Многослойные цилиндрические обмотки из круглого провода

В трансформаторах мощностью от 25 до 630 кВА наш­ли широкое применение многослойные цилиндрические обмотки из круглого медного или алюминиевого провода

Рис. 5.20. Многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода.

Рис. 5.21. Изоляция в торцовой части многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода.

в качестве обмоток ВН при напряжениях от 3 до 35 кВ и обмоток НН при напряжениях от 3 до 10 кВ (рис. 5.20). В многослойной цилиндрической обмотке с последова­тельным соединением слоев вследствие значительного чис­ла витков в слое между соседними витками, лежащими в разных слоях, могут возникнуть значительные напряжения. Так, между первым витком какого-либо слоя и рядом ле­жащим последним витком последующего слоя при нор­мальной работе трансформатора возникает рабочее, а при испытании индуктированным напряжением — испытатель­ное напряжение двух слоев обмотки. В трансформаторах мощностью до 630 кВА при классе напряжения от 3 до 35 кВ суммарное рабочее напряжение двух слоев может достигнуть 5000—6000 В, а испытательное 10 000—12 000 В. Собственная изоляция провода в этих условиях оказыва­ется недостаточной, и для обеспечения электрической проч­ности обмотки приходится применять дополнительную изо­ляцию между слоями. В качестве такой междуслойной изоляции с успехом применяется кабельная бумага, поло­женная в несколько слоев (рис. 5.21). Применение меньше­го числа слоев более толстого электроизоляционного кар­тона не оправдывает себя, так как картон менее эластичен, чем кабельная бумага, и при намотке сильно натянутого провода при не совсем гладкой поверхности обмотки иног­да дает местные изломы, что в дальнейшем приводит к пробою междуслойной изоляции.

Для предохранения обмотки от разряда между сосед­ними или вообще различными слоями по ее торцовой по­верхности высота междуелойной изоляции делается обыч­но большей, чем высота слоя обмотки, на 20—50 мм (на две стороны), благодаря чему искусственно увеличивается длина пути возможного разряда. Для выравнивания высо­ты слоя обмотки с высотой междуслойной изоляции и со­здания твердой опорной поверхности обмотки к каждому слою обмотки прикрепляются так называемые бортики, т. е. свернутые в кольцо полоски электроизоляционного карто­на толщиной, равной толщине слоя. При намотке обмотки эти бортики предварительно приклеиваются к более широ­ким (40—50 мм) полоскам телефонной бумаги (толщиной 0,05 мм), а затем эти полоски укладываются на междуслойную изоляцию и прижимаются крайними витками сле­дующего слоя.

Витки, лежащие во внутренних слоях многослойной ци­линдрической обмотки, не имеют непосредственного сопри­косновения с охлаждающей средой — маслом или возду­хом. Тепло, выделяющееся в этих витках, должно прохо­дить в радиальном направлении через толщу слоев проводов и междуслойной изоляции, отделяющих эти слои от охлаждающего канала. При прохождении теплового потока через толщу обмотки возникает внутренний пере­пад температуры тем больший, чем больше число слоев об­мотки и толщина междуслойной изоляции, и достигающий в отдельных случаях 10—12°С.

Для уменьшения этого перепада температуры старают­ся увеличить общую поверхность охлаждения и уменьшить радиальный размер обмотки. Этого можно достигнуть, раз­делив всю обмотку на две катушки с осевым каналом между ними.

Рис 5.22. Различные варианты выполнения многослойной цилиндрической обмотки:

а – обмотка ВН на цилиндре; б – обмотка ВН на рейках; в – обмотка НН; г – обмотка ВН на цилиндре с каналом; д – обмотка ВН на рейках с каналом

В обмотках НН, располагаемых между стержнем и обмоткой ВН, такой охлаждающий канал делит обмотку на две катушки с одинаковым числом слоев (рис. 5.22, в). В обмотках ВН, у которых внешняя поверхность свободно обтекается маслом и охлаждается лучше, чем внутренние поверхности, число слоев внутренней катушки составляет от 1/3 До 2/3 общего числа слоев. Расположение обмотки на цилиндре для различных вариантов может быть выполнено по рис. 5.22, а, б, г, д. С учетом этого перепада темпера­туры рекомендуется ограничивать перепад на охлаждаемой поверхности обмотки и допускать плотность теплового по­тока не более 800—1000 Вт/м².

