ОБМОТКИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Основным элементом обмотки является виток, т. е, электрический проводник, или ряд параллельно соединенных проводников, который охватывает часть магнитной системы трансформатора и в котором под действием магнитного потока этой части наводится ЭДС. Обмоткой называют совокупность витков образующих электрическую цепь, где суммируются ЭДС, наведенные в витках (с целью получения высшего, среднего или низшего напряжения трансформатора). В трехфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток ВН и НН всех трех фаз.
Рис. 35. направления намотки обмоток:
а — однослойной, б — многослойно и, в — дисковых спиральных одинарных катушек, г — дисковых спиральных парных катушек
Выбор конструкции обмотки производится с учетом мощности -трансформатора, отнесенной к одному стержню, металла проводника обмотки (меди или алюминия), тока обмотки- одного стержня, номинального напряжения обмотки и сечения витка.
Обмотки трансформатора состоят из обмоточного провода и предусмотренных конструкцией изоляционных деталей, предназначенных для защиты битков обмотки от электрического пробоя и предотвращения их смещения под действием электромагнитных сил, а также создания охлаждающих каналов, необходимых для отвода тепла от обмоток работающего трансформатора.
Обмотки различают, по направлению намотки, расположению на стержнях магнитопровода, схеме соединения отдельных элементов обмотки между собой и числу параллельных проводов.
По направлению намотки подобно резьбе винта различают правые и левые обмотки. Это относится к однослойным цилиндрическими винтовым обмоткам (рис. 35,а). Направление многослойной цилиндрической обмотки считается по направлению намотки первого внутреннего слоя (рис. 35,6). Отдельные катушки, выполненные в виде плоской спирали, не имеют направления намотки. Парные дисковые катушки считаются правыми, если провод от верхнего наружного конца идет по часовой стрелке, и левыми, если направление провода — против часовой стрелки (рис. 35, в). Это же определение распространяется и на непрерывные обмотки (рис. 35, г). Большинство обмоток трансформаторов выполняется с левой намоткой для удобства их изготовления.
Рис. 36. Расположения обмоток ВН и НН на стержне магнитопровода: а — концентрическое, 6 — чередующееся; 1 — обмотка ВН, 2 — изоляционный цилиндр,- 3 — обмотка НН
По расположению обмотки на стержне магнитопровода различают концентрические и чередующиеся обмотки. Концентрическим называют, такое расположение обмоток, когда насаженную непосредственно на стержень магнитопровода обмотку НН окружает концентрически размещенная на этом стержне обмотка ВН (рис. 36, а). Концентрически размещают только цилиндрические обмотки. Чередующимися называют обмотки НН и ВН, размещаемые на стержне магнитопровода в порядке их чередования в осевом направлении (рис. 36, б).
В соответствии с ГОСТ 11677 — 75 начала и концы первичных и вторичных обмоток силовых трансформаторов обозначают в определенном порядке. Начала обмоток однофазных трансформаторов обозначают буквами латинского алфавита А, а, концы — X, х. Большие буквы относятся к обмоткам высшего, а малые — к обмоткам низшего напряжений. Если в трансформаторе кроме первичной и вторичной есть еще и третья обмотка с промежуточным напряжением, ее начало обозначают Ат, а конец — Хт.
В трехфазных трансформаторах начала и концы обмоток обозначают: А, В, С; X, Y, Z — высшее напряжение; Лт, Вш Ст, Хт, Ут, Zw — среднее напряжение; а, Ь, с, х, у, z— низшее напряжение. В трехфазных трансформаторах с соединением фаз в звезду кроме начала обмоток иногда выводят и нулевую точку, т. е. общую точку соединения концов всех обмоток, обозначаемую О, От и о.
Схемы и группы соединений обмоток трехфазных двухобмоточных трансформаторов показаны на рис. 37. Схему соединения в звезду принято обозначать знаком Y, а в треугольник — Л. Если наружу выводят нулевую точку обмоток, такое соединение обозначают знаком Разрешается в текстовой части технической документации писать У вместо Y, Д вместо А и Ун вместо Y. Если у трансформатора обмотка высшего
напряжения соединена в звезду, а низшего — в треугольник, такое сочетание обмоток обозначают Y/Д, при выведенной нулевой точке —Y0/ л (У/Д или УН/Д). В числителе этой «дроби» всегда ставят обозначение обмотки высшего напряжения, в знаменателе — низшего. При наличии третьей, обмотки, соединенной, например, также в звезду, обозначение третьей обмотки ставят между обозначениями обмоток высшего и низшего напряжений (Y0/Y/A).
Понятия начало» и «конец» обмотки условны, поскольку при прохождении переменного тока любой конец обмотки можно назвать началом. Однако при намотке обмоток и особенно при их взаимных соединениях необходимо использовать эти понятия.
