Обмотка ВН обычно выполняется секционной непрерывной, состоящей из ряда секций, причем переход от одной секции в другую осуществляется поочередно, то на наружной боковой поверхности секции, то на внутренней (рис. 11), т. е. от наружного или внутреннего витка.
Рис. 11. Схема расположения концов непрерывной обмотки. a и б — четное число катушек; в — нечетное число катушек; I — изоляционный цилиндр; 2 - наружный переход; 3 — внутренний переход.
Рис. 12. Схема намотки петлевой (переплетенной) обмотки.
а — расположение витков; б — направление тока в витках катушки.
Такие обмотки имеют до 10—25 витков в секции, и поэтому получается значительная ширина секции в радиальном направлении, что позволяет получить большую торцовую опорную поверхность и, следовательно, большую стойкость к динамическим воздействиям от токов к. з.
Для снижения потерь от вихревых токов в крайних катушках (секциях) обмотки наматываются из подрав- деленного провода, состоящего из двух элементарных изолированных проводников.
Для трансформаторов на напряжение 500 кВ и выше в настоящее время применяется переплетенная обмотка (петлевая непрерывная). Эта конструкция лучше обеспечивает требуемый уровень импульсной прочности изоляции (рис. 12). Переплетение витков соседних секций положительно сказывается на первоначальном распределении импульсных напряжений и позволяет отказаться от экранирующих витков и дополнительной изоляции дисковых входных катушек. Недостатком такой обмотки является увеличение межвитковых напряжений, что требует усиления витковой изоляции, усложняет технологию изготовления обмотки и требует более высокого качества провода.
Так как простая непрерывная обмотка не имеет достаточной прочности к импульсным перенапряжениям, входная зона и зона на конце обмотки снабжаются дисковыми секциями, имеющими дополнительную катушечную (общую для всех витков секции) изоляцию, выполненную из лент кабельной или крепированной бумаги. Толщина изоляции зависит от напряжения обмотки.
В трансформаторах, изготовленных до 1968 г., применялась бумага для дополнительной изоляции, которая при опрессовке не склеивалась в монолит и в эксплуатации происходило разбухание дополнительной изоляции от воздействия горячего масла. Впоследствии стали применять кабельную бумагу в два слоя с покрытой лаком поверхностью, благодаря чему при опрессовке с нагревом лак запекается и дополнительная изоляция, получая жесткость, не разбухает под воздействием масла и сохраняются первоначальные размеры масляных каналов.
Дисковые катушки во входных зонах обмотки ВН используются в трансформаторах 220, 330 и 500 кВ. Некоторые трансформаторы (разработанные до 1962 г.) на напряжение 500 кВ (не имеющие переплетенной обмотки) имеют обмотку ВН, целиком выполненную из дисковых секций с дополнительной изоляцией. Но трансформаторы последних лет разработки совсем не имеют дисковых катушек.
В большинстве автотрансформаторов обмотка СН (т. е. общая часть) выполняется как и обмотка ВН. В некоторых трансформаторах для обмотки СН используется транспонированный провод.
Обмотки НН выполняются винтовыми (спиральными), представляющими собой однозаходную или многозаходную спираль, в которой каждый виток ветви состоит из большого числа (от 4 до 40) проводников. Отдельные хода (ветви обмотки) соединяются параллельно. Параллельные проводники винтовой обмотки расположены на различном расстоянии от оси обмотки, и поэтому длина их и положение относительно магнитного потока различны, что приводит к возникновению уравнительных токов. Устранение этого явления достигается транспозицией (поочередной переменой места) проводников витка или применением транспонированного провода, состоящего из большого числа (до 30) элементарных изолированных проводников, транспонированных при изготовлении провода. При этом все проводники витка поочередно занимают все места в витке, различно удаленные от оси обмотки, и таким образом выравнивается их длина, сопротивление и наводимая э. д. с.
