Обмотки силовых трансформаторов. Основные типы обмоток
Обмоткой трансформатора называют совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой складываются эдс, индуктированные в отдельных витках. Обмотки трансформатора состоят из обмоточного провода и изоляционных деталей, предусмотренных конструкцией, которые не только защищают витки от электрического пробоя и препятствуют их смещению под действием электромагнитных сил, но и создают необходимые каналы для охлаждения. Обмотки трансформаторов различных мощностей и напряжений различаются типом намотки, количеством витков, направлением намотки, числом параллельных проводов в витке, схемой соединения отдельных элементов обмотки между собой.
По взаимному расположению на стержне обмотки разделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки — это обмотки, изготовленные в виде цилиндров и концентрически расположенные на стержне магнитопровода. Чередующиеся обмотки — это обмотки ВН и НН трансформатора, чередующиеся в осевом направлении на стержне. На рисунке 1 показаны концентрическое и чередующееся расположения обмоток на стержне магнитопровода.
а — концентрическое, б — чередующееся; 1 — стержень магнитопровода, 2 — обмотка НН, 3 — обмотка ВН
Рисунок 1 — Расположение обмоток на стержне магнитопровода
Основным элементом обмоток трансформатора является виток, в котором наводится эдс и который в зависимости от величины тока нагрузки может быть выполнен одним или несколькими параллельными проводами. Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности, называется слоем. Число витков в одном слое может колебаться от одного до нескольких десятков.
Одно- или многослойная цилиндрическая обмотка получается при намотке одного (или нескольких) слоев из обмоточного провода прямоугольного или круглого сечения. Наиболее простой является однослойная обмотка из прямоугольного провода (рисунок 2, а). Слой обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой линии на бумажно-бакелитовый цилиндр. Каждый виток в слое укладывается вплотную к предыдущему в осевом направлении обмотки. Витки цилиндрической обмотки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых рядом и имеющих одинаковое положение по отношению к полю рассеяния трансформатора. Обычно обмотку из прямоугольного провода наматывают плашмя, но при необходимости возможна намотка и на ребро.
а — однослойная, б — двухслойная, в — многослойная из круглого провода; 1 — витки из прямоугольного провода, 2 — разрезные выравнивающие кольца, 3 — бумажно-бакелитовый цилиндр, 4 — выводной конец первого слоя обмотки, 5 — вертикальные рейки, 6 — внутренние ответвления обмотки
Рисунок 2 — Цилиндрические обмотки
Для выравнивания винтовой поверхности крайних витков к ним прикрепляют разрезные бумажно-бакелитовые кольца (в виде «клина»), которые придают обмотке форму цилиндра. Эти кольца предохраняют витки от механических повреждений и создают опорную поверхность обмотки.
Между слоями двухслойной цилиндрической обмотки (рисунок 2, б) прокладывают изоляцию из бумаги или электрокартона или равномерно по окружности устанавливают несколько реек, образующих вертикальный охлаждающий канал. Соединение между слоями обычно осуществляют переходом без пайки.
Одно- и двухслойные цилиндрические обмотки из прямоугольного провода обычно применяют в качестве обмоток НН на напряжение до 690 В в трансформаторах мощностью до 630 кВА.
Многослойная цилиндрическая обмотка (рисунок 2, в) наматывается, как правило, из провода круглого сечения. Намотка осуществляется плотной укладкой витков одного к другому с переходами из слоя в слой. Намотку первого слоя обычно производят на бумажно-бакелитовом цилиндре. Между последующими слоями размещают несколько слоев кабельной бумаги. Для увеличения поверхности охлаждения между некоторыми слоями обмотки создается осевой канал, образованный рейками из электрокартона или бука. Такие многослойные обмотки применяют в качестве обмоток ВН для масляных трансформаторов мощностью до 400 кВА при напряжении до 35 кВ.
Винтовая обмотка (ее иногда называют спиральной) состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии, с каналами между ними. Каждый виток состоит из одного (очень редко) или нескольких одинаковых прямоугольных проводов, располагаемых плашмя вплотную друг к другу в радиальном направлении. Общее число параллельных проводов в винтовых обмотках может достигать 100 и более (в мощных трансформаторах). В зависимости от тока и соответственно числа параллельных проводов винтовая обмотка может выполняться одноходовой, как показано на рисунке 3, а, или многоходовой, т. е. вся обмотка может состоять из двух и более отдельных винтовых обмоток, вмотанных одна в другую в процессе изготовления (рисунок 3, б). Каждый такой «ход» может состоять из 4—40 параллельных проводов.
а) б)
а — из одного провода в витке, б – из нескольких параллельных проводов в витке
Рисунок 3 – Винтовая обмотка
Винтовые обмотки наматываются на бумажно-бакелитовые цилиндры или специальные оправки. После намотки обмотку снимают с оправки и отправляют на дальнейшую технологическую обработку. Однако в любом случае вертикальный канал вдоль внутренней поверхности винтовой обмотки и каналы между ее витками образуются рейками и прокладками из электрокартона.
Параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрически и находятся на разном расстоянии от ее оси. Поэтому, если не принять специальных мер, провода, расположенные ближе к оси, будут короче, а более удаленные от нее — длиннее. Кроме того, положение в магнитном поле рассеяния этих проводов будет различным, т. е. все они будут иметь неодинаковые активные и реактивные сопротивления и, следовательно, распределение тока между ними окажется различным.