В условном обозначении на рис. 37 цифры 12 или 0 и показывают группы соединения обмоток — нулевую и одиннадцатую. В теории переменных токов синусоидально изменяющиеся во времени электрические величины (ЭДС, напряжение, ток) на диаграммах принято изображать векторами. Вектор вычерчивают в виде отрезка линии со стрелкой. Так, при изображении вектора напряжения стрелка указывает его направление; а отложенный в масштабе отрезок — его значение (в момент наибольшей амплитуды в течение периода). За единицу группы принят угол смещения вектора линейного напряжения обмотки НН относительно соответствующего вектора линейного напряжения обмотки ВН, равный 30° Смещение отсчитывают от вектора линейного напряжения ВН по часовой стрелке. Так, например, группа 0 обозначает, что векторы линейных напряжений обмоток НН не смещены относительно векторов линейных напряжений обмоток ВН, т. е. они совпадают; 11-я группа соответствует смещению линейных напряжений на 330° (11, умноженное на единицу углового смещения векторов, равную 30°).
Если направление вектора линейного напряжения обмотки ВН принять за минутную стрелку часов, а направление вектора линейного напряжения обмотки НН —-за часовую стрелку, то группа 0 (по старому стандарту нулевая группа называлась двенадцатой) будет соответствовать совпадению стрелок — двенадцати часам.
Получение той или иной группы при соединении. обмоток в схемы зависит от направления их намотки, последовательности соединения фазных обмоток и чередования фаз при соединении в звезду или треугольник. Большое значение придается направлению намотки обмоток, поскольку от этого зависит направление ЭДС, индуктированной в обмотке.
Рис. 37. Наиболее распространенные схемы и группы соединений обмоток трехфазных двухобмоточных трансформаторов
Например, если на одном стержне расположены две обмотки с одинаковым направлением намотки, направления ЭДС в обмотках совпадут, при разном направлении намотки — будут противоположны. Поэтому во избежание ошибочной сборки и соединений схем обмоток трансформаторов используется, как указывалось ранее, деление намотки обмоток на левые и правые.
При одних и тех же схемах можно образовать различные группы соединений обмоток. Возможные группы соединений обмоток трехфазных трансформаторов при схеме, широко распространенной в трансформаторах общего применения, звезда — звезда с выведенной нейтралью на стороне НН (У/Уо) показаны на рис. 38.
Получение той или иной группы соединения обмоток по схеме У/Уо можно проследить, пользуясь векторными диаграммами напряжений, где условно показаны обмотки ВН и НН с одинаковыми (левыми) направлениями намотки их витков (рис. 38, а, б) и разными (рис. 38, в). 
Рис. 38. Возможные группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов при схеме звезда — звезда с выведенной нейтралью:
а— в 0-ю группу (одинаковое направление намотки), б — в 6-,ю группу (одинаковое направление намотки, но начала и концы одной из обмоток перемаркированы), в — в 6-ю группу (разное направление намотки)
Некоторые группы соединений одинаково направленных обмоток можно получить и при схеме Y/Д.
Конструкции и схемы соединений обмоток трансформаторов разнообразны, но в трехфазных силовых трансформаторах I — III габаритов общего назначения применяются преимущественно цилиндрические однослойные, двухслойные, многослойные, непрерывные и винтовые обмотки соединенные по схеме звезда—звезда с выведенной нейтралью на стороне НН. Ниже приводится краткое описание устройства этих обмоток, что позволяет лучше понять технологию ремонта трансформаторов с изготовлением новых обмоток.
Однослойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного обмоточного провода (рис. 39, а) проста по конструкции и применяемся преимущественно в трансформаторах мощностью до 250 кВ-А в качестве, обмотки НН. Она может использоваться при больших мощностях, если в процессе изготовления подвергается специальной обработке, обеспечивающей ее механическую прочность при коротких замыканиях.
Слой обмотки составляют витки из одного или нескольких проводов, наматываемые по винтовой линии на бумажнобакелитовый цилиндр. Каждый виток в сл ое укладывается вплотную к предыдущему в осевом направлении обмотки. Начало и конец обмотки располагают на ее противоположных торцах. Однослойную обмотку наматывают и круглым обмоточным проводом.