Уменьшению внутреннего перепада температуры спо­собствует также пропитка обмотки лаком. Главной целью пропитки является склеивание витков обмотки между со­бой и с междуслойной изоляцией, чем создается повыше­ние механической прочности обмотки при коротких замы­каниях трансформатора. Электрическая прочность внут­ренней изоляции обмотки от пропитки лаком не повыша­ется, а в рассматриваемых многослойных цилиндрических обмотках, пропитываемых обычно простым погружением в лак с выдержкой в лаке без вакуумирования, даже несколько понижается. Понижение электрической прочности внутренней изоляции обмотки в этом случае объясняется пузырьками воздуха, остающимися главным образом меж­ду листами междуслойной изоляции. Для более полного удаления воздуха из обмотки рекомендуется производить пропитку лаком под вакуумом.

Многослойная цилиндрическая обмотка может быть на­мотана одним круглым проводом, а также, редко, двумя параллельными круглыми проводами. Ввиду того что все параллельные провода каждого витка располагаются у такой обмотки в одном и том же слое и, следовательно, сцеплены практически с одной и той же частью потока рас­сеяния, обмотка этого типа при последовательном соедине­нии слоев не требует транспозиции параллельных прово­дов.

Пределы применения обмотки этого типа по току опре­деляются сортаментом круглого медного обмоточного про­вода от наименьшего сечения 0,1134 мм2 при диаметре 0,38 мм до двух параллельных проводов наибольшего диаметра 5,20 мм и сечения 2х21,22 = 42,44 мм². Это соответствует максимально возможному току обмотки одного стержня до 40—60 А при одном проводе и до 80—120 А при двух па­раллельных проводах в медных обмотках.

Круглый алюминиевый провод применяется диаметра­ми от 1,32 до 8 мм и сечениями от 1,37 до 50,24 мм², что соответствует максимально возможному току обмотки 120—130 А, поскольку обмотки из провода диаметром 6— 8 мм наматываются только в один провод.

Так же как и в других цилиндрических обмотках, вы­сота каждого слоя (осевой размер обмотки) определяется числом витков в слое, увеличенным на единицу.

В случае применения многослойной цилиндрической об­мотки в качестве обмотки ВН витки, служащие для ре­гулирования напряжения, располагаются в наружном слое обмотки или при большом числе слоев в двух наружных слоях. Регулировочные ответвления часто делаются путем вывода петли обмоточного провода без обрыва его (рис. 5.23, в). Эти ответвления выводятся к верхней торцовой части обмотки и укладываются под верхний слой витков по образующей или под хлопчатобумажную киперную ленту, которой обмотка обматывается по наружной цилиндричес­кой поверхности для повышения механической прочности (рис. 5.23, а к б). Для изоляции ответвления от слоев об­мотки, между которыми оно проходит, обычно применяют ся полоски электроизоляци­онного картона толщиной 0,5 и шириной 20—30 мм.

Рис. 5.23 Расположение регулировочных ответвлений в многослойной цилиндрической обмотке

а – под верхним слоем витков

б – под бандажом из киперной ленты

в – выполнение ответвления

Витки, отключаемые при регулировании напряжения на каждой ступени, должны быть разделены на две рав­ные группы, расположенные в верхней и нижней полови­нах слоя симметрично отно­сительно середины высоты обмотки. Такое расположе­ние уменьшает осевые силы,

действующие на всю обмотку, и силы, действующие на от­дельные витки внешнего слоя при коротком замыкании трансформатора. По условиям механической прочности применение многослойной обмотки из круглого провода ог­раничивается трансформаторами мощностью не более 630 кВА.

Межслойная изоляция рассчитывается по суммарно­му рабочему напряжению двух слоев обмотки. Обмотки с рабочим напряжением до 11—15 кВ оказываются при этом достаточно прочными и при воздействии на них импульс­ных перенапряжений. В обмотках с рабочим напряжением 35 кВ для сглаживания неравномерного распределения напряжений при импульсах хорошие результаты дает раз­мещение под внутренним слоем обмотки металлического немагнитного экрана (рис. 5.21) — медного, латунного или алюминиевого листа толщиной 0,4—0,5 мм, свернутого в виде разрезанного цилиндра. Разрез шириной 30—40 мм по образующей цилиндра делается во избежание образова­ния из цилиндра короткозамкнутого витка. Высота экра­на принимается обычно равной высоте обмотки l. Экран изолируется от первого (внутреннего) слоя обмотки межслойной изоляцией из кабельной бумаги. Такая же изо­ляция укладывается под экран.

