Конструкції обмоток трансформатора
Основні типи обмоток
Провідник, який одноразово охоплює стрижень магнітопроводу та в якому наводиться ЕРС під впливом магнітного поля трансформатора, називають витком. Виток є основним елементом обмотки і складається з одного або кількох паралельних дротів. Сукупність витків, що утворюють електричний ланцюг, в якому підсумовуються ЕРС, наведені в окремих витках, називають обмоткою трансформатора. Обмотка складається з провідників та ізоляційних деталей, що захищають витки від електричного пробою, що перешкоджають їх зсуву під дією електромагнітних сил і створюють канали для охолодження.
Обмотки трансформаторів розрізняються взаємним розташуванням на стрижні, напрямом та способом намотування, числом витків, класом напруги, схемою з'єднання кінців обмоток між собою.
Початки та кінці обмоток ПН (низького напруження) трифазних трансформаторів позначають літерами а, в, с (початки) та х. у, z (кінці), обмоток ВН (високої напруги) - відповідно А, В, С і X, Y, Z. За взаємним розташуванням на стрижні обмотки поділяють на концентричні та чергуються.
Концентричні обмотки виготовляються як циліндрів, розташованих концентрично (одна в інший) на стрижні магнитопровода (рис 1). Чергові обмотки високої і низької напруги трансформатора чергуються в осьовому напрямку на стрижні магнітопроводу (рис.2). Чергова обмотка зазвичай підрозділяється на симетричні групи, кожна з яких складається з однієї або декількох частин обмотки ВН і розташованих по обидва боки від них частин обмотки ПН. З окремих груп при великих струмах можна легко утворити паралельні ланцюга. Обмотки, що чергуються, застосовують тільки в спеціальних трансформаторах (наприклад, електропічних, випробувальних). Найбільш поширені концентричні обмотки. Зазвичай першою на стрижні розташовують обмотку ПН, але можливі інші варіанти, коли першої розміщують обмотку середньої напруги, регулювальну або навіть високої напруги.
По конструкції і способу намотування розрізняють циліндричні обмотки (одно- або багатошарові), котушкові і гвинтові. Існують також одно- або двовиткові листові та шинні обмотки, що використовуються в спеціальних трансформаторах з великими вторинними струмами.
Основними експлуатаційними вимогами є електрична і механічна міцність і нагрівальність як обмоток, так і інших частин і всього трансформатора в цілому. Ізоляція обмоток та інших частин трансформатора повинна витримувати без пошкоджень комутаційні та атмосферні перенапруги, які можуть виникнути в мережі, де трансформатор буде працювати. Механічна міцність обмоток повинна гарантувати їх від механічних деформацій та пошкоджень при струмах КЗ, що багаторазово перевищують номінальний робочий струм. Нагрів обмоток та інших частин від втрат, що виникають у трансформаторі при нормальній роботі та КЗ обмеженої тривалості, не повинен призводити до ізоляції обмоток та інших частин, а також масло трансформатора до теплового зносу або руйнування в строки коротші, ніж звичайний термін служби трансформатора (20— 25 років). Загальні експлуатаційні вимоги, що пред'являються до трансформаторів і їх обмоток, регламентовані відповідними стандартами на силові трансформатори загального призначення, на різні спеціальні трансформатори, на електричні випробування ізоляції трансформаторів і т д Практично електрична міцність ізоляції обмоток досягається правильно матеріалів та прогресивною технологією обробки ізоляції. Вимога механічної міцності обмотки задовольняється шляхом ретельного розрахунку поля розсіювання, тобто.
Для досягнення необхідної нагрівостійкості слід забезпечити вільну тепловіддачу в навколишнє середовище всього тепла, що виділяється в обмотках при допустимих для даного класу нагрівостійкості ізоляції перевищення температури обмоток над температурою навколишнього середовища, тобто забезпечити досить велику поверхню зіткнення обмотки з охолоджувальним середовищем. Загальні виробничі вимоги зводяться виготовлення трансформатора з найменшими витратами матеріалів і праці тобто. найпростішого за конструкцією, що забезпечує дотримання всіх експлуатаційних вимог. Ці вимоги, що пред'являються трансформатору в цілому, повною мірою відносяться і до обмоток. Завданням проектувальника є розумне поєднання інтересів експлуатації та виробництва. Це завдання вирішується значною мірою при виборі того чи іншого типу обмотки. Тому на вибір типу обмотки, що найбільш повно відповідає вимогам експлуатації і в той же час простий та дешевий у виробництві, слід звертати особливу увагу.
