Обоснование структуры лабораторного стенда для изучения характеристик силовых трансформаторов и способов предотвращения их перегрузки

Силовые трансформаторы являются одним из основных элементов систем электроснабжения. В распределительных сетях 10/0,4 кВ трансформаторы работают в условиях переменного графика нагрузки, несимметрии фазных токов и напряжений, влияния аварийных режимов. Для сельских и коммунально-бытовых сетей указанные факторы особенно существенны, так как значительная часть нагрузки является однофазной и подключается неравномерно по фазам [1]. Это, среди прочего, повышает вероятность повреждения самих трансформаторов и к перерывам в электроснабжении потребителей, а также снижению качества поставляемой им электроэнергии. При этом как надёжность электроснабжения сельских потребителей, так и качество электроэнергии остаются невысокими [2-4]. Потери в трансформаторах также зависят от режимов и симметрии нагрузки [5, 6].

Перегрузка трансформатора сопровождается увеличением токов в обмотках, ростом потерь мощности, повышением температуры активных частей и ускоренным старением изоляции. При длительной работе в перегрузочном режиме возрастает риск повреждения обмоток, ухудшения сопротивления изоляции и отключения потребителей. Поэтому вопросы

Агротехника и энергообеспечение. - 2026. - № 2 (51) И⁹⁷

контроля нагрузки и предупреждения перегрузки относятся не только к расчетным задачам, но и к практическим задачам эксплуатации электрооборудования.

В учебном процессе изучение силовых трансформаторов часто ограничивается расчетом коэффициента трансформации, опытами холостого хода и короткого замыкания. Такой подход позволяет изучить базовые характеристики, но не всегда формирует у обучающихся понимание связи между режимом нагрузки, электрическими параметрами, тепловым состоянием оборудования и работой защитных устройств. Кроме того, не анализируется работа трансформатора в несимметричных режимах, особенности схем соединения обмоток и применения трансформаторов с этими схемами. Усилить учебный процесс по изучению силовых трансформаторов и их применения в электрических сетях 10/0,4 кВ позволит разработка лабораторного стенда, позволяющего безопасно моделировать эксплуатационные режимы трансформатора. Среди вопросов, изучаемых с применением стенда должны быть режимы работы трансформатора с несимметричной нагрузкой, кратковременной перегрузкой, способы предотвращения таких режимов [7, 8].

Цель статьи заключается в обосновании структуры лабораторного стенда для изучения силовых трансформаторов и способов предотвращения их ненормальных режимов работы.

Материалы и методы исследования

В качестве материалов исследования использованы положения теории электрических машин, нормативные требования к трансформаторам, материалы обзора публикаций по вопросам надежности и режимов работы электрических сетей и силовых трансформаторов 10/0,4 кВ. также анализировались способы предотвращения перегрузки трансформаторов.

В качестве базового трансформатора для разработки стенда выбран трехфазный сухой защищенный трансформатор ТСЗР-1,6УХЛ2. По заводской табличке трансформатор имеет номинальную мощность 1,6 кВА, частоту 50 Гц, степень защиты IP20, массу 24 кг, номинальные напряжения 380-220/380 В и схему соединения обмоток Y-D/Y. Указанные параметры позволяют применять его в лабораторных условиях при соблюдении требований электробезопасности и ограничении перегрузочных режимов по времени. Также трансформатор позволяет изучать различные схемы соединения обмоток.

Методика обоснования стенда включает четыре последовательных этапа. На первом этапе определяется перечень режимов, которые должны быть реализованы на стенде. На втором этапе выбираются измеряемые параметры: фазные и линейные напряжения, токи, активная мощность, температура корпуса или обмоток, коэффициент загрузки. На третьем этапе формируется функциональная структура стенда. На четвертом этапе определяется методическое обеспечение, необходимое для выполнения лабораторных работ и обработки результатов.

При разработке стенда используются базовые зависимости теории трансформаторов: коэффициент трансформации, коэффициент загрузки, расчет токов по фазам, оценка потерь и контроль температурного режима. Для учебной модели принципиально важно не абсолютное совпадение мощности с промышленным трансформатором 10/0,4 кВ, а воспроизводимость физических закономерностей в безопасном диапазоне напряжений и токов.