При наличии экрана ввод линейного конца делается к внутреннему слою обмотки и экран электрически соединя­ется с началом обмотки.

В обмотках напряжением 35 кВ имеющих экран, отпадает необходимость усиления изоля­ции входных витков (или слоев).

Во избежание пробоя витковой изоляции вследствие подъема напряжения у нейтрали при воздействии на об­мотку импульсного перенапряжения усиливается изоляция последних четырех-пяти витков на каждой ступени регу­лирования напряжения.

В производстве многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода для трансформаторов мощностью до 630 кВА является более простой и дешевой по сравнению с применяемой иногда непрерывной катушечной обмоткой, поскольку позволяет вести намотку непрерывным прово­дом без перекладки витков и точной укладки их в катушки, с частотой вращения оправки, на которой наматывается об­мотка, до 100—200 об/мин.

Кроме простоты намотки этот тип представляет боль­шие удобства в выполнении регулировочных ответвлений. При выполнении изоляционного цилиндра между обмотка­ми ВН и НН в виде «мягкого» цилиндра, намотанного из рольного электроизоляционного карто­на или кабельной бумаги, обмотки ВН и НН на один стержень трансформа­тора могут быть изготовлены в обмо­точном цехе в виде готового комплек­та, что в значительной мере облегчает установку обмоток на стержень и уп­рощает сборку трансформатора.

Многослойной цилиндрической ка­тушечной обмоткой называется обмот­ка, составленная из ряда отдельных, расположенных в осевом направлении катушек, представляющих собой мно­гослойные цилиндрические обмотки.

Рис. 5.24 Двойная (а) и одинарная (б) катушки. Межслойная изоляция картон (а) и кабельная бумага (б)

Многослойная цилиндрическая ка­тушечная обмотка, как правило, вы­полняется из одного круглого провода без применения параллельных прово­дов. Для удобства сборки такая обмотка обычно выполняется в виде спаренных катушек, из ко­торых одна наматывается правой, а другая левой намот­кой. Применение различного направления намотки в сосед­них катушках позволяет производить их последовательное соединение, соединяя вместе одноименные, например внут­ренние, концы. При этом начало и конец каждой такой пары катушек будут находиться на наружной поверхности обмотки. Такие две последовательно соединенные катуш­ки правой и левой намоток, имеющих начало и конец на наружной поверхности, комплектно изготовленные, носят название двойной катушки (рис. 5.24, а). Каждая из двух одинарных простых катушек, входящих в двойную, может отличаться от другой катушки не только направлением на­мотки, но и числом витков, изоляцией, витковой и межслойной, а в отдельных случаях даже сечением провода. Применение в многослойной цилиндрической катушечной обмотке двойных катушек обусловливает обязательное чет­ное число одинарных катушек на стержне трансформатора.

ВИНТОВЫЕ ОБМОТКИ

Одноходовой винтовой обмоткой трансформатора назы­вается обмотка, витки которой следуют один за другим в осевом направлении по винтовой линии, а сечение каждого витка образовано сечениями нескольких параллельных про­водов прямоугольного сечения, расположенными в один ряд в радиальном направлении обмотки (рис. 5.25, а). Обычно витки обмотки разделяются радиальными масля­ными или воздушными охлаждающими каналами. В неко­торых обмотках эти каналы могут быть сделаны через два витка. Винтовая одноходовая обмотка может быть намота­на и без радиальных каналов с плотным прилеганием вит­ка к витку.

Обмотка, состоящая из двух (или более) одноходовых обмоток, взаимно расположенных подобно ходам резьбы двухходового (многоходового) винта, назыается двухходо­вой (многоходовой) винтовой обмоткой. Сечение витка при этом образуется общим поперечным сечением проводов всех ходов. Эта обмотка также может быть выполнена с ради­альными каналами между всеми витками и внутри витков между образующими их ходами, или с каналами только между витками и без каналов внутри витков, или совсем без радиальных каналов с плотным прилеганием всех хо­дов.