При розрахунку обмотки після вибору її типу слід досягати максимальної компактності в її розміщенні, розподілі витків і котушок, щоб отримати найкраще наповнення вікна трансформатора. Одночасно слід прагнути до отримання досить розвиненої поверхні охолодження обмотки і достатньої кількості та розмірів масляних (повітряних у сухого трансформатора) охолодних каналів в обмотках при забезпеченні найменшого опору для руху в них охолодного середовища, що дає змогу зменшити внутрішній перепад темпертури в обмотках і як слід. , дещо зменшити охолоджувану поверхню бака трансформатора.
Типи обмоток трансформаторів
| Типи |
Переваги |
Недоліки |
Циліндрична одно-двохшарова
з прямокутного дроту |
Проста технологія виготовлення,
гарне охолодження |
Мала механічна міцність |
| Циліндрична багатошарова з прямокутного дроту |
Хороше заповнення вікна магнітної системи, проста технологія виготовлення |
Зменшення охолоджуваної поверхні в порівнянні з обмотками, що мають радіальні канали |
| Циліндрична багатошарова з круглого дроту |
Проста технологія виготовлення |
Погіршення тепловіддачі та зменшення механічної міцності зі зростанням потужності |
| Гвинтова одно-дво- та багатоходова з прямокутного дроту |
Висока механічна міцність, надійна ізоляція, гарне охолодження |
Вища вартість порівняно з циліндричною обмоткою |
| Безперервна котушкова з прямокутного дроту |
Висока електрична та механічна міцність, хороше охолодження |
Необхідність перекладки половини котушок при намотуванні |
| Циліндрична багатошарова та котушкова з алюмінієвої фольги |
Висока механічна міцність, гарне заповнення вікна магнітної системи |
Складна технологія виготовлення обмоток високої напруги |
Конструкції циліндричних обмоток:
- простий,
- багатошаровий,
- багатошаровий з фольги
Ряд витків, намотаних на циліндричній поверхні, називають шаром обмотки. В одному шарі може бути від одного до декількох десятків витків, а в витку до шести-восьми і більше паралельних проводів. .3), а що складається з двох (або більш концентрично розташованих шарів - двошарової (багатошарової) циліндричної (рис.4).
Витки дво- та багатошарових обмоток мають однакові розгорнуту довжину та положення по відношенню до поля розсіювання трансформатора. Перехід із шару в шар виконують без обриву дроту в кінці кожного шару, при цьому напрямок намотування шарів змінюється. Двошарову обмотку зазвичай намотують з
рис.3 1-виток; 2,4-вирівнюючі кільця, 3-ізолюючі прокладки.
рис.4/. 4 - виїтки, 2, 5-дистанційні рейки; 3-вирівнює кільце; 6-паперово-бакелітовий циліндр; 7-міжшарова ізоляція; 8-канал. 9 - рейка. 10-ізоляційне кільце; 11 бакелітовий циліндр; X1, Х2, Х3 - регулювальні відгалуження
прямокутного дроту плашмя, але можна і на ребро. Для вирівнювання гвинтової поверхні до крайніх витків прикріплюють розрізні паперово-бакелітові кільця (у вигляді «клину»), які надають обмотці форму циліндра. Кільця оберігають витки від механічних пошкоджень та створюють опорну поверхню обмотки. Між шарами двошарової обмотки встановлюють ізоляцію з паперу (електрокартону) або рівномірно розміщують по колу кілька рейок (прокладок), що утворюють вертикальний охолодний канал (рис.4,а).
Одно- і двошарові циліндричні обмотки застосовують як обмотки низької напруги до 690 В трансформаторах потужністю менше 630 кВА. Багатошарова циліндрична обмотка намотується, як правило, з дроту круглого перерізу.
