- 3. ТИПЫ ОБМОТОК. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
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.