Винтовая обмотка выполняется только из прямоугольно­го провода. При этом все параллельные провода этой об­мотки обязательно должны иметь равные не только пло­щади, но и размеры поперечного сечения. При несоблюде­нии этого правила становится невозможным уравнивание

Рис. 5.25. Винтовая обмотка:

а – одноходовая их шести витков; б – двухходовая из четырех витков.

сопротивлений параллельных проводов путем их переклад­ки в процессе намотки обмотки.

В ряде случаев, когда сечение витка по расчету получа­ется весьма значительным, могут быть приняты две груп­пы параллельных проводов и обмотка выполнена в виде двухходовой. На рис. 5.25, б изображена двухходовая вин­товая обмотка. Сравнительно редко применяется четырехходовая обмотка.

Обе группы проводов у начала и конца обмотки соеди­няются параллельно. В большинстве случаев в двухходо­вых обмотках радиальные каналы выполняются как меж­ду витками, так и внутри витка между группами проводов (рис. 5.26, б). Иногда для экономии места по высоте обмотки радиальные каналы делаются только между витками и обе группы проводов в каждом витке наматывают­ся вплотную с прокладкой между группами толщиной 0,5— 1,0 мм (см. рис. 5.26, в). Прокладка обеспечивает механи­ческую устойчивость обмотки. Двух- и четырехходовая винтовая обмотка может быть также выполнена совсем без радиальных каналов и без прокладок в витках и между витками (рис. 5.26, г).

Обычно винтовая обмотка наматывается на жестком бумажно-бакелитовом цилиндре на рейках, расположенных по образующим цилиндра. Для мощных трансформаторов

Рис. 5.26. Сечение витка винтовой обмотки:

а – одноходовой; б – двухходовой с каналом между двумя группами проводов; в – двухходовой бех канала внутри витка; г – двухходовой без радиальных каналов.

(более 10 000 кВ*А на один стержень) обмотка может быть намотана на специальной оправке, затем снята с нее и при насадке на стержень изолирована от него мягким цилинд­ром из электроизоляционного картона. Радиальные каналы между витками в обоих случаях образуются междувитковыми прокладками из электроизоляционного картона, на­низываемыми на рейки.

В винтовой обмотке параллельные провода наматывают­ся на цилиндрических поверхностях с разными диаметра­ми. Вследствие этого активные сопротивления параллельных проводов получаются неравными. В трансформаторах с концентрическим расположением обмоток ВН и НН поле рассеяния направлено в осевом направлении обмоток. В радиальном направлении по ширине каждой из обмоток индукция поля рассеяния возрастает по прямой линии от внешнего края обмотки к каналу между обмотками ВН и НН (рис. 5.27). Различное положение проводов в поле

Рис. 5.27. Схема транспозиций параллельных проводов в одноходовой обмотке:

а — четное число проводов; б — нечетное число проводов

рассеяния обмотки приводит к неравенству реактивных, а следовательно, и полных сопротивлений параллельных проводов. Для выравнивания полных сопротивлений проводов во избежание неравномерного распределения тока в винтовой обмотке обязательно должна производиться транспозиция (перекладка) проводов.

В одноходовой обмотке обычно применяют комбинацию двух видов транспозиции— групповую, когда все параллельные провода делятся на две или большее число групп и изменяется взаимное расположение этих групп без изменения расположения проводов в группе, и общую, при которой изменяется взаимное расположение всех проводов. При применении транспозиции этих видов обмотка делится по длине на четыре равных участка, содержащих по 1/4 всех витков обмотки. На границах этих участков производится три транспозиции — две групповые на 1/4 и 3/4 общего числа витков, считая от начала обмотки, и одна общая на 2/4 общего числа витков. В групповых транспозициях все параллельные провода делятся на две равные группы (при нечетном числе проводов одна из групп имеет на один провод больше, чем другая). В общих транспозициях каждый провод перекладывается самостоятельно. Принципиальная схема транспозиции для одноходовой обмотки из шести параллельных проводов показана на рис. 5.27, а. Такой же способ транспозиции может быть применен и при нечетном числе параллельных проводов, например при пяти проводах (рис. 5.27, б).