Для равномерного распределения тока между параллельными проводами и уменьшения добавочных потерь винтовые обмотки делают с транспозициями (перекладками проводов в процессе намотки). При перекладках стремятся, чтобы транспозиция была совершенной, т. е. чтобы каждый провод попеременно занимал все положения, возможные в пределах одного витка.
В винтовых обмотках применяют различные виды транспозиций. В одноходовой обмотке с числом проводов до 12 обычно применяют комбинацию из двух видов транспозиции (рисунок 4): групповую, когда параллельные провода делятся на две группы и обе эти группы меняются местами, и общую, когда изменяется взаимное расположение всех параллельных проводов. На рисунке 5 схематически показан этот способ перекладки проводов. Каждый виток имеет четыре параллельных провода (1—4), которые на расстоянии 1/4 и 3/4 высоты обмотки разделяются на равные группы, меняющиеся местами (рисунок 4, а); эти транспозиции называют групповыми. В середине обмотки производят общую перекладку, когда все провода меняются местами.
а – групповая, б – общая (показана часть транспозиции)
Рисунок 4 – Транспозиции проводов в витковых обмотках
1-4 – провода
Рисунок 5 – Схема транспозиции в винтовой обмотке из четырех параллельных проводов
При числе параллельных проводов более 12 в одноходовой обмотке эффективна и широко применяется транспозиция Бюда; в двухходовой винтовой обмотке часто выполняют равномерно распределенную транспозицию, когда число перестановок в обмотке обычно равно числу параллельных проводов.
Винтовая обмотка имеет значительную торцевую поверхность, позволяющую обеспечить ее устойчивость к осевым усилиям при коротких замыканиях; она обладает хорошей механической прочностью и развитой поверхностью охлаждения. Поэтому ее широко применяют для обмоток НН, имеющих относительно небольшое число витков, при больших токах в трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше.
В последнее время все более широкое распространение получают винтовые обмотки из транспонированного провода, где элементарные проводники с лаковой изоляцией меняются местами в процессе изготовления самого провода. Такие обмотки технологичны, имеют низкие добавочные потери и высокую механическую прочность.
Непрерывные обмотки (рисунок 6) особенно широко применяют для трансформаторов. Они состоят из отдельных катушек (секций), намотанных из прямоугольного провода, причем в каждой катушке может быть несколько витков. На рисунке 7 показана часть такой катушки с двумя витками: витки здесь выполнены двумя параллельными проводами. Обмотку такого типа называют непрерывной потому, что ее наматывают без разрывов, т. е. переход из одной катушки в другую производится непрерывно, без паек. Для этого перекладывают витки каждой второй катушки так, чтобы один переход (из катушки в катушку) был снаружи обмотки, а второй — внутри (рисунок 8).
Рисунок 6 – Непрерывная обмотка
Рисунок 7 — Часть катушки непрерывной обмотки с двумя параллельными проводами в витке
1 — наружный, 2 — внутренний
Рисунок 8 — Переходы в катушках непрерывной обмотки
В непрерывной обмотке может быть до четырех и даже шести параллельных проводов в витке. В ней тоже производят транспозицию проводов, однако выполняют ее в каждой катушке при переходе проводов из одной катушки в другую. В непрерывных обмотках особенно удобно выполнять ответвления для регулирования напряжения. Их делают обычно от наружных (реже — внутренних) переходов так, чтобы между двумя соседними ответвлениями размещались витки, соответствующие ступени регулирования. Непрерывные обмотки отличаются высокой механической прочностью и надежностью, поэтому их широко применяют как для обмоток НН, так и для обмоток ВН у трансформаторов различных мощностей и напряжений.
Обмотки трансформатора изолируют от заземленных частей (магнитопровода, бака) и от других обмоток. Эту изоляцию обмоток называют главной. Кроме главной имеется продольная изоляция обмоток. Продольной называют изоляцию между отдельными элементами данной обмотки — витками, катушками, слоями и др.; она выполняется при изготовлении обмотки и здесь не рассматривается. Главная изоляция, наоборот, почти вся устанавливается при сборке трансформаторов, поэтому кратко рассмотрим ее основные элементы.
Изоляция обмоток от верхнего и нижнего ярм обеспечивается масляными каналами и барьерами, образуемыми так называемой ярмовой изоляцией, перекрывающей поверхность ярма, обращенную к обмоткам. Ярмовая изоляция представляет собой электрокартонную шайбу (барьер) 1 (рисунок 9) с прикрепленными к ней прокладками 2 из прессованного электрокартона, создающими необходимый масляный промежуток.
1 — шайба, 2 — прокладка, 3 — заклепка
Рисунок 9 — Ярмовая изоляция трансформатора
При Т-образном сечении ярма для выравнивания полки ярмовой балки с плоскостью ярма применяют так называемую уравнительную изоляцию, заполняющую промежуток между ярмовой балкой и ярмовой изоляцией; ее выполняют из бука, березы или электрокартона (рисунок 10). Уравнительная изоляция из электрокартона образуется пластинами, имеющими форму подковы и сегмента, к которым с двух сторон прикреплены прокладки.
а — из дерева, б — из электрокартона; 1 — продольная планка, 2 — отверстие, 3 — поперечная планка, 4— пластина, 5 — электрокартонная прокладка
Рисунок 10 — Уравнительная изоляция трансформаторов I—III габаритов
В трансформаторах I и II габаритов на напряжение до 15 кВ размер изоляционного промежутка от обмотки до ярм невелик, поэтому у них ярмовая и уравнительная изоляции совмещены и выполнены из деревянных планок или электрокартонных деталей простой формы.