обмотки щільно укладають один до одного з переходами із шару в шар. Намотування першого шару виготовляють на паперово-бакелітовому циліндрі. Між наступними шарами розміщують кабельний папір. Для покращення охолодження між деякими шарами обмотки роблять осьовий канал за допомогою дистанційних прокладок з електрокартону або бука. Такі багатошарові циліндричні обмотки застосовують як обмотки високої напруги для масляних трансформаторів потужністю до 400 кВА при напрузі до 35 кВ (рис. 4,б). У напрямку намотування, подібно до різьблення гвинта, розрізняють обмотки ліві та праві. Це відноситься до циліндричних, котушкових та гвинтових обмоток. У багатошарових шарових обмотках напрямок усієї обмотки вважається за напрямком її першого внутрішнього шару (рис.5).
Принципово новою модифікацією циліндричної обмотки є обмотки, намотані з неізольованої алюмінієвої фольги, що знаходять застосування у трансформаторах потужністю від 25 до 630 кВА. Стрічка рулонної фольги має ширину, що дорівнює висоті котушки, а для обмоток з робочою напругою до 1 кВ -висота обмотки. Ізоляцією між витками служить смуга (або кілька разом складених смуг) конденсаторного, телефонного або кабельного паперу. Ширина смуги паперу приймається на 6-8 мм більше за ширину стрічки. Стрічка фольги разом із смугою (смугами) паперу намотується на циліндричній оправці з діаметром, рівним внутрішньому діаметру обмотки. Після намотування обмотка знімається з оправки, папір, що виступає за торці обмотки на 3-4 мм, просочується епоксидною смолою, запікається і обжимається, утворюючи монолітний ізоляційний шар на торцевих поверхнях обмотки (котушки).
Обмотки з алюмінієвої фольги легко намотуються, добре витримують механічні впливи при КЗ трансформатора і мають високу теплопровідність в осьовому та радіальному напрямках, що призводить до більш рівномірного розподілу температури за висотою та шириною обмотки та до зниження температури найбільш нагрітої точки порівняно з обмотками, намотаними з ізольованого дроту.
Основними недоліками обмоток із алюмінієвої фольги є: висока ціна фольги, що перевищує ціну ізольованого алюмінієвого дроту приблизно на 40%; складність виготовлення обмоток високої напруги класів напруги 10 і 35 кВ з обов'язковим поділом цих обмоток на котушки, що з'єднуються за допомогою пайки, та труднощі кріплення відводів до обмоток з фольги з товщиною менше 0,1 мм унаслідок малої механічної міцності цієї фольги. Останній (і перший) виток обмотки з фольги товщиною 0,1-0,2 мм може завершуватися алюмінієвою шиною, прикріпленою до фольги точковим зварюванням. Складність виготовлення обмотки високої напруги призводить до того, що в деяких випадках віддають перевагу обмотці низької напруги виконувати з фольги, а обмотці високої напруги з дроту.
Конструкції гвинтових обмоток: одноходовий, багатоходовий, з транспонованого дроту
Гвинтові обмотки можуть бути одноходовими (рис.6 а) та двоходовими (багатоходовими) (рис.6 б). Одноходова гвинтова обмотка складається з низки витків, які йдуть один за одним по гвинтовій лінії з каналами між ними. У кожен виток входить один або кілька паралельних проводів, що укладаються в один ряд впритул один до одного в радіальному напрямку (рис.6, а, в).
Двоходова (багатоходова) гвинтова обмотка складається з двох (або більше) одноходових обмоток, вмотаних одна в іншу в процесі виготовлення. Кожен такий «хід» може містити до 40 паралельних проводів. Вертикальний канал уздовж внутрішньої поверхні обмотки та канали між її витками утворюються рейками та прокладками (рис.6, г).
Витки гвинтової обмотки складаються, як правило, з великої кількості паралельних проводів, розташованих концентрично і на різній відстані від її осі, тому проводи, розташовані ближче до осі, будуть коротшими, а більш віддалені — довшими. Різниця в довжині та положенні проводів у полі розсіювання викликає нерівність їх електричних та індуктивних опорів. Різні опори призводять до нерівномірного розподілу струму між ними, тобто до перевантаження по струму та збільшення втрат в одних та недовантаження в інших провідниках.