Для получения правильной транспозиции, дающей действительное выравнивание сопротивлений проводов, необходимо группировать провода так, чтобы в обеих групповых транспозициях в одни и те же группы соединялись одни и те же проводники, как это показано на рис. 5.27. Чтобы проверить правильность схемы транспозиций, достаточно для каждого провода просуммировать номера мест, которые он занимает в витке на всех четырех участках обмотки. Так по рис. 5.27, а для провода 1, выделенного жирной линией, эта сумма дает 1+4+3+6=14, по рис. 5.27, б для соответствующего провода 1+4+2+5=12. В правильно транспонированной обмотке такие суммы для всех параллельных проводов должны получаться равными между собой. Нетрудно убедиться, что в схемах транспозиций обмоток, изображенных на рис. 5.27, это правило соблюдается.

Необходимо заметить, что такая транспозиция является совершенной только для четырех параллельных проводов. При большем числе проводов эта транспозиция не является полностью совершенной, однако у силовых трансформаторов общего назначения дает почти равномерное распределение тока между параллельными проводами и относительно малые добавочные потери.

При числе параллельных проводов обмотки от 12—15 и больше применяются и более сложные схемы транспозиций [6].

Внешний вид общей и групповой транспозиции показан на рис. 5.28. Как видно из рисунка, каждая такая транспозиция увеличивает осевой размер обмотки на высоту витка и радиального канала. Таким образом, общий осевой размер (высота) обмотки при двух групповых и одной общей транспозициях увеличивается на высоту трех витков и трех каналов. Следует также помнить, что за счет совпадения на одной образующей начала и конца обмотки осевой размер увеличивается еще на высоту одного витка и одного канала.

В двухходовой винтовой обмотке в каждом ее ходу могут быть также сделаны групповые и общие транспозиции. Однако в такой обмотке можно применить и другой, более совершенный вид транспозиции. Сечение витка такой обмотки, изображенное на рис. 5.29, состоит из двух групп проводов. Идея транспозиции заключается в постепенном круговом перемещении проводов в сечении витка по мере намотки обмотки так, чтобы каждый провод побывал во всех возможных положениях, проходя в них равные отрезки (выражаемые обычно в числе витков). В отличие от групповой и общей транспозиций, сосредоточенных в трех точках обмотки, такую транспозицию можно назвать равномерно распределенной. Обычно в двухходовой обмотке число транспозиций делают равным числу параллельных проводов или их удвоенному числу. На рис. 5.29 показана схема равномерно распределенной транспозиции в двухходовой обмотке из восьми параллельных проводов. Во избежание усложнения чертежа на схеме показано перемещение только двух проводов — 1 и 5.

Расстояния между двумя транспозициями при числе параллельных проводов n_в принимаются равными 1/n_в общего числа витков обмотки, а крайние участки у начала и конца обмотки вполовину короче, т. е. 1/2 n_в общего числа витков.

Рис.5.28. Увеличение высоты одноходовой обмотки при транспозиции обмотки из четырех проводов:

а – групповая транспозиция; б – общая транспозиция

Рис.5.29. Схема равномерно распределенной транспозиции в двухходовой обмотке из восьми параллельных проводов

По схеме рис. 5.29 нетрудно убедиться в том, что при таком распределении транспозиций каждый провод по мере прохождения по длине обмотки пройдет каждое из n_в возможных положений в сечении витка на 1/n_в общей длины обмотки.

Практически равномерно распределенная транспозиция выполняется так, как показано на рис. 5.30. Верхний провод 4 левой группы отгибается вправо и становится верх ним проводом правой группы.

Рис. 5.30. Выполнение равномерно распределенной транспозиции

Одновременно нижний провод 8 правой группы переходит нижним проводом в левую группу. Провода левой группы 1, 2 и 3 поднимаются на одно положение вверх, а провода 5, 6 и 7 правой опускаются на одно положение вниз.

Равномерно распределенная транспозиция в двухходовой обмотке может быть сделана при любом числе параллельных проводов и дает более полное уравнение их сопротивлений, чем групповые и общие транспозиции. Другое преимущество равномерно распределенной транспозиции заключается в том, что она не требует добавочного места по высоте обмотки. Однако при определении изоляционных расстояний следует учитывать, что в местах транспозиции радиальный размер обмотки увеличивается на одну толщину провода.