Использование транспонированного провода упрощает транспозицию при намотке обмотки, так как при однослойной обмотке не требуется вообще транспозиции витков, а при двухслойной достаточно транспонировать виток 1—2 раза. Применение транспонированного провода позволяет значительно снизить потери от вихревых токов в крайних витках обмотки.
Главная изоляция обмоток по отношению к магнитопроводу, баку и к другим обмоткам подвергается электрическим воздействиям от рабочего напряжения, коммутационных и атмосферных перенапряжений, механическим воздействиям от токов короткого замыкания, тепловым— от нагрева проводов током нагрузки, воздействиям переменного электрического поля и химическим — вследствие происходящих в трансформаторе химических процессов, вызванных окислением масла и влиявшем посторонних примесей.
При плохом состоянии (увлажнении) изоляции может происходить ее нагрев в переменном электрическом поле вследствие наличия диэлектрических потерь, которые •в свою очередь зависят от температуры изоляции и возрастают с ее повышением.
Наиболее вредными примесями, оказывающими химическое воздействие на изоляцию, являются: влага, газовые включения в изоляции и посторонние примеси. При увеличении содержания влаги в изоляции за счет абсорбирования воды, содержащейся в масле, снижается ее электрическая прочность и возрастают диэлектрические потери, т. е. нагрев. В оставшихся в толще изоляции газовых включениях (пузырьки воздуха) при воздействии сильного электрического поля возникает корона, т. е. слабые местные разряды, которые вызывают разрушение бумажной изоляции. Наличие растворенных газов в жидкой изоляции снижает ее электрическую прочность, так как электрическая прочность воздуха меньше, чем прочность масла, и, кроме того, кислород ускоряет старение твердой изоляции. Такое же влияние оказывают и посторонние механические примеси в масле, вследствие того что они способствуют переходу растворенной в масле воде в дисперсное состояние, а также вследствие создания проводящих «мостиков», по которым возможен пробой.
Из вышесказанного видно, что главная изоляция в трансформаторах работает в весьма тяжелых и сложных условиях. Учитывая важнейшую, основную роль главной изоляции в трансформаторе, необходимо обеспечивать высокое качество как изоляционных материалов, так и изоляционных конструкций узлов главной изоляции.
В крупных трансформаторах главная изоляция выполняется в виде масло-барьерной, т. е. состоящей из цилиндров, перегородок, шайб из бумаги или электрокартона, промежутки между которыми, а также между ними и заземленными или токоведущими частями заполнены маслом.
Электрическая прочность такой изоляции определяется прочностью масляных промежутков и диэлектрическими свойствами барьеров (цилиндров, угловых шайб) и зависит от расположения барьеров и других конструктивных элементов (рис. 13).
Цилиндры, расположенные между обмоткой и стержнем магнитопровода и между обмотками, выполняются из нескольких слоев тонкого электрокартона, собираемых при сборке активной части трансформатора. Цилиндры устанавливаются на изоляционные детали, расположенные на ярмовой изоляции нижней консоли.
В состав ярмовой изоляции входят элементы жесткие, составляемые из нескольких слоев картона, скрепленных вместе и снабженных электрокартонными прокладками, и мягкие электрокартонные угловые шайбы. Ярмовая изоляция является изоляционным барьером между обмотками и нижней консолью, а также между выводным концом обмотки и полкой консоли. Перегородки между внешней обмоткой (ВН) и баком выполняются жестким электрокартонным цилиндром, опирающимся на выступы прокладок ярмовой изоляции. Эти же цилиндры являются междуфазовыми перегородками в трехфазных трансформаторах и выполняются иногда не на полную высоту обмотки, т. е. только в тех местах, где имеется значительная разность потенциалов между ближайшими точками обмоток разных фаз (тогда цилиндры опираются на выступающие концы дистанцирующих прокладок обмотки).
Рис. 13. Расположение барьеров в главной изоляции трансформаторов.