Таблица 1 - Паспортные данные трансформатора, принятого в качестве основы лабораторного стенда

Параметр	Значение по заводской табличке	Значение для стенда
Тип трансформатора	ТСЗР-1,6УХЛ2	Физическая модель трансформатора для учебных исследований
Номинальная мощность	1,6 кВА	Достаточна для подключения регулируемой лабораторной нагрузки
Частота	50 Гц	Соответствует промышленной частоте сети
Номинальные напряжения	380-220/380 В	Позволяют исследовать трехфазные режимы
Схема соединения	Y-D/Y	Используется при анализе влияния схем соединения обмоток
Степень защиты	IP20	Требует размещения в закрытом стендовом корпусе
Масса	24 кг	Позволяет выполнить переносной или стационарный учебный стенд

Рисунок 1 – Трансформатор ТСЗР-1,6УХЛ2, выбранный для использования в лабораторном стенде

Результаты и обсуждение. Выбор трансформатора для лабораторного стенда учитывал одновременно три группы требований: электротехнические, методические и требования безопасности. Электротехнические требования связаны с возможностью воспроизведения основных режимов работы трансформатора. Методические требования связаны с наглядностью опытов и возможностью обработки результатов. Требования безопасности определяют допустимые уровни напряжения, токов, нагрева и конструктивную защиту обучающихся.

Применение трансформатора ТСЗР-1,6УХЛ2 целесообразно по нескольким причинам. Во-первых, номинальная мощность 1,6 кВА достаточна для демонстрации изменения токов, напряжений и нагрева при изменении нагрузки. Во-вторых, сухое исполнение упрощает размещение трансформатора в учебной лаборатории по сравнению с масляными трансформаторами. В-третьих, трехфазное исполнение позволяет исследовать симметричную и несимметричную нагрузку при разных схемах соединения трансформатора, что важно для сетей 0,4 кВ с большим количеством однофазных потребителей.

При этом выбранный трансформатор необходимо рассматривать именно как физическую модель, а не как промышленный силовой трансформатор 10/0,4 кВ. Масштабирование результатов должно выполняться через коэффициенты подобия, которые связывают параметры лабораторной модели и прототипа.

Лабораторный стенд должен обеспечивать воспроизведение режимов, имеющих практическое значение для эксплуатации трансформаторов и одновременно пригодных для учебного эксперимента. К таким режимам относятся холостой ход, короткое замыкание при пониженном напряжении, нагрузочные режимы при симметричной и несимметричной нагрузке, в том числе однофазной, кратковременная контролируемая перегрузка.

Режим холостого хода используется для определения коэффициента трансформации, тока холостого хода и потерь в стали. В рамках лабораторной работы обучающиеся фиксируют напряжения на обмотках и ток холостого хода, после чего рассчитывают основные параметры трансформатора.

Режим короткого замыкания должен выполняться только при пониженном напряжении и с обязательным ограничением тока. Его назначение - определение напряжения короткого замыкания, эквивалентного сопротивления обмоток и характера изменения тока при малом сопротивлении нагрузки. Такой опыт должен проводиться под контролем преподавателя и с применением защитных аппаратов.

Нагрузочные режимы позволяют исследовать изменение выходного напряжения, токов и мощности при увеличении нагрузки. Отдельное значение имеет несимметричная нагрузка, так как она характерна для распределительных сетей 0,4 кВ и может приводить к дополнительному нагреву, перекосу напряжений фаз и ухудшению условий работы потребителей. В качестве наиболее показательного несимметричного режима следует рассмотреть однофазную нагрузку трансформатора.

Режим перегрузки должен рассматриваться как кратковременный учебный режим, а не как допустимый длительный режим эксплуатации. Цель опыта - показать, как изменяются токи, напряжения и температура при превышении номинальной нагрузки, а также как должны срабатывать предупреждение, ограничение нагрузки или автоматическое отключение. При этом также реализуются способы защиты от перегрузки, например [9], а также вновь разработанные.