В четырехходовой обмотке равномерно распределенная транспозиция выполняется самостоятельно в каждой паре ходов. Поэтому трехходовая винтовая обмотка с такой транспозицией обычно не применяется, но винтовая обмотка с любым числом ходов может быть выполнена из транспонированного провода (см. § 5.2). При этом отпадает необходимость в дополнительной транспозиции параллельных проводников, помимо той, которая сделана в самом проводе.

Плотность тока в обмотках силовых трансформаторов, выпускаемых в последние годы с относительно малыми потерями короткого замыкания, составляет в медных обмотках около 2·10⁶ - 3·10⁶ (иногда до 3,5·10⁶) и в алюминиевых 1,2·10⁶ - 2·10⁶А/м². При такой плотности тока потери в единице объема обмотки и плотность теплового потока на осевых и радиальных охлаждаемых поверхностях витков невелики и возникает возможность существенного уменьшения числа каналов в обмотке вплоть до полного отказа от горизонтальных каналов.

Винтовая обмотка без горизонтальных каналов с плотным прилеганием витков в осевом направлении может быть одно-, двух- и четырехходовой с обычными для таких обмоток транспозициями. Такая обмотка наматывается на цилиндре на рейках типа рис. 5.8, а и б или на оправке без реек и без прокладок между ходами. Не исключена намотка двухслойной винтовой обмотки, т. е. двух концентрических винтовых обмоток левого и правого направлений намотки, соединяемых последовательно.

При использовании винтовой обмотки без горизонтальных каналов следует принимать во внимание то, что плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности обмотки существенно возрастает и ее не рекомендуется допускать более 1200—1400 Вт/м². При этом превышение температуры поверхности обмотки, имеющей только вертикально расположенные поверхности, охлаждаемые маслом, над температурой масла составляет 21—23°С, что примерно на 20 % ниже, чем в обмотке с витками, имеющими горизонтальные и вертикальные поверхности. Необходимо также учитывать, что в обмотке без горизонтальных каналов добавочные потери могут быть в 1,5—2 раза больше, чем в обмотке с тем же числом витков и с тем же числом, размерами и расположением параллельных проводов, но с горизонтальными каналами.

В механическом отношении при возникновении осевых механических сил винтовая обмотка является значительно более прочной, чем одно- и двухслойная цилиндрическая. Параллельные провода в каждом витке располагаются в ней не в осевом, а в радиальном направлении, образуя относительно большую опорную поверхность. Механическая жесткость обмотки усиливается рейками, идущими по всей длине обмотки, и связанными с ними горизонтальными прокладками, плотно зажатыми между витками обмотки.

В трансформаторах с ПБВ часто регулировочные витки обмотки ВН располагаются в середине ее высоты, что при работе обмотки ВН на низших ступенях регулирования напряжения приводит к возникновению в зоне отключенных витков поперечного магнитного поля и значительных осевых сил при коротком замыкании (см. § 7.3). Винтовая обмотка позволяет существенно ограничить эти силы путем разгона витков в середине ее высоты в зоне размещения отключаемых регулировочных витков обмотки ВН. Разгон витков применяется в трансформаторах с мощностью S≥1000 кВ·А и достигается путем увеличения двух-трех радиальных каналов в середине высоты обмотки НН до 15—20мм. Достаточную механическую прочность обмотка получает только при некотором минимальном сечении витка, не менее 75—100мм², что соответствует току около 300А для медных и 150—200А для алюминиевых обмоток.

Этот нижний предел допустимого сечения витка и тока обмотки соответствует силовым трансформаторам с мощностью S = 160—1000 кВ·А. При больших мощностях нижним пределом применения винтовой обмотки считается обычно 400—500 А.

По соображениям механической прочности, а также удобства выполнения транспозиций число параллельных проводов принимается обычно не менее четырех.

Наличие масляных каналов между соседними витками обеспечивает высокую электрическую прочность винтовой обмотки, и она находит широкое применение как обмотка НН в трансформаторах с напряжением НН от 230В до 35кВ включительно.

На стороне ВН винтовая обмотка совершенно не нашла применения ввиду неудобства выполнения ответвлений для регулирования напряжения.

В производстве винтовая обмотка существенно дороже многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода.