а — класса 110 кВ: б — класса 500, 1 — стержень магнитопровода; 2— ярмо; 3 -обмотка НН; 4 — обмотка СН: 5 обмотка ВН; 5 - изоляционные электрокартонные цилиндры; 7 угловые шайбы: 8 — междуфазовая перегородка: 1 - ярмовый барьер.
Для создания масляных каналов между секциями обмотки при изготовлении ее между секциями устанавливаются дистанцирующие прокладки, закрепленные
концом с фасонным («ласточкин хвост») вырезом па продольных рейках, расположенных на внешней и внутренней сторонах обмотки. Эти детали (прокладки, рейки) изготовляются из электрокартона и относятся к изоляции трансформатора.
Расстояние между двумя соседними рейками называется «полем» обмотки. Масляные каналы между различными секциями могут иметь различные размеры, которые определяются по изоляционным соображениям и проверяются по условиям охлаждения секций. Минимальный размер канала по условиям охлаждения не должен быть менее 4 мм, по которой волна в (первый момент распределяет соответствии с величиной емкости отдельных частей обмотки.
При этом начальное распределение напряжения р ко отличается от конечного (после прекращения колебаний) распределения, которое при заземленной нейтрали является теоретически прямолинейным (рис. 14), т. е. в начале обмотки максимальное напряжение, а у нейтрали напряжение равно нулю. Волны перенапряжений приходят с линии и поэтому в первую очередь оказывают воздействие на изоляцию входных секций и витков, причем на входную часть обмотки попадают максимальные градиенты (т. е. разности потенциалов между соседними витками). При колебаниях максимальные амплитуды напряжения могут возникнуть и внутри обмотки.
Для защиты изоляции обмотки применяются различные способы, сводящиеся к изменению емкостей витков или секций обмотки, чтобы обеспечить большие продольные емкости и тем самым получить начальное более равномерное распределение напряжения по виткам, т. е. приближающееся к конечному распределению, что исключит возникновение колебаний во время переходного процесса, влекущих значительное повышение амплитуды напряжения и градиентов по обмотке.
Рис. 14. Распределение напряжения волны вдоль обмотки с заземленной нейтралью.
1 — начальное; 2 — конечное; 3— огибающая максимальных напряжений.
Изменение емкости витков достигается присоединением к ним специальных экранирующих витков или емкостных колец, создающих дополнительные емкости (рис. 15). Экранирующие витки представляют собой незамкнутые витки, имеющие усиленную изоляцию, расположенные около входных витков обмотки (с внешней стороны секции) и присоединяемые к первому входному витку обмотки.
Рис. 15. Схема емкостной защиты обмотки BII. а — расположение экранирующих витков и емкостного кольца; б — схема распределения емкостей в обмотке, е - - распределение напряжения относительно земли в обмотке с экранирующими витками при заземленном конце обмотки; 1 — емкостное кольцо; 2 — катушка с усиленной изоляцией; 3 — экранирующие витки; 4 — начальное распределение напряжения; 5 — конечное распределение напряжения
Различная емкость экранирующие витков по отношению « экранируемым секциям достигается различным расстоянием между ними, обеспечиваемым различной толщиной прокладок. Наибольшей емкостью обладает первый экранирующий виток.