Таблица 2 - Режимы работы трансформатора, рекомендуемые для включения в программу испытаний стенда

Режим	Измеряемые параметры	Учебный результат	Меры безопасности
Холостой ход	Напряжение, ток холостого хода, активная мощность	Определение коэффициента трансформации и потерь холостого хода	Контроль напряжения питания
Короткое замыкание	Ток, напряжение КЗ, мощность	Оценка эквивалентного сопротивления обмоток	Пониженное напряжение, ограничение тока
Симметричная нагрузка	Токи фаз, напряжения, мощность	Построение внешней характеристики	Пошаговое увеличение нагрузки
Несимметричная нагрузка	Фазные токи и напряжения	Оценка перекоса фаз и влияния однофазной нагрузки	Контроль токов и напряжений по каждой фазе
Кратковременная перегрузка	Ток, коэффициент загрузки, температура	Анализ признаков перегрузки и работы защиты	Ограничение времени опыта, аварийное отключение

Предлагаемый стенд представляет собой учебно-исследовательскую установку, в которой трансформатор ТСЗР-1,6УХЛ2 используется как центральный элемент силовой части. Стенд не является готовым промышленным изделием; в статье обосновывается его рекомендуемая структура для последующей разработки технического задания, электрической схемы, конструкции и методических указаний.

В состав стенда целесообразно включить вводной блок, трансформаторный модуль, блок регулируемой нагрузки, измерительный блок, блок температурного контроля, блок защиты и автоматики, а также панель управления. Такое построение позволяет объединить классические опыты по электрическим машинам с современными задачами мониторинга и предупреждения перегрузки.

Вводной блок должен обеспечивать подачу питания, защиту от короткого замыкания и аварийное отключение. В его состав целесообразно включить вводной автоматический выключатель, сигнальную индикацию наличия напряжения, кнопку аварийного отключения и клеммы защитного заземления.

Трансформаторный модуль должен включать сам трансформатор, защитный кожух, вентиляционные отверстия и маркированные выводы обмоток. Конструкция должна исключать случайное прикосновение к токоведущим частям и обеспечивать доступ к контрольным точкам только через безопасные измерительные гнезда.

Блок регулируемой нагрузки может быть выполнен на резистивных элементах с возможностью ступенчатого изменения нагрузки по каждой фазе. Для исследования несимметричных режимов необходимо предусмотреть независимое изменение нагрузки в фазах L1, L2 и L3.

Измерительный блок должен обеспечивать регистрацию основных электрических величин. Минимальный вариант включает вольтметры, амперметры и ваттметр. Расширенный вариант может предусматривать цифровой многофункциональный измеритель, например, ТЭМП, или измерительный комплекс КОПиРР [10] интерфейс передачи данных и возможность сохранения результатов опыта для последующей обработки.

Блок защиты и автоматики должен выполнять две функции: предупреждение о приближении к перегрузке и отключение нагрузки при достижении аварийной уставки. Для учебных целей целесообразно предусмотреть регулируемые уставки по току и температуре, чтобы обучающиеся могли наблюдать влияние настройки защиты на работу стенда.

Таблица 3 - Функциональные блоки лабораторного стенда

Блок стенда	Назначение	Основные элементы
Вводной блок	Подача питания и первичная защита	Автоматический выключатель, индикация, аварийная кнопка
Трансформаторный модуль	Размещение исследуемого трансформатора	ТСЗР-1,6УХЛ2, корпус, клеммные выводы, заземление
Регулируемая нагрузка	Создание симметричной, несимметричной и перегрузочной нагрузки	Резистивные ступени, коммутационные элементы
Измерительный блок	Контроль электрических параметров	Вольтметры, амперметры, ваттметр или цифровой анализатор
Температурный контроль	Контроль нагрева трансформатора	Датчики температуры, индикатор, журналирование
Защита и автоматика	Предупреждение и отключение при перегрузке	Токовые реле, температурное реле, сигнализация, контактор

Предотвращение перегрузки трансформатора следует рассматривать как комплекс мероприятий, направленных на недопущение длительного превышения допустимого тока и опасного роста температуры. На лабораторном стенде эти мероприятия должны быть представлены в форме воспроизводимых опытов, позволяющих не только увидеть факт перегрузки, но и оценить результат действия конкретного способа защиты.

Первый способ - токовый контроль нагрузки. Он основан на сравнении измеренного фазного тока с установленной уставкой. При превышении предупредительной уставки стенд должен включать световую или звуковую сигнализацию, а при достижении аварийной уставки - отключать нагрузку. Такой способ прост для реализации и нагляден для обучающихся.