Рис. 39. Цилиндрические обмотки силовых трансформаторов:
а — однослойная, б - двухслойная, в - многослойная, г - непрерывная, д - винтовая; 1 — витки прямоугольного провода, 2 — электрокартонная коробочка для усиления крайних витков обмотки, 3 - разрезные выравнивающие кольца, 4 — бумажно-бакелитовый цилиндр, 5 — конец первого слоя обмотки, 6 — вертикальные рейки, 7 - внутренние ответвления обмотки, 8 — опорное изоляционное кольцо, 9 — концевая изоляция, 10 и 11 — групповая и общая транспозиции витков обмотки
Для придания большей механической прочности на обмотку накладывают бандаж из стеклоленты, наматываемой с полуперекрытием поверх выравнивающих колец и крайних витков. Коробочка 2 из электрокартона толщиной 0,5 мм прикрепляется к крайнему витку одним слоем хлопчатобумажной ленты, накладываемой о полуперекрытием. Ленту приклеивают, предварительно покрыв ее тонким слоем бакелитового лака.
Двухслойная цилиндрическая обмотка (рис. 39,6) состоит из витков, намотанных в два слоя медным или алюминиевым проводом прямоугольного или круглого сечения. Витки каждого слоя обмотки укладывают так же, как в однослойной обмотке. Они переходят из слоя в слой в нижней части обмотки. Начало и конец витков выведены к верхнему торцу обмотки.
Между слоями обмотки имеются вертикальные масляные каналы, образуемые вертикально - установленными буковыми планками и полосами электрокартона и используемые для улучшения “условий охлаждения обмотки за счет циркуляции масла по этим каналам. Для выравнивания торцевой части обмотки устанавливают по торцам каждого слоя разрезные клинообразные кольца из электрокартона.
Двухслойная обмотка применяется в основном в качестве обмотки НН силовых трансформаторов мощностью до 630 кВ-А, напряжением до 690 В.
Многослойная цилиндрическая обмотка (рис. 39, в) бывает намотана, как правило, из провода круглого сечения. Намотка осуществляется плотной укладкой витков одного к другому с переходами из- слоя в слой. Намотка первого слоя производится на бумакно-бакелитовом цилиндре. Между последующими слоями укладывается несколько слоев кабельной бумаги. Для увеличения поверхности охлаждения между некоторыми слоями обмотки создают осевой канал, образованный планками из бука или рейками из клееного электрокартона.
Для защиты от механических повреждений и повышения уровня изоляции обмотки под крайние витки каждого слоя укладывают «бортик», представляющий собой узкую полосу электрокартона 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 готовой обмотки.
Многослойные цилиндрические обмотки из круглого провода применяют в качестве обмоток ВН (реже НН) масляных трансформаторов мощностью до 630 кВ-А при напряжении — 35 кВ и других трансформаторов более высоких классов напряжений.
Непрерывная обмотка (рис. 39, г) состоит из ряда катушек, намотанных непрерывно, т. е. без обрыва провода при переходе от одной катушки к другой. В непрерывной обмотке половина катушек (чаще нечетные) — перекладные. Число катушек, приходящихся на стержень, колеблется от 40 до 120; каждая катушка состоит из нескольких витков, намотанных плашмя, — один виток на другой; число витков в катушке от 2 до 40. Катушки непрерывной обмотки трансформаторов I —III габаритов намотаны на рейки из электрокартона, уложенные на бумажно-бакелитовый цилиндр, которые образуют вертикальный канал вдоль внутренней поверхности обмотки. Для создания горизонтальных каналов между катушками на рейках закрепляют прокладки из электрокартона.
Виток катушки непрерывной обмотки может состоять из одного или нескольких параллельных проводов (обычно не более четырех). При использовании нескольких параллельных проводов вместо одного провода большого сечения снижаются потери от вихревых токов в обмотке. При двух (и более) параллельных проводах в витке для выравнивания их длины и сопротивления, а также положения каждого из них в магнитном поле рассеяния при переходе из катушек в катушку применяют транспонирование (перестановку) проводов, осуществляемую в процессе намотки на каждом переходе из катушки в катушку. При выполнении транспозиции перекладка каждого провода, как правило, занимает один промежуток между прокладками, таким образом количество промежутков по окружности обмотки, занятых переходами, равно количеству параллельных проводов.
Непрерывность намотки достигается перекладыванием витков в катушках, чтобы один переход был снаружи обмотки, а второй — внутри. Переход из катушки в катушку (внутренний и наружный) осуществляется на уровне крайнего (соответственно внутреннего или наружного) витка изгибом провода на ребро. Число катушек непрерывной обмотки чаще всего четное, при этом начало и конец обмотки расположены либо оба снаружи, либо оба внутри обмотки. В каждой катушке может быть целое или дробное число витков.
Непрерывные обмотки выполняют с ответвлениями для регулирования напряжения или без них. Регулировочные ответвлений выводят от наружных (реже от внутренних) витков таким образом, чтобы число витков между соседними ответвлениями соответствовало одной ступени регулирования.
Непрерывные обмотки силовых трансформаторов I и II габаритов намотаны чаще всего алюминиевыми проводами АПБ, а более мощных на напряжение 35 кВ — медным проводом ПБ.