Винтовая обмотка используется также в качестве обмотки НН в сухих трансформаторах с естественным воздушным охлаждением при мощностях от 250 до 1600 кВ·А и выборе размеров радиальных и осевых воздушных каналов в соответствии с требованием табл. 9.26 и 9.2в.

КАТУШЕЧНЫЕ ОБМОТКИ

Обмотка, состоящая из ряда последовательно соединенных катушек, намотанных в виде плоских спиралей из одного или более проводов прямоугольного сечения и расположенных в осевом направлении обмотки, с радиальными каналами между всеми или частью катушек называется катушечной обмоткой. Если катушечная обмотка наматывается непрерывным проводом или несколькими непрерывными параллельными проводами, она называется непрерывной катушечной обмоткой (рис. 5.31).

Рис. 5.31. Непрерывная катушечная обмотка

Рис. 5.32. Переход между катушками с транспозицией трех параллельных проводов

Катушечная обмотка, собранная из отдельно намотанных катушек, называется дисковой катушечной обмоткой.

Непрерывная катушечная обмотка не имеет обрывов и паек провода. Все переходы из одной катушки в другую осуществляются кратчайшим путем по направлению внутренней или внешней образующей обмотки. Такая обмотка может быть намотана также из двух, трех, а иногда и более параллельных проводов. В этом случае, во избежание излишнего увеличения радиального размера обмотки в месте перехода из катушки в катушку, каждый из параллельных проводов переходит самостоятельно так, как изображено на рис. 5.32. При таком переходе провода меняются местами: наружный провод катушки переходит - внутрь, внутренний наружу и т. д. При этом одновременно осуществляется и транспозиция проводов, необходимая для уравнивания полных сопротивлений параллельных проводов. Необходимость транспозиции обусловливается тем, что параллельные провода наматываются на окружностях разных диаметров и находятся в различных зонах поля рассеяния.

Вследствие значительного угла изгиба провода на ребро в местах перехода из одной катушки в другую, изоляция проводов может быть повреждена. Поэтому для обеспечения надлежащей электрической прочности обычно применяют в местах перехода добавочную изоляцию провода в виде оплетки полосками кабельной бумаги или лакоткани или подвязки изоляционных коробочек из электроизоляционного картона.

Непрерывная катушечная обмотка может быть намотана на жестком бумажно-бакелитовом цилиндре, на рейках, расположенных по образующим цилиндра. При применении мягких изоляционных цилиндров из электроизоляционного картона обмотка наматывается на станке на рейках, расположенных на временной цилиндрической оправке без изоляционного цилиндра. В этом случае цилиндр наматывается при сборке трансформатора перед насадкой соответствующей обмотки. Для образования радиальных междукатушечных каналов применяются прокладки, штампованные из электроизоляционного картона, как показано на рис. 5.9 и 5.10.

Радиальные каналы в обмотке обычно выполняются между всеми катушками, однако в трансформаторах с пониженными потерями короткого замыкания и в алюминиевых обмотках (§ 5.2 и 5.7) иногда каналы могут быть сделаны через две катушки. В этом случае половина радиальных каналов между катушками заменяется разрезными шайбами по две шайбы толщиной 0,5 мм взамен каждого канала. Пара катушек, разделенных шайбами или радиальным каналом, называется двойной катушкой.

Переход провода из одной катушки в другую в непрерывной катушечной обмотке делается в промежутках между прокладками, образующими радиальные каналы. Число витков в каждой катушке, указываемое в расчетной записке, может быть как целым, так и дробным. В последнем случае знаменатель дроби указывает число междукатушечных прокладок (реек) по окружности обмотки. Так, при 16 прокладках (рейках) в обмотке правильным будет указание намотать в катушке, например, 8⁴/₁₆ витка, а не 8¹/₄ витка. При намотке такой обмотки на станке наматывают восемь полных витков, а потом отсчитывают четыре промежутка между прокладками и делают переход на следующую катушку.

Максимальный радиальный размер обмотки при дробном числе витков определяется числом целых витков плюс один виток. В разобранном примере максимальный радиальный размер равен 8+1=9 толщинам провода с изоляцией.

Рис. 5.33. Двойная катушка катушечной обмотки

Возможность намотки в катушке дробного числа витков всегда позволяет легко разместить полученное по расчету число витков по катушкам, однако для упрощения намотки обмотки на станке рекомендуется рассчитывать катушки с целым числом витков. В одной обмотке рекомендуется применять не более четырех типов катушек с разным числом витков, а общее число катушек брать четным.