Производство обмоток и изоляции силовых трансформаторов — Типы обмоток
По конструктивно-технологическим признакам различают следующие основные типы обмоток: цилиндрические; дисковые; непрерывные; переплетенные; винтовые.
Выбор типа обмоток зависит от числа витков, размера, формы сечения и числа параллельных проводов, способа охлаждения, мощности трансформатора и других факторов. При выборе типа обмоток следует руководствоваться предъявляемыми к ним требованиями, а также и технологической возможностью их выполнения.
Цилиндрическая обмотка. Эту обмотку выполняют однослойной, двухслойной и многослойной (рис. 1-3, а—в) из обмоточного провода как круглого, так и прямоугольного сечения. Слой обмотки составляют витки, уложенные вплотную в осевом направлении. Витки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых обычно рядом в осевом направлении обмотки. Соединение между слоями осуществляется переходом без пайки.
Для выравнивания винтовой поверхности торцов крайних витков к ним прикрепляют киперной лентой полосы из электроизоляционного картона или разрезанные бумажно-бакелитовые клинообразные кольца, которые предохраняют крайние витки от механических повреждений и создают торцевую опорную поверхность обмотки.
Рис. 1-3. Цилиндрические обмотки.
а — однослойная; б — двухслойная; в — многослойная.
Обмотка из прямоугольного провода может выполняться в один или несколько параллельных проводов с укладкой их плашмя или на ребро. Цилиндрические обмотки из прямоугольного провода изготавливаются однослойными и двухслойными.
Однослойная цилиндрическая обмотка (риг 1-3,а) является наиболее простой. Ее витки состоят из одного или нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения. Ее начало и копен находятся на противоположных торцах.
Двухслойная цилиндрическая обмотка (рис. 1-3,6) из провода прямоугольного сечения состоит из витков, расположенных в два слоя, с переходом из слоя в слой обычно в нижней части обмотки. Начало и конец обмотки, за исключением специальных случаев, располагаются с одной стороны обмотки, что позволяет более
просто и надежно закреплять выводные концы. Для улучшения условий охлаждения между слоями в обмотке создают осевой канал, равномерно располагая по окружности планки из бука или рейки из клееного электроизоляционного картона.
Для выравнивания торцов обмотки устанавливают в каждом слое разрезные клинообразные кольца. Для придания большей механической прочности обмотке поверх крайних витков и выравнивающих колец наматывают бандаж из киперной ленты или отбортованной ленты кабельной бумаги.
Однослойными и двухслойными обычно выполняют обмотки НН на напряжение до 525 В в трансформаторах мощностью до 630 кВ-А.
Многослойная цилиндрическая обмотка (рис. 1-3,б) выполняется, как правило, из провода круглого сечения. Каждый виток в слое укладывается вплотную к предыдущему витку в осевом направлении обмотки с переходами из слоя в слой на обоих торцах. Между слоями укладывают кабельную бумагу. Для увеличения поверхности охлаждения с помощью реек или гофрированного картона образуют осевой канал, как и в обмотках из прямоугольного провода.
Для защиты от механических повреждений под крайние витки каждого слоя укладывают так называемый «бортик». Бортик представляет собой узкую полосу электроизоляционного картона толщиной до 2 мм, приклеенную к более широкой ленте телефонной бумаги. В процессе намотки каждого слоя обмотки бумажная лента бортика зажимается крайними витками, а полоса картона служит опорой торца обмотки.
Обмотки ВН (реже НН) масляных трансформаторов мощностью до 250—400 кВ-А при напряжении 3—35 кВ и некоторых типов трансформаторов более высоких классов напряжения (например, ТМН-2500/150) выполняют цилиндрическими из круглого провода. Такие обмотки могут иметь регулировочные ответвления, выполняемые в виде петель из обмоточного провода, как показано на рис. 5-3.
В трансформаторах, регулируемых под нагрузкой, цилиндрические двух- или многослойные обмотки находят применение в качестве регулировочных (РО), выполняемых в виде отдельных концентров. Так, широко применяются двухслойные регулировочные обмотки с отдельными слоями грубой и тонкой регулировки. Как правило, эти обмотки выполняются на бумажно-бакелитовых цилиндрах проводом прямоугольного сечения, располагаемым плашмя или на ребро. В зависимости от мощности, тока и числа ступеней обмотка тонкой регулировки может выполняться как бы многоходовой — каждая ступень образует отдельную ветвь обмотки. Число витков одной грубой ступени регулирования обычно равно сумме витков всех ступеней тонкого регулирования.
Слоевые регулировочные обмотки имеют большую импульсную прочность, чем винтовые, и одновременно меньший радиальный размер. Слоевая обмотка находит применение и для более высоких классов напряжения (110 кВ и выше). Как показывают исследования [6, 9], напряжения между витками и слоями при импульсных воздействиях у слоевых обмоток значительно ниже и более равномерны, чем у секционных или непрерывных.
Другой особенностью слоевых обмоток является сравнительно большая толщина межслойной изоляции. Для повышения механической прочности обмоток увеличивают опорную поверхность обмотки, устанавливая по ее торцам массивные опорные кольца из электроизоляционного картона или бумажно-бакелитовые. Слоевая обмотка для напряжения 110 кВ отличается от многослойной цилиндрической обмотки трансформаторов небольшой мощности до 35 кВ наличием масляных каналов между слоями, что наряду с повышением электрической прочности значительно улучшает ее охлаждение.