Входные катушки обмотки ВН на 110-кВ имеют частичную емкостную защиту (от перенапряжений) в виде емкостных колец и экранирующих витков. Емкостное кольцо представляет собой прессованную из электрокартона шайбу, обернутую металлической фольгой с разрывами для предотвращения образования короткозамкнутого витка; шайба изолирована несколькими слоями кабельной бумаги. Экранирующие витки выполняются из проводов с усиленной изоляцией и служат для выравнивания электрического поля во входных катушках.
Непрерывные обмотки из-за своих преимуществ распространены в трансформаторах широкого диапазона мощностей и напряжений. К ним относят: сравнительно простую конструкцию, высокую технологичность изготовления, большую поверхность охлаждения и большую опорную поверхность, делающую обмотку очень устойчивой по отношению к осевым усилиям, возникающим при коротких замыканиях.
Винтовая обмотка (рис. 39д) состоит из ряда витков, намотанных прямоугольными проводами по винтовой линии, откуда и ее название. В отличие от многослойной винтовая обмотка является однослойной с расположением проводов в радиальном направлении один на другом по спирали. Каждый виток обмотки состоит из нескольких одинаковых параллельных проводов. Между витками проводов установлены прокладки из электрокартона, образующие масляные каналы для отвода тепла от обмотки. Винтовую обмотку называют также многопараллельной, поскольку общее число параллельных проводников в обмотке может достигать нескольких десятков. В зависимости от числа параллельных проводов и витков винтовая обмотка выполняется одноходовой или многоходовой, т. е. состоит из одной, двух или более отдельных винтовых обмоток, вмотанных одна в другую в процессе изготовления.
Поскольку параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрически и поэтому находятся на разном расстоянии от ее оси, то, если не произвести их транспонирование, обмотки, расположенные ближе к оси, будут меньшего диаметра и, следовательно, короче, а более удаленные от оси — большего диаметра и длиннее. Разница в длине и положении в магнитном поле рассеяния параллельных проводов вызовет неравенство их активных и индуктивных сопротивлений, а следовательно, неравномерное распределение тока между ними и повышенный нагрев нижних по сечению витка проводов.
В винтовых обмотках применяют различные виды транспозиций. В одноходовой обмотке обычно используют комбинацию двух видов транспозиций: групповую, когда параллельные провода делятся на две группы и обе меняются местами, и общую, когда изменяется взаимное расположение всех параллельных проводов. Кроме того, применяют транспозицию Бюда, состоящую из двух групповых транспозиций и одной общей.
В двухходовой винтовой обмотке используют равномерно распределенную транспозицию, называемую транспозицией Хобарта. При этом виде транспозиции перестановка проводов из одной группы в другую производится через равные промежутки по всей длине обмотки. Количество перестановок в обмотке обычно равно числу параллельных проводов. Принципиальные схемы транспозиций проводов в одноходовой и двухходовой обмотках показаны на рис. 40, а, б.
Рис. 40. Принципиальные схемы транспозиции проводов в винтовых обмотках:
а — в одноходовой при групповой и общей транспозициях проводов, б — в двухходовой при равномерно распределенной транспозиции проводов.
Цифрами указаны номера транспонируемых проводов
Винтовая обмотка обладает значительной торцевой поверхностью, высокой механической прочностью и развитой поверхностью охлаждения. Она устойчива к значительным осевым усилиям, воздействующим на обмотку при коротких замыканиях. Винтовая обмотка применяется в силовых трансформаторах мощностью 1000 кВ-А и выше преимущественно в качестве обмоток НН.
Для изготовления обмоток силовых трансформаторов общего назначения применяют медные и алюминиевые обмоточные провода круглого и прямоугольного сечений изолированные: медные — несколькими слоями телефонной или кабельной бумаги (ПБ); одним слоем хлопчатобумажной пряжи (ПБО); двумя слоями хлопчатобумажной пряжи (ПБД); эмалью и одним слоем хлопчатобумажной пряжи (ПЭБО); лакостойкой эмалью и одним слоем хлопчатобумажной пряжи (ПЭЛБО); несколькими слоями телефонной или кабельной бумаги и открытой спиралью из хлопчатобумажной пряжи (ПББО); алюминиевые — несколькими слоями телефонной или кабельной бумаги (АПБ); двумя слоями хлопчатобумажной пряжи (АПБД); несколькими слоями телефонной или кабельной бумаги и открытой спиралью из хлопчатобумажной пряжи (АПББО).
При необходимости получения обмотки с более плотной укладкой витков, а также устранения засорения масла ворсинками хлопчатобумажной пряжи используют обмоточные провода марок ПБ и АПБ, изолированные двумя слоями бумаги.