Иногда по условиям сборки или изоляции обмоток, например в обмотках на 220 кВ и более, непрерывная намотка катушечных обмоток неудобна. В этом случае обмотка изготавливается в виде комплекта двойных катушек (рис. 5.33).

Витки, служащие для регулирования напряжения в обмотках ВН, должны располагаться в отдельных катушках так, чтобы регулировочные ответвления выполнялись на переходах между катушками, а не от средних витков катушки. Также в отдельных катушках должны размещаться входные витки с усиленной изоляцией, которая может быть выполнена в виде усиленной изоляции провода или оплетки всей катушки снаружи лентой из кабельной бумаги или лакоткани. Усиленная изоляция между слоями (витками) в виде прокладок, как правило, не применяется.

Катушки с различным числом витков — основные, регулировочные, с усиленной изоляцией — принято для удобства обозначать различными буквами алфавита.

При размещении витков обмотки в катушки необходимо следить за тем, чтобы радиальные размеры катушек различных типов были приблизительно равными. Рекомендуется это размещение производить так, чтобы радиальные размеры наиболее широкой и наиболее узкой катушек обмотки стержня, в том числе и регулировочных, и с усиленной изоляцией, отличались не более чем на двойную толщину провода. В тех случаях, когда этого нельзя добиться простым перемещением витков, например в регулировочных катушках, допускается выравнивание радиального размера отдельных катушек путем вматывания между их витками полосок электроизоляционного картона.

Намотка непрерывной катушечной обмотки из прямоугольного провода имеет свои особенности. Для того чтобы вести обмотку, не прерывая провода и делать переход провода из катушки, в катушку то у внутреннего, то у внешнего края катушки, витки половины катушек (обычно нечетных) после намотки катушки перекладываются так, что внутренний виток оказывается наружным, а наружный внутренним. Остальные катушки (обычно четные) наматываются без перекладки [5].

В механическом отношении непрерывная катушечная обмотка является одной из самых прочных обмоток, применяемых в трансформаторах. С увеличением мощности трансформатора и ростом осевой составляющей механических сил при коротком замыкании растут также радиальный размер катушек обмотки и ее механическая стойкость. Таким образом, условия механической прочности не ставят практически никаких пределов применению обмотки этого типа, и она может применяться на очень большом диапазоне мощности трансформаторов от 160 до 1000000 кВ·А. Обмотка этого типа с успехом применяется также и в широком диапазоне напряжений от 2-3 до 500 кВ и более.

При достаточно высоких напряжениях усложняется защита обмоток от импульсных атмосферных перенапряжений, вследствие чего обмотку приходится разделять на части, наматываемые непрерывно, и на части, состоящие из отдельно наматываемых катушек. С этой целью часть обмотки может быть сделана также переплетенной, когда порядок последовательного соединения витков отличается от последовательности их размещения в катушках, например, когда в двух соседних катушках соединяются последовательно сначала все нечетные витки, а затем последовательно с ними все четные. Возможны и другие способы получения переплетенной обмотки (см. § 4.5).

Непрерывная катушечная обмотка может быть применена при всех токах нагрузки, когда при выбранной плотности тока и достаточном числе витков сечение проводника получается равным или большим, чем минимальное по сортаменту сечение прямоугольного медного провода 5,04 или алюминиевого провода 6,39 мм². При наименьшей применяемой плотности тока в обмотках это соответствует нижнему пределу рабочего тока обмотки в медном проводе 15—18 и в алюминиевом проводе 10—13 А.

Плотность теплового потока на поверхности катушечных обмоток обычно допускают не более 1200—1400 Вт/м².

В производстве непрерывная катушечная обмотка при равном числе витков и сечении витка несколько сложнее и дороже, чем одно- и двухслойная цилиндрическая из прямоугольного провода или многослойная цилиндрическая из круглого или прямоугольного провода. Поэтому в трансформаторах с мощностью на один стержень до 250 кВ·А предпочитают применять цилиндрические обмотки из круглого провода. В трансформаторах большей мощности, где требования механической прочности играют решающую роль, непрерывная катушечная обмотка является наиболее употребительной наряду с многослойной цилиндрической из прямоугольного провода. Благодаря высокой механическ