Второй способ - температурный контроль. Он позволяет показать, что перегрузка опасна не только по величине тока, но и по тепловому состоянию трансформатора. Для учебного стенда достаточно контролировать температуру корпуса или зоны, близкой к источнику нагрева. При этом необходимо учитывать инерционность тепловых процессов: температура изменяется медленнее, чем ток нагрузки.

Третий способ - перераспределение нагрузки по фазам. Он особенно актуален для сетей 0,4 кВ, где несимметрия однофазных потребителей может вызывать перегрузку отдельной фазы при относительно допустимой суммарной мощности. На стенде этот способ может быть реализован путем изменения сопротивлений нагрузочных ступеней по фазам.

Четвертый способ - ступенчатое отключение неприоритетных нагрузок, например, как в . В учебной модели нагрузки могут быть разделены на обязательные и отключаемые группы. При достижении предупредительной уставки отключается часть нагрузки, после чего обучающиеся фиксируют изменение тока и температуры. Такой опыт показывает принцип управления нагрузкой без полного отключения стенда.

Для наиболее рационален комбинированный вариант, включающий токовый контроль, температурный контроль и ступенчатое отключение нагрузки. Такой вариант позволяет изучить как быстрые электрические процессы, так и более медленные тепловые процессы, а также сформировать у обучающихся представление о комплексном подходе к защите трансформаторов.

Таблица 4 - Сравнение способов предотвращения перегрузки трансформатора

Способ	Контролируемый параметр	Преимущество	Ограничение
Токовый контроль	Фазный ток	Быстрая реакция на перегрузку	Не отражает тепловую инерцию
Температурный контроль	Температура корпуса или обмотки	Связан с реальным тепловым состоянием	Имеет задержку срабатывания
Перераспределение нагрузки	Токи по фазам	Снижает перекос и перегрузку отдельной фазы	Требует анализа структуры нагрузки и автоматизации прераспределения
Ступенчатое отключение	Ток и приоритет нагрузки	Позволяет сохранить питание важных потребителей	Нужно разделение нагрузки по приоритетам
Комбинированный способ	Ток, температура, состояние нагрузки	Наиболее наглядный и комплексный вариант	Сложнее по схеме и настройке

Разработка стенда должна сопровождаться подготовкой методического обеспечения. Без методических указаний лабораторный стенд остается набором технических средств и не обеспечивает достижение образовательного результата. Методическое обеспечение должно включать цели работ, краткие теоретические сведения, электрические схемы опытов, порядок выполнения, таблицы для записи результатов, расчетные формулы и контрольные вопросы.

Первая лабораторная работа может быть посвящена изучению конструкции и паспортных данных трансформатора. Обучающиеся определяют назначение основных элементов, расшифровывают обозначение трансформатора, анализируют заводскую табличку и делают вывод о допустимых режимах работы.

Вторая лабораторная работа должна включать опыт холостого хода. В ходе работы определяются коэффициент трансформации, ток холостого хода и потери холостого хода. Полученные результаты могут использоваться для сравнения с расчетными значениями и последующего пересчета на прототип.

Третья лабораторная работа должна быть направлена на исследование нагрузочного режима. Обучающиеся пошагово увеличивают нагрузку, фиксируют напряжения, токи и мощность, после чего строят внешнюю характеристику трансформатора.

Четвертая лабораторная работа может быть посвящена несимметричной нагрузке. На каждой фазе устанавливается различная нагрузка, после чего оцениваются фазные токи, отклонение напряжений и влияние перекоса на работу трансформатора.

Пятая лабораторная работа должна быть связана с предотвращением перегрузки. В ходе работы задается кратковременное превышение нагрузки, фиксируется коэффициент загрузки, наблюдается изменение температуры и проверяется действие токовой или температурной защиты.

Перечень лабораторных работ может быть расширен.

Таблица 5 - Предлагаемый перечень лабораторных работ

№	Наименование лабораторной работы	Основной результат
1	Изучение конструкции и паспортных данных трансформатора	Определение допустимых режимов и параметров по заводской табличке
2	Опыт холостого хода	Расчет коэффициента трансформации и потерь холостого хода
3	Исследование нагрузочного режима	Построение внешней характеристики трансформатора
4	Исследование несимметричной нагрузки	Оценка влияния перекоса фаз на токи и напряжения
5	Исследование способов предотвращения перегрузки	Проверка действия токового и температурного контроля