Главная

Виды обмоток трансформатора


Типы обмоток трансформаторов

Виды обмоток трансформатора: типы и применение оборудования

Электромагнитное оборудование, которое содержит несколько обмоток, расположенных на одном проводе и связанных индуктивно, называют трансформатором. Прибор необходим для преобразования электроэнергии тока с помощью магнитной индукции без изменения его частоты. Разные виды обмоток трансформатора используют во многих сферах электрической техники и электроники.

У любого трансформатора в конструкции есть две или больше обмоток. Они связаны между собой электромагнитной индукцией, могут быть выполнены из проволоки или лент, покрытых слоем изоляции. Обмотки крепят на магнитопровод-сердечник, изготовленный из ферромагнитного мягкого материала. Если в устройстве всего один такой элемент, то оно называется автотрансформатором.

В конструкцию входят определённые детали:

  • расширительный бак с крышкой;
  • изолятор;
  • магнитопровод (сердечник);
  • радиаторы;
  • две обмотки — низкого и высокого напряжения.

Принцип работы трансформаторов изучают ещё в школьном курсе физики, поэтому его легко понять даже школьнику. Первая обмотка получает напряжение, вследствие чего в ней начинает протекать переменный ток. Он создаёт в сердечнике магнитный поток, под воздействием которого в двух элементах появляется электродвижущая сила. Вторичная обмотка замыкается из-за нагрузки, после чего в ней тоже начинает протекать переменный ток, у которого параметры — напряжение и его кривая, частота и количество фаз — отличаются.

Разделяют несколько типов трансформаторов по определённым параметрам:

  • количеству фаз — трех- и однофазные;
  • числу обмоток — трех- и двухобмоточные;
  • типу изоляции — масляные, сухие и с заполнителем, который не горит;
  • виду охлаждения — с естественным и принудительным масляным, воздушным и с содержанием азотной подушки.

А также различают силовые, сетевые, автоматические, импульсные трансформаторы и устройства электрического тока. Они имеют отличия в конструкции, функциональности и принципах работы.

Силовой агрегат

Силовой трансформатор — это агрегат с низкими частотами, который применяется в электрических сетях для преобразования энергии. Своё название прибор получил из-за того, что он используется для приёма и передачи тока на ЛЭП, где показатель напряжения в некоторых случаях достигает 1200 кВ. В городах оно находится в пределах 10 кВ, именно благодаря силовым трансформаторам оно понижается до 0, 4 кВ (220 и 320 В), которые необходимы потребителям.

В конструкции прибора может находиться две и более обмоток, они расположены на броневом магнитопроводе, изготовленном из технической стали. Некоторые из элементов могут получать питание индивидуально. Это удобно при получении напряжения одновременно с нескольких генераторов.

Обычно силовое оборудование помещают в бак с маслом, иногда его дополняет система охлаждения. Устанавливают агрегат на подстанциях, большее распространение имеют трёхфазные трансформаторы, так как они сокращают потери энергии на 15%.

Сетевой прибор

Сетевые приборы — виды трансформаторов тока, которые появились ещё в 80-х годах. Именно это устройство может преобразовать бытовое напряжение в 220 В в показатель, потребляемый электроприборами — 48, 24, 12 или 5 вольт. Иногда агрегаты выполняются с несколькими вторичными обмотками, так можно использовать сразу несколько источников питания. В схемах любой радиолампы всегда присутствует сетевой трансформатор накаливания.

У современного оборудования сердечник имеет форму буквы Ш или стержня, изготовлен он из электротехнических стальных пластин, на которые навиваются обмотки. Трансформатор с компактными габаритами имеет тороидальный магнитопровод. При этом его мощность не уступает моделям с более крупными размерами и сердечниками других форм. К сетевым относят также сварочные устройства с мощностью до 6 кВт.

Особенности автотрансформатора

Если интересует, какие бывают трансформаторы, то среди низкочастотных можно выделить автоматическое оборудование. У таких агрегатов первичная обмотка является и вторичной одновременно. То есть элементы связаны не только индукцией, но и электричеством. С одной обмотки есть несколько выводов, поэтому она может давать одновременно разное напряжение. У прибора стоимость ниже, чем у остальных видов трансформаторов. Это обусловлено расходом меньшего количества проводов для одной обмотки, стали для магнитопровода и незначительной массы.