При напряжениях 150 кВ и выше слоевая обмотка имеет, как правило, трапецеидальное поперечное сечение; осевая длина слоев уменьшается ступенями от внутреннего слоя к наружному, а расстояние от торца слоя до ярма соответственно увеличивается [4]. Наружный слой присоединяется к линии — это начало обмотки; конец внутреннего слоя образует ее нейтраль; таким образом, обмотка имеет ступенчатую главную изоляцию, увеличивающуюся от нейтрали к линейному концу.
За последние годы цилиндрическая слоевая обмотка на высокие напряжения получила значительное распространение, особенно за рубежом, в качестве обмоток высокого напряжения мощных трансформаторов. В настоящее время созданы различные варианты конструкции таких обмоток, отличающиеся способом намотки, устройством межслойной изоляции и экранов. Каждый слой обмотки можно наматывать либо отдельно на жесткий цилиндр, насаживая их потом последовательно на стержень магнитопровода, либо производить намотку слоев последовательно один на другой с соответствующей изоляцией между слоями; в этом случае вся обмотка представляет собой одно целое и насаживается на стержень целиком. Межслоевая изоляция в одних конструкциях создается посредством жестких бумажно-бакелитовых цилиндров и угловых шайб, в других она выполняется в виде мягких бумажных цилиндров, выступающие торцы которых надсекают и отгибают, образуя горизонтальный барьер у торца слоя.
В таких конструкциях применяют различные электростатические экраны для выравнивания и распределения напряжения по слоям обмотки при воздействии на нее импульсов. В одних конструкциях ограничиваются только «линейным» экраном, присоединяемым к началу обмотки, в других — устанавливают также внутренний экран, соединенный с концом «нейтралью» обмотки. Применяются также цилиндрические слоевые обмотки с емкостными кольцами у торцов слоев.
Для высококачественного изготовления цилиндрической слоевой обмотки с намоткой всех слоев один на другой и с межслоевой изоляцией в виде бумажных отбортованных цилиндров необходимо обеспечить плотную намотку бумажного цилиндра, отбортовку его краев с образованием отворотов, плотно облегающих торцы слоя; уплотнение витков в слое в процессе его намотки с тем, чтобы исключить сколько-нибудь значительную усадку слоев при сушке обмотки. Контроль состояния изоляции следует проводить непосредственно на намоточном стайке, чтобы устранить случайные повреждения до намотки следующего слоя.
Простота изготовления при налаженном производстве, хорошее охлаждение и малая вероятность замыкания между витками, компактность, хорошая изоляция слоев — все эти преимущества слоевой обмотки создают широкие возможности использования ее в мощных силовых трансформаторах высокого напряжения.
Катушечная обмотка. При высоких напряжениях в случае применения цилиндрической многослойной обмотки напряжение между слоями может стать также очень большим, что затруднит обеспечение нужной прочности изоляции между соседними слоями и.
Для уменьшения напряжения между слоями обмотку можно разделить в осевом направлении на несколько катушек. Таким образом, получается катушечная обмотка (рис. 1-4), состоящая из отдельных многослойных катушек (или, как их иногда называют, секций).
Рис. 1-4. Катушечная слоевая обмотка.
а — без каналов между катушками; б — с каналами между двойными катушками; в — с каналами после каждой катушки; 1 — внутреннее соединение катушки (перехода); 2— бумажно-бакелитовый цилиндр; 3— опорное кольцо из электроизоляционного картона; 4 — начало обмотки ВН; 5 — шайба; 6 — наружное соединение (переход); 7 — прокладки, образующие канал между катушками; в —рейка, образующая вертикальный канал; 9 — угловая шайба.
Катушки могут быть расположены либо вплотную на общем бакелитовом цилиндре с установкой простых и угловых изоляционных шайб между ними, либо порознь на бакелитовых кольцах. В последнем случае имеется возможность улучшить их охлаждение, устраивая при помощи изоляционных прокладок каналы между катушками.
Обычно катушечные обмотки изготавливают в виде парных (двойных) катушек, последовательно соединенных между собой на внутреннем диаметре. Такой способ соединения избавляет от необходимости выводить внутренние концы катушек наружу, что усложнило бы конструкцию обмотки и ухудшило бы условия их изоляции.
Назначение угловых шайб 9 — увеличить путь перекрытия между двумя катушками по поверхности изоляции. Как можно видеть на рис. 1-4,а, напряжение между двумя катушками в местах отворотов угловых шайб равно сумме напряжений, приходящихся на обе катушки, и поэтому в этих местах требуется иметь наибольшее расстояние.
Обмотки из фольги (ленты). В последние годы находит применение в качестве проводникового материала для обмоток алюминиевая фольга (лента). Известно, что из-за дефицита меди и ее относительно высокой стоимости в трансформаторостроении широко используется алюминиевый провод вместо медного. Однако такая замена приводит к увеличению габарита трансформаторов, так как удельное сопротивление алюминиевого провода на 64% больше, чем медного.
Рис. 1-5. Обмотки из фольги.
а — однокатушечная (обмотке НН); б — катушка многокатушечной обмотки ВН.
Применение взамен медного провода алюминиевой фольги позволило габариты обмоток оставить практически без изменений. Кроме того, обмотки из фольги обладают определенными преимуществами перед обмотками из провода: улучшается охлаждение обмотки благодаря более равномерному распределению температуры по всему сечению катушки; осевые усилия при коротком замыкании минимальны, так как обеспечивается баланс магнитодвижущих сил обмоток по высоте обмоток ВН и НН; за счет выравнивания межвитковой емкости вдоль обмотки увеличивается ее стойкость к импульсным перенапряжениям; обеспечивается возможность механизации процесса намотки обмоток.