Для вирівнювання розподілу струму і, отже, зниження додаткових втрат у гвинтових обмотках виконують різні види транспозицій (перестановок). В одноходовій обмотці (зазвичай з числом дротів у витку до 12) використовують комбінацію з транспозиції (рис.7а-в)
двох групових, коли дроти у витку поділяють на дві групи і обидві групи змінюють місцями, і загальної, коли змінюється взаємне розташування всіх паралельних дротів. Якщо в одноходовій обмотці є 12, 16 і більше паралельних проводів, то застосовують транспозицію Бюда, що дозволяє знизити додаткові втрати.
У двоходовій гвинтовій обмотці використовують рівномірно розподілену транспозицію Хобарта, при виконанні якої всі дроти обмотки виявляються однаково розташованими по відношенню до поздовжнього (осьового) поля розсіювання (довжина проводів також майже однакова) (рис.8).
Гвинтова обмотка має значну торцеву поверхню, що забезпечує її стійкість до осьових зусиль при КЗ, гарною механічною міцністю і достатньою поверхнею охолодження. Її
широко застосовують для обмоток низької напруги з відносно невеликим числом витків і значними вторинними струмами трансформаторах потужністю 1000 кВА і більше.
Гвинтова обмотка з будь-яким числом ходів може бути намотана також з транспонованого дроту. При цьому відпадає необхідність додаткової транспозиції паралельних провідників, крім тієї, яка зроблена в самому дроті.
Конструкції безперервних котушкових обмоток: простий переплетеної, з переплетенням котушок, з підрозділу
Групу послідовно з'єднаних витків, намотується у вигляді плоскої спіралі і відокремлену від інших таких же груп називають котушкою, а обмотку, що складається з ряду котушок розташованих в осьовому напрямку, - котушкової.
Котушкові обмотки можуть бути дисковими та безперервними. Дискова обмотка набирається з окремо намотаних котушок, які з'єднують один з одним електропайкою або іншим способом (рис.9 а).
Котушки вважаються лівими, якщо провід від верхнього зовнішнього кінця укладається проти годинникової стрілки, і правими якщо провід укладається за годинниковою стрілкою. Безперервна обмотка (рис.9, б) намотується без розривів, т. е. перехід із однієї котушки 1 до іншої 6 (рис.9, буд) виробляється без пайок. Для цього при намотуванні перекладають витки кожної непарної котушки так, щоб один перехід (з котушки в котушку) був зовні обмотки, а інший усередині. Котушки безперервної обмотки намотують на
рейки 3, що утворюють вертикальний канал вздовж внутрішньої поверхні обмотки. На рейках закріплюють прокладки 5 створюють горизонтальні канали між котушками. Іноді рейки ставлять уздовж зовнішньої поверхні обмотки.
У витках обмотки може бути кілька від одного до шести паралельних проводів (рис.9, в). При двох і більше дротах доводиться вирівнювати їх довжини та положення в магнітному полі розсіювання, для чого дроти міняють місцями, тобто роблять їхню транспозицію (рис.9, г, д). Транспозиція паралельних проводів у безперервній обмотці виконується у процесі намотування кожному переході з котушки в котушку. Як правило, в одному прольоті між двома сусідніми прокладками (в одному «полі») роблять перехід одним паралельним проводом 2.
У місцях переходу провід згинається на ребро, і його ізоляція тут нерідко пошкоджується. Після вигину її обезтедію відновлюють, а провід надійно ізолюють від сусідніх котушок (рис.9д). Безперервні обмотки можуть виконуватися з відгалуженнями регулювання напруги. Зазвичай відгалуження роблять від зовнішніх витків, щоб між двома сусідніми відгалуженнями полягали витки, що відповідають одному ступеню регулювання. Перевагою безперервної котушкової обмотки (крім відсутності розривів при намотуванні) є її велика опорна поверхня і, отже, значна стійкість до осьових зусиль при КЗ. Інша перевага – відносно вільний прохід олії як вздовж поверхні, так і впоперек (у горизонтальні канали між котушками). Хороше охолодження дозволяє збільшувати потужність обмотки, не побоюючись теплової руйнації її ізоляції. Завдяки зазначеним перевагам, безперервні обмотки широко застосовують у трансформаторах різних потужностей та напруг. В останні роки захист обмоток від імпульсних перенапруг при класах напруги від 220 кВ і вище виконується шляхом поєднання ємнісних кілець із застосуванням переплетених.
