторов с номинальной мощностью 5—50 кВА XK/RK = 1 ÷ 2; с номинальной мощностью 6300 кВА и более XK/RK = 10 и более. Поэтому считают, что у трансформаторов большой мощности UK = Uкр, а полное сопротивление ZК = Хк.
Опыт короткого замыкания.
Этот опыт, как и опыт холостого хода, проводят для определения параметров трансформатора. Собирают схему (рис. 3), в которой вторичная обмотка замкнута накоротко металлической перемычкой или проводником с сопротивлением, близким к нулю. К первичной обмотке подводится такое напряжение Uк, при котором ток в ней равен номинальному значению I1ном.
Рис. 3. Схема опыта короткого замыкания трансформатора
По данным измерений определяют следующие параметры трансформатора.
Напряжение короткого замыкания
где UK — измеренное вольтметром напряжение при I1, = I1ном. В режиме короткого замыкания UK очень мало, поэтому потери холостого хода в сотни раз меньше, чем при номинальном напряжении. Таким образом, можно считать, что Рпо = 0 и измеряемая ваттметром мощность — это потери мощности Рпк, обусловленные активным сопротивлением обмоток трансформатора.
При токе I1, = I1ном получают номинальные потери мощности на нагрев обмоток Рпк.ном, которые называются электрическими потерями или потерями короткого замыкания .
Из уравнения напряжения для трансформатора, а также из схемы замещения (см. рис. 1) получаем
где ZK — полное сопротивление трансформатора.
Измерив Uк и I1 можно вычислить полное сопротивление трансформатора
Потери мощности при коротком замыкании можно выразить формулой
поэтому активное сопротивление обмоток трансформатора
находят из показаний ваттметра и амперметра. Зная Zк и RК, можно вычислить индуктивное сопротивление обмоток:
Зная Zк, RК и Хк трансформатора, можно построить основной треугольник напряжений короткого замыкания (треугольник ОАВ на рис. 2), а также определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания:
В
екторная диаграмма холостого хода трансформатора приведена на рис. 14.4.
Порядок построения диаграммы:
– проводится произвольно вектор магнитного потока Ф;
– с ним по фазе совпадает реактивная составляющая тока 
, создающая этот поток;
– под углом 90 из вершины тока 
проводится вектор
, в результате получаем
.
От магнитного потока Ф эдс 
отстают на 90, а вектор 
повернут на 180 относительно вектора 
.
Чтобы выполнялось условие уравнения напряжений для первичной обмотки 
, надо к вектору
прибавить вектор падения напряжения
, проведя его параллельно току
, и вектор
под углом 90 к вектору тока 
.
14.3. Параметры режима короткого замыкания
Режимом короткого замыкания трансформатора называют режим, когда вторичная обмотка замыкается накоротко (zн = 0), а к первичной подводят такое пониженное напряжение UK, при котором токи в обмотках должны быть равными номинальным 
;
. НапряжениеUK составляет всего (5 12)% от номинального первичного напряжения
. (14.7)
Режим короткого замыкания осуществляется по схеме, приведенной на рис. 14.5.
Из опыта короткого замыкания имеем:
– мощность потребления в режиме короткого замыкания Pk.
Рис. 14.5. Схема опыта короткого замыкания
Магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, находится в прямой зависимости от приложенного напряжения. Но как было отмечено выше, напряжение U1kвесьма незначительно, поэтому магнитный поток очень мал, что позволяет допустить:
– ток намагничивания I0близок к нулю и им можно пренебречь, поэтому в схеме замещения для режима короткого замыкания (рис. 14.6) контур намагничивания отсутствует, а
;
– вся мощность, потребляемая из сети, расходуется на покрытие электрических потерь (потери в меди обмоток PM).
, (14.7,а)
где 
– коэффициент загрузки трансформатора;
при 
,
.
Рис. 14.6. Схема замещения приведенного трансформатора в режиме короткого замыкания
По полученным данным из опыта короткого замыкания можно рассчитать следующие величины:
– коэффициент трансформации 
;
– коэффициент мощности короткого замыкания
; (14.8)
– напряжение короткого замыкания по формуле (14.7) в процентах;
– полное сопротивление 
.
Согласно схеме замещения трансформатора в режиме короткого замыкания (см. рис. 14.6)
; (14.9)
;
;
. (14.10)
Активная и реактивная составляющие полного сопротивления короткого замыкания
;
или (14.11)
;
. (14.12)
Напряжение короткого замыкания в процентах можно также определить по следующему выражению
. (14.13)
Тогда активная и реактивная составляющие
, (14.14)
, (14.15)
при этом, не забывая, что 
.
14.4. Векторная диаграмма короткого замыкания трансформатора
В
екторная диаграмма короткого замыкания трансформатора приведена на рис. 14.7.
При построении векторной диаграммы должно выполняться условие (14.9).
Согласно теории приведенного трансформатора и выражениям (14.10)
;
.
Тогда 
;
.
Таким образом, по опытам холостого хода и короткого замыкания можно определить основные параметры трансформатора, что позволяет анализировать работу трансформатора под нагрузкой при помощи векторной диаграммы.