В настоящее время общепринятым можно считать следующие конструктивные исполнения обмоток из фольги:
однокатушечное, слоевое (рис. 1-5,а) для обмотки НН, с шириной фольги, равной высоте катушки. Такая конструкция обеспечивает максимальное заполнение, окна, обмотка имеет минимальное число отводов и межкатушечных соединений и наименьшую трудоемкость изготовления;
многокатушечное слоевое — обычно четыре или шесть катушек (рис. 1-5,6) для обмотки ВН, которое выбирается из условия обеспечения магнитно-симметричной схемы обмотки.
Иногда применяют комбинированную конструкцию: обмотка НН — однокатушечная из фольги, а обмотка ВН — слоевая или катушечная, из алюминиевого или медного провода.
Рис. 1-6. Двойная дисковая катушка.
1 — внутренний переход; 2 — бандаж; 3 — временная подставка; 4 — одинарные катушки.
Переход от обмоточных проводов к фольге потребовал разработки новых конструкций главной и продольной изоляции обмоток ВН и НН. Применяют в качестве межвитковой изоляции бумажную ленту или синтетическую пленку, укладываемую в процессе намотки между слоями фольги. Путем выбора нужной толщины изоляционного материала можно обеспечить необходимую прочность межслоевой изоляции. Применение изолирующей ленты, выступающей за кромки фольги, позволяет обеспечить также надежную изоляцию по торцам катушки. Изолирование обмоточной фольги методом нанесения на ее поверхность слоя эмали или оксидной пленки не получило широкого применения.
В СССР разработаны новые серии трансформаторов I и II габаритов с обмотками из фольги, выпуск которых осваивается на отечественных трансформаторных заводах.
Дисковая катушечная обмотка состоит из ряда отдельно намотанных одинарных или двойных (спаренных) катушек (рис. 1-6), каждая из которых имеет несколько витков, намотанных один на другой по спирали в радиальном направлении. В зависимости от класса напряжения обмотки катушки могут иметь общую для всех витков дополнительную (катушечную) изоляцию, выполненную из лент кабельной бумаги.
Рис. 1-7. Непрерывная обмотка.
а — обмотка ВН 35 кВ; б — обмотка ВН 110 кВ; 1 — дистанционные прокладки; 2 — рейка внутренняя; 3 — рейка наружная (прошивная); 4 — гребенка; 5— концы обмотки; 6 — переходы; 7 — емкостное кольцо; 8 — бакелитовый цилиндр.
Различают одинарные и двойные катушки. Число витков в одной катушке достигает 20—25, число параллельных проводников в витке — до 8. Намотанные катушки собирают на шаблоне и соединяют пайкой их наружные концы, выполненные в виде переходов из одной катушки в другую. Осевой канал у внутренней поверхности и радиальные каналы между катушками образуются П-образными замковыми прокладками. Дисковые обмотки отличаются от слоевых большей механической прочностью в осевом направлении.
Катушки с дополнительной изоляцией широко применялись в мощных силовых трансформаторах в качестве входных. Входная зона обмотки ВН на 110—330 кВ, помимо усиленной витковой изоляции, как правило, имела общую для всех витков катушки дополнительную изоляцию. Конструкция обмотки из отдельных катушек позволяла накладывать дополнительную катушечную изоляцию разной толщины на каждую катушку соответственно возможным электрическим воздействиям на межкатушечные промежутки и соединять пайкой непрерывную часть обмотки с дисковой.
Производство обмоток подобной конструкции весьма трудоемко и нетехнологично. В новых сериях трансформаторов обмотки ВН на 110—750 кВ выполняются преимущественно переплетенными или комбинированными (смотри ниже).
Непрерывная обмотка. Если обмотка состоит из ряда катушек, расположенных в осевом направлении и соединенных между собою последовательно без пайки, то ее называют непрерывной (рис. 1-7). Свое название обмотка получила от способа ее намотки.
Непрерывная обмотка состоит из ряда катушек с каналами между ними; число катушек в обмотке от 30 до 150. В каждой катушке витки наматываются плашмя один на другой по спирали.
Высота катушки равна ширине провода. Число витков в катушке от 2 до 40—50. Катушки непрерывной обмотки наматываются на рейках, образующих вертикальные каналы вдоль внутренней поверхности обмотки; на рейки надеваются прокладки, с помощью которых создаются радиальные каналы между катушками. Каждый виток обмотки может состоять из одного или нескольких параллельных проводов. Такое выполнение снижает потери на вихревые токи в обмотках и облегчает намотку катушек. Путем перестановки (транспозиции) параллельных проводов на переходах из катушки в катушку достигается выравнивание их активного и реактивного сопротивлений. Транспозиция параллельных проводов выполняется в процессе намотки на каждом переходе из катушки в катушку.
Рис. 1-8. Порядок намотки катушек непрерывной обмотки.
А—начало обмотки; п — переход; р — рейка; пр — прокладка; i, — цилиндр.
Рис. 1-9. Расположение концов непрерывной обмотки
а и б — четное число катушек; в — нечетное число катушек; 1 — изоляционный цилиндр; 2 — наружный переход; 3 — внутренний переход.
Непрерывность намотки достигается перекладыванием витков в катушках, как показано на рис. 1-8,а—з. Переходы из катушки в катушку (внутренний и наружный) осуществляются на уровне крайнего (соответственно внутреннего или наружного) витка изгибом провода на ребро. Как правило, число полей, занятых перестановкой (здесь полем назван пролет по окружности между двумя соседними прокладками), равно числу параллельных проводов.