котушкових обмоток, тобто обмоток, у яких порядок послідовного з'єднання витків відрізняється від послідовності їх розташування в котушках. Одна із схем переплетеної обмотки показана на рис. 10.
Кожна котушка намотується двома паралельними дроти, а потім проводиться з'єднання цих дротів за схемою. Можливі й інші способи переплетення
витків обмотки. Намотування переплетеної обмотки будь-якого типу є складнішим і трудомістким, ніж намотування звичайної безперервної котушкової обмотки. При цьому потрібне збільшення електричної міцності ізоляції витків і підвищення щільності її накладання, однак це ускладнення технології та збільшення вартості обмотки окупається майже лінійним початковим розподілом імпульсної напруги та гарним грозозахисту обмотки. У переплетеній обмотці відпадає потреба в витках, що екранують, але використовуються ємнісні кільця. Застосування переплетених обмоток на даний час є, мабуть, найкращим методом захисту від імпульсних перенапруг для обмоток класів напруги від 220 до 750 кВ.
Дискова обмотка (рис.9, а) складається з ряду окремо намотаних одинарних або подвійних (спарених) котушок, кожна з яких має кілька витків, намотаних один на інший по спіралі. Залежно від напруги котушки
дискова обмотка може мати загальну для всіх витків додаткову ізоляцію, виконану зі стрічок кабельного або кріпленого паперу. Товщина додаткової ізоляції вибирається залежно від напруги обмотки; у різних котушках однієї обмотки вона також може бути різною, поступово зменшуючись від введення в обмотку до основної її частини.
Розрізняють одинарні та подвійні дискові котушки. Застосування одинарних, дискових котушок подвоює кількість пайок, причому з'єднання одинарних котушок здійснюється пайкою зовнішніх і внутрішніх кінців. Ізолювання одинарних дискових котушок зручно проводити на спеціальних ізолювальних верстатах. Намотування дискових котушок проводять обмотувальним проводом прямокутного перерізу в один або більше (до восьми) паралельних проводів. Число витків у котушці зазвичай 4-25. Намотані дискові котушки ізолюють, збирають у групи, виробляють їх технологічну обробку (пресування і сушіння), а потім з котушок (відповідно їхньому остаточному положенню в обмотці) збирають обмотку або окрему її частину. Поєднують подвійні котушки пайкою їх зовнішніх кінців, виконаних у вигляді переходів з однієї котушки (секції) в іншу. Вертикальний канал у внутрішній поверхні та горизонтальні канали між котушками утворюються П-подібними замковими прокладками з електрокартону, які збираються зі штампованих довгих та коротких (службовців «заповнювачем») пластин, що скріплюються між собою смугою-замком. При встановленні замкових прокладок в дискову котушку їх розташовують симетрично по колу, висмикуючи стовпи прокладок по вертикалі. Довгі пластини замкових прокладок утворюють в обмотці горизонтальні масляні канали, а заповнювачі вертикальні канали. Дискові обмотки є найбільш трудомісткими при виготовленні. Вони знайшли широке застосування в потужних трансформаторах. При напругах 110-330 кВ вхідна зона обмотки, а при напругах 500 кВ і вище - вся обмотка високої напруги, крім виткової ізоляції, повинна мати загальну для всіх витків додаткову (катушкову) ізоляцію. Тому в конструкції трансформаторів напругою 110-330 кВ в обмотці високої напруги в безперервній частині обмотки додають ізольовані дискові котушки вхідної зони, з'єднуючи пайкою безперервну і дискову частини обмотки. Обмотка високої напруги на напругу 500 кВ вся складається з дискових котушок або виконується переплетеною (петльовою).
До списку статей
Всього коментарів: 0