Для снижения максимальных градиентов между витками первых катушек применяются емкостные кольца, расположенные при вводе в середину обмотки ВН между первыми катушками половин обмотки. Емкостное кольцо по ширине равно ширине обмотки (в радиальном направлении) и представляет собой электрокартонную шайбу с навитой на нее медной лентой, изолированной бумагой. Лента навивается не на всю окружность шайбы, чем создается разомкнутый виток, присоединенный к первому входному витку обмотки. Благодаря дополнительной емкости, создаваемой емкостным кольцом между первым и последующими витками первой катушки, перенапряжения, приходящиеся на эту катушку, распределяются но ее виткам более равномерно. Кроме того, выполнение емкостного кольца с закругленными краями обеспечивает выравнивание электрического поля у краев обмотки. Обмотки наматывают Ii3 провода прямоугольного сечения, и поэтому около крайнего витка крайней катушки, являющегося в степени «острием», напряженность поля оказывается повышенной по сравнению с другими участками обмотки, т. е. изоляция работает в более тяжелых условиях, и чтобы не усиливать изоляцию, достаточно [уничтожить это «острие». Закругленная кромка емкостного кольца, являющегося эквипотенциальным витком с крайним витком обмотки, и обеспечивает отсутствие «острия» с повышенной напряженностью поля. С этой целью емкостные кольца устанавливаются не только во входной зоне обмоток ВН и Н, но также у крайних катушек обмоток СН и иногда НН (рис. 16).
Для защиты входных катушек обмотки ВН от перенапряжений применялась до 1967 г. дополнительная изоляция этих катушек. Для защиты входных катушек обмоток 330 кВ в последнее время стала использоваться так называемая градированная изоляция, т. е. различная емкость входных катушек достигается различной толщиной изоляции входных катушек и различным размером масляного канала между катушками, причем у первых катушек он равен 4—5 мм и увеличивается постепенно до 9—40 мм.
В трансформаторах на напряжение 500 кВ последних лет разработки не применяется дополнительная изоляция входных катушек обмотки ВН, а грозоупорность достигается применением упомянутой выше петлевой обмотки (см. рис. 12). Иногда применяется обмотка а шихтованными катушками во входной зоне.
Рис. 16. Разрез обмоток понижающего автотрансформатора напряжением 220 кВ.
1 - верхняя консоль; 2 — нейтральный отвод обмоток ВН и СН; 3 — изоляционный цилиндр обмотки НН. 4 — прессующее кольцо обмотки НН: 5 то же обмотки СН; 6 —опорное кольцо обмотки НН: 7 — рейка обмотки НН: в обмотка НН; 5 - цилиндры из электрокартона между обмотками СН и НИ; 10— планки электрокартона между цилиндрами; II— рейка обмотки СН; 12 — обмотка СН; 12 — цилиндры между обмотками СН и ВН; 14 — шайбы; 15 — ярмовая изоляция: 16—уравнительная прокладка: 17 — нижняя консоль; 18 — прессующее кольцо обмотки ВН; 19 — обмотка ВН; 20 — экранирующие витки; 11 — емкостные кольца.
Для того чтобы обмотки обладали необходимой устойчивостью к динамическим воздействиям, возникающим при прохождении токов к. з., они должны обладать достаточной жесткостью. Обмотка не является монолитным телом, а состоит из огромного количества отдельных проводников, заложенных в определенном порядке в нитки, в катушки, секции и скрепленных в таком положении изоляционными деталями — обмоточной бумагой, прокладками, шайбами из электрокартона, электрокартонными цилиндрами и т. п. деталями, не имеющими сами по себе большой механической прочности. Для достижения общей прочности, принятой в расчете, и устойчивости обмотки витки ее должны быть крепко прижаты один к другому и к разделяющим их изоляционным деталям, чтобы за счет трения создать достаточное сопротивление сдвигу и смятию обмотки от динамических воздействий.
Такое прижатие осуществляется прессовкой обмоток как в процессе изготовления отдельных обмоток, так и главным образом во время сборки активной части, т. е. ври насаживании обмоток «а магнитопровод и при окончательной оборке после установки и закреплении верхней консоли. Прессовка осуществляется прессующими винтами или домкратами, упирающимися в верхнюю консоль и прессующие кольца, передающие усилие прессовки на обмотку. Прессующие кольца выполняются из стали и имеют вырез, чтобы не получалось короткозамкнутого витка с циркулирующим током. Для снижения добавочных потерь в кольцах их делают из маломагнитной стали и в последнее время появились кольца, навитые из листовой трансформаторной стали с проклейкой и запечкой витков.