Число катушек непрерывной обмотки обычно четное, при этом начало и конец обмотки расположены либо оба снаружи, либо оба внутри обмотки (рис. 1-9,а, б).
Нечетное число катушек применяют лишь в тех специальных случаях, когда необходимо вывести один конец снаружи, а другой — внутри обмотки (рис. 1-9,в).
При целом числе параллельных витков в месте перехода радиальный размер катушки увеличивается на толщину одного провода, а осевой размер всей обмотки увеличивается на суммарную толщину дополнительной изоляции всех переходов.
Рис. 1-10. Расположение концов и регулировочных ответвлений в непрерывных обмотках.
а — число катушек обмотки кратно четырем, число катушек между соседними ответвлениями четное; б — число катушек обмотки некратно четырем; в — нечетное число катушек между соседними ответвлениями; г — число катушек кратно четырем, концы и ответвления — от внутренних витков; р — «разрыв» обмотки; * — здесь опущено четное число катушек.
Во избежание увеличения радиального размера обмотки, а также местного роста ее осевого размера катушки делают с неполным числом витков.
Обмотки могут выполняться с ответвлениями. Ответвления для регулирования напряжения выполняют обычно от наружных (реже от внутренних) витков так, чтобы между двумя соседними ответвлениями находились витки, соответствующие одной ступени регулирования. Непрерывные обмотки с регулировочными ответвлениями, выполняемые по «прямой» или по «оборотной» схемам (рис. 1-10, а — г), состоят из двух частей, разделенных «разрывом».
Рис. 1-11. Комбинированная обмотка ВН на 220 кВ.
Преимуществом непрерывной обмотки является ее большая торцевая опорная поверхность и поэтому большая устойчивость по отношению к осевым усилиям при коротких замыканиях, а также большая поверхность охлаждения. Благодаря указанным преимуществам непрерывная обмотка применяется в трансформаторах в широком диапазоне мощностей и напряжений.
Для обеспечения грозоупорности при напряжениях 110 кВ и выше обмотки ВН (наружные) имеют частичную емкостную защиту в виде емкостных колец и экранирующих витков, установленных на входных катушках обмотки (рис. 1-7,6). В новых конструкциях трансформаторов на 220—330 кВ зона входных катушек обмотки выполняется без экранирующих витков. Катушки входной зоны выполняются с переплетением витков, остальные катушки — непрерывной намоткой. Это так называемые комбинированные обмотки (рис. 1-11).
Переплетенная обмотка. В современном трансформаторостроении это одна из лучших высоковольтных обмоток. Переплетенные обмотки нашли широкое применение в разработанных в последнее время трансформаторах классов напряжения 110—1200 кВ (см. рис. 7-3).
При разработке трансформаторов с рабочим напряжением выше 500 кВ переплетенная обмотка является лучшей, способной обеспечить требуемый уровень импульсной прочности изоляции.
Переплетением проводов соседних витков и катушек достигается увеличение емкостной связи между ними и благодаря этому выравнивание импульсных воздействий вдоль обмотки.
В результате снижается напряжение, действующее между соседними катушками, что позволяет отказаться от применения экранирующих витков и дополнительной изоляции отдельных катушек.
Непрерывная и переплетенная обмотка отличаются схемами, по которым располагаются витки (рис. 1-12). Если в непрерывных обмотках последовательность витков 1, 2, 3,то для переплетенных обмоток последовательность 1, (п/2+1), 2, (п/2 + 2), 3, (л/2+3). (л/2-f-m), где п — число витков в паре катушек, т — порядковый номер витка.
В переплетенной обмотке разность напряжений между соседними витками в п]2 раз больше, чем в непрерывной обмотке. Поэтому к изготовлению переплетенных обмоток представляются высокие технические требования (высококачественные пайки, переходы, большая плотность намотки b др.).
Одновременно в связи с увеличением межвитковых напряжений повышаются технические требования к обмоточным проводам. Электрическая прочность их изоляции должна обеспечиваться за счет ее качества, а не путем увеличения толщины изоляции, так как это приведет к недопустимому росту габаритов обмоток.
Рис. 1-12. Последовательность расположения витков в обмотке. а — непрерывная обмотка; б — переплетенная.
Применение переплетенных обмоток позволяет также осуществлять дальнейшее усовершенствование главной маслобарьерной и продольной изоляции. Совершенствование конструкции переплетенных обмоток осуществляется путем применения проводов с увеличенной электрической прочностью изоляции. Выбор числа витков и расположение параллелей в катушке должны обеспечивать уменьшение воздействия на продольную изоляцию обмоток и изоляцию первого от обмотки канала главной изоляции.
Винтовая обмотка (или иногда неправильно называемая спиральная обмотка) состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии, с масляными каналами между ними (рис. 1-13). Каждый виток состоит из нескольких одинаковых параллельных прямоугольных проводов, укладываемых плашмя в радиальном направлении. Винтовую обмотку иногда называют многопараллельной обмоткой, так как общее число параллельных проводов в обмотке трансформатора большой мощности может достигать многих десятков. В зависимости от числа параллельных проводов и витков винтовая обмотка может выполняться одноходовой (рис. 1-13,а), двухходовой (рис. 1-13,6) или многоходовой, т. е вся обмотка состоит из двух или более отдельных винтовых обмоток, вмотанных в процессе намотки одна в другую. Каждый такой ход может состоять из нескольких (до 30—40) параллельных проводов. Вертикальный канал вдоль внутренней поверхности винтовой обмотки и каналы между ее витками образуются такими же рейками и прокладками, как и у непрерывной обмотки. Намотка может быть правой или левой. Винтовую поверхность первых крайних витков обмотки выравнивают путем постепенного увеличения высоты набора прокладок между торцом крайнего витка и опорным кольцом.
Рис. 1-13. Винтовая обмотка. а — одноходовая; б — двухходовая.
Высота набора прокладок по окружности для каждой рейки разная; она указывается на чертеже обмотки (развертке). Если высота набора превышает 25 мм, для устойчивости прокладок устанавливают сегменты или шайбы.
Параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрически и находятся на разных расстояниях от ее оси. Если не принять специальных мер, то провода, расположенные ближе к оси, будут короче, а более удаленные от нее — длиннее. Разница в длине и положении в магнитном поле рассеяния параллельных проводов вызывает неравенство их активных и индуктивных сопротивлений и, следовательно, неравномерное распределение тока между ними. Для обеспечения равномерного распределения тока по проводникам и соответственно уменьшения добавочных потерь многопараллельные обмотки выполняются с транспозицией (перекладкой параллельных проводов витка в процессе намотки). Транспозиция считается совершенной, если все проводники в результате транспозиции симметрично расположены по отношению к продольному магнитному полю; при несовершенной транспозиции возникают добавочные потери от циркулирующих токов в параллельных проводниках обмотки. Подробное описание добавочных потерь, обусловленных несовершенством транспозиций, дано в [5, 10—12].
В винтовых обмотках применяют различные виды транспозиций (рис. 1-14). В одноходовой обмотке обычно применяют комбинацию двух видов транспозиции — групповую, когда параллельные провода делятся на две группы и обе эти группы меняются местами, и общую, когда изменяется взаимное расположение всех параллельных проводов. Часто эти транспозиции (рис. 1-14,а) называют специальной (групповую) и стандартной (общую).
В одноходовой винтовой обмотке применяют также транспозицию Бюда (рис. 1-14,6). Она состоит из двух групповых транспозиций и двух общих.
В двухходовой винтовой обмотке применяют равномерно распределенную транспозицию (транспозиция Хобарта, рис. 1-14,в). При этом число перестановок в обмотке обычно равно числу параллельных проводов.
В винтовых обмотках трансформаторов и автотрансформаторов большой мощности в последние годы широко применяются специальные транспонированные провода. По сравнению с обычными обмоточными проводами они значительно упрощают работу по намотке винтовых обмоток, так как не требуют выполнения транспозиций проводов, сильно замедляющего процесс намотки (см. гл. 5).
Рис. 1-14. Виды транспозиций.
а — две групповые и общая в одноходовой обмотке; б — две общие и две групповые; в — равномерно распределенная транспозиция в двухходовой обмотке.
При относительно большом числе витков обмотки из обмоточного провода небольшой высоты иногда применяют винтовую обмотку, у которой каждая пара смежных 30
витков разделена шайбами или прокладками толщиной 0,5—1 мм, а остальные каналы выполнены набором прокладок толщиной 2—4 мм. Такую обмотку называют полувинтовой.
Обмотки силовых трансформаторов
Конструкция силового трансформатора представляет собой сложную систему. Если вам нужно купить трансформатор сухой силовой, но вы сомневаетесь в том, по каким параметрами выбрать товар, обратитесь к специалистам компании «Терра-Ток» для получения консультации. Звоните нам по телефону 8-800-505-90-82. Обмотки – это совокупность витков, которые образуют электрическую цепь, где складывается электродвижущая сила, индуктируя в отдельных витках. Эти конструктивные элементы состоят из обмоточных проводов и изоляционных деталей, которые предусмотрены конструкцией. Они не только защищают витки от электропробоя и препятствуют их смещению из-за электромагнитного воздействия, но и создают каналы для охладительных процессов. Рассмотрим подробнее.
Что представляют собой обмотки силовых трансформаторов
- Концентрические. Изготовлены в виде цилиндров и располагаются на магнитном стержне концентрически;
- Чередующиеся. Обмотки высокого напряжения и низкого напряжения, которые чередуются на стержне в осевом направлении.
Главным элементом трансформаторных обмоток является виток, в нем наводится электродвижущая сила. В зависимости от значений величины тока он может быть выполнен одним или несколькими параллельными проводами. Ряд из витков, который намотан на цилиндрическую поверхность, имеет название слоя. По количеству витков значение может варьироваться от одного до нескольких десятков.
Виды обмоток и их особенности
Однослойная или многослойная цилиндрическая обмотка образуется при намотке одного или несколько слоев провода круглого или прямоугольного сечения. Наиболее простой является однослойная обмотка из прямоугольного провода. Слой обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой линии на бумажно-бакелитовый цилиндр. Каждый виток в слое укладывается вплотную к предыдущему в осевом направлении обмотки. Витки цилиндрической обмотки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых рядом и имеющих одинаковое положение по отношению к полю рассеяния трансформатора. Обычно обмотку из прямоугольного провода наматывают плашмя, но при необходимости возможна намотка и на ребро.
Винтовая или спиральная обмотка состоит из витков, которые наматываются по винтовой линии с расположенными между ними каналами. Для примера, первичная обмотка силового трансформатора для питания цепей радиоприемника будет иметь 1200 витков. Каждый такой виток состоит либо из одного (в редких случаях) провода, либо из нескольких одинаковых проводов прямоугольного сечения. Второй вариант распространен больше. В этом случае одинаковые провода располагаются друг к другу в радиальном направлении плашмя. Такая обмотка может быть одноходовой или многоходовой.
Учитывайте сопротивление обмоток силового трансформатора, при котором эксплуатация крайне не рекомендована.
Изоляция
Обмотки силового трансформатора изолируются от других обмоток и заземленных частей. Такая изоляция называется главной, помимо которой существует еще и продольная, представляющая собой изоляцию между отдельными компонентами конструкции обмотки – витками, слоями, катушками и так далее. Ее проводят еще в процессе изготовления. Главная же устанавливается при сборке.
От верхнего и нижнего ярм проводят изоляцию обмоток с помощью масляных каналов и барьеров, которые образуются ярмовой изоляцией, что перекрывает поверхность ярма, которая обращена в сторону обмоток. При ее проведении барьер с прикрепленными прокладками из прессованного электрокартона создает необходимые масляные промежутки.
Где купить силовой трансформатор?
Чтобы купить силовые трансформаторы в Терра-Ток, позвоните нам на бесплатную горячую линию. Мы не только поможем вам подобрать оптимальный продукт среди реализуемого, но и поможем с его установкой.
Устройство трансформатора
Устройство, служащее для преобразования электрической энергии посредством эффекта электромагнитной индукции с одними параметрами переменного напряжения и тока на входе к другим параметрам этих величин на выходе, без изменения частоты, называется трансформатором.
Схематично Устройство трансформатора состоит из двух изолированных друг от друга обмоток, размещённых на ферромагнитном сердечнике. Магнитный поток от тока в первичной обмотке возбуждает ЭДС во вторичной обмотке, как это можно увидеть на Рис.1.
Первичная обмотка трансформатора
Первичная обмотка трансформатора запитывается переменным напряжением U_1, порождающим в ней ток I_1.
Вторичная обмотка трансформатора
Вторичная обмотка трансформатора, при взаимодействии с магнитным потоком Ф, генерирует в своих витках ЭДС, что приводит к возникновению напряжения на обмотке U_2 и тока I_2, зависящие от общего сопротивления вторичной цепи.
ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Остановимся на наиболее распространённых видах трансформаторов.
Силовой трансформатор
Силовые трансформаторы преобразуют переменное напряжение низких частот (50-60 Гц) и рассчитаны на большую мощность. Они обеспечивают приём и передачу электроэнергии в магистральных линиях с напряжением до 1150 кВ и в городских с напряжением до 10 кВ. Один из трансформаторов такого типа можно посмотреть на Рис.2. Там же приведено и описание его устройства.
Наибольшее распространение получили трёхфазные силовые трансформаторы из-за большего КПД.
Сетевой трансформатор
Эти устройства, как правило однофазные, обеспечивают преобразование напряжения бытовой электросети (порядка 220 вольт, 50 Гц) в напряжения питания различных систем электроприборов в диапазоне 5–48 вольт.
На Рис.3 показаны некоторые из них с Ш-образными и тороидальным сердечником. Тороидальные сердечники обеспечивают большую компактность устройства.
Автотрансформатор
Обмотки этого устройства являются одной цепью и их взаимодействие между собой обеспечивается как электромагнитной, так и гальванической связью. Они позволяют на разных выводах от группы витков получать различные выходные напряжения. Примеры трансформаторов можно посмотреть на Рис.4.
Экономия провода на обмотке и на количестве материала сердечника позволяет уменьшить стоимость и вес устройства. Наличие же гальванической связи между обмотками является его недостатком.
Автотрансформаторы применяются в системах автоматики, широко применяются в высоковольтных сетях. Большое распространение получили трёхфазные автотрансформаторы.
Силовые автотрансформаторы применяются в системах пуска мощных электродвигателей и имеют собственную мощность сотни мегаватт.
Одной из разновидностей автотрансформатора является лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), который позволяет произвольно менять выходное напряжение в рамках диапазона регулирования. Контактный движок с угольной щёткой может перемещаться от витка к витку обмотки на тороидальном сердечнике посредством поворотной ручки, что и обеспечивает плавное изменение выходного напряжения.
Наиболее часто применяемые ЛАТР – однофазные с диапазоном напряжения на выходе 0-250 вольт и трёхфазные 0-450 вольт.
Сварочный трансформатор
Эти устройства предназначены для получения выходного тока большой силы с соответственным понижением выходного напряжения. Устройство такого трансформатора можно посмотреть на Рис.5
Измерительный трансформатор или трансформатор тока
Первичная обмотка такого устройства чаще всего имеет один виток либо прямой провод, пропущенный через сердечник и последовательно включённый в цепь измеряемого переменного тока. Вторичных обмоток может быть несколько. К ним подключаются измерительные приборы и устройства защиты. Измерительные приборы и устройства защиты должны иметь малое внутреннее сопротивление. Ток во вторичных обмотках пропорционален току первичной обмотки с коэффициентами трансформации К.
Для трансформаторов тока К должен быть значительно больше единицы.
Измерительные трансформаторы гальванически развязывают рабочую и измерительные цепи, что делает работу в измерительных цепях безопасной. Требование включения нагрузки в измерительные цепи обязательно, иначе трансформатор может выйти из строя.
Такие трансформаторы широко применяются в схемах релейной защиты.
Импульсные трансформаторы
Эти устройства широко используют в схемах балласта энергосберегающих ламп, в зарядных устройствах, в блоках питания аппаратуры, в сварочных аппаратах и инверторах, в других маломощных или силовых преобразователях электроэнергии. Они выполняются на ферритовых сердечниках, что позволяет работать с высокими частотами.
Существуют импульсные трансформаторы тока, которые применяются в импульсных схемах для измерения величины и/или направления тока.
На Рис.6 показаны различные импульсные трансформаторы.