Автотрансформаторы применяются в приборах автоматического управления и высоковольтных сетях. Оборудование с обмотками, соединёнными в треугольник или звезду, очень востребованы в современных системах электричества. Силовые агрегаты обладают мощностью до 100−200 мВт. Целесообразно использовать их при маленьких коэффициентах трансформации.

Ещё один вид автотрансформатора — лабораторный прибор. С его помощью можно плавно контролировать напряжение перед его подачей потребителю. По конструкции это трансформатор с одной обмоткой, у которой есть неизолированные витки проводов. То есть появляется возможность подключиться к каждой петельке отдельно.

Установить контакт помогает скользящая щётка, которой можно управлять с помощью поворотной ручки. Во время нагрузки выходит напряжение разной величины, однофазные агрегаты выдают показатель от 0 до 250 В, а трёхфазные — до 450 вольт. В лабораториях используют менее мощные конструкции для настройки электрического оборудования.

Оборудование тока

Трансформатор тока — это прибор, первичная обмотка которого подключается к источнику питания, а вторичная присоединяется к измерительным устройствам с малым внутренним сопротивлением. Первый элемент — один провод или виток — включают в цепь последовательным путём для измерения переменного тока. При этом показатель вторичной обмотки, которая должна находиться под нагрузкой с высоким напряжением, способным пробить изоляцию, пропорционален первой. Если её разомкнуть, то магнитопровод просто сгорит от некомпенсированного тока.

В конструкции сердечник изготовлен из кремнистой холоднокатаной стали, на него намотана одна вторичная обмотка. Первичная деталь обычно представляет собой шину или провод с током, пропущенный через отверстие сердечника. Высокий коэффициент трансформации — это главное преимущество такого агрегата. Трансформаторы тока часто применяются для измерения электричества и в различных схемах защиты реле.

Так как цепи изолированы друг от друга, использование оборудования считается безопасным. Промышленные агрегаты выпускаются с несколькими группами вторичных обмоток. Одна из них подключается к защитному оборудованию, а вторая к устройству измерения — счётчику.

Импульсная конструкция

В сварочных аппаратах, блоках питания, инверторах и преобразователях тока с малой и средней мощностью установлены импульсные трансформаторы. Эти приборы уже давно вытеснили тяжёлое низкочастотное оборудование. Устройство имеет вид трансформатора с ферритовым сердечником в форме букв П или Ш, стержня, чашки или кольца. Их преимущество перед другими материалами состоит в возможности работать на частоте свыше 500 кГц.

Так как это высокочастотный агрегат, то и его размеры незначительные. На обмотку требуется меньше провода, а одного или нескольких полевых транзисторов будет достаточно для получения тока. Количество дополнительного оборудования зависит от топологии схем питания:

  • прямоходовая — один прибор;
  • двухтактная — 2;
  • полумостовая — 2;
  • мостовая — 4.

Трансформатор выполняет роль дросселя в случае, когда применяется обратноходовая схема питания. Ведь тогда процессы накопления и выдачи электрической энергии во вторичную цепь разделены определённым промежутком времени. Импульсные трансформаторы с ферритовыми сердечниками сегодня можно встретить практически везде. Они применяются в энергосберегающих лампах, сварочных аппаратах и инверторах, а также зарядных устройствах для мобильного телефона, ноутбука и планшета.

Импульсный агрегат тока необходим для измерения направления электричества. Оборудование основано на кольцевидном ферритовом сердечнике с одной обмоткой. Через кольцо пропускают провод, а элемент с витками получает нагрузку на резистор.

Производители выпускают разные модели трансформаторов, обладающие некоторыми отличиями в коэффициентах производительности. Чтобы узнать направление электричества, обмотку нагружают двумя встречными стабилитронами.

Сфера применения

Курс школьной физики дал ученикам некоторые понятия о работе и применении трансформаторов. Например, что потеря мощности всегда прямо пропорциональна квадрату силы электрического тока, поэтому нужно повышать напряжение для передачи электричества на значительное расстояние. Перед переходом тока к потребителям показатель, наоборот, необходимо понижать. Именно для этого и используют различные виды трансформаторов.

А также оборудование используется в схемах питания бытовой техники. Агрегаты с несколькими группами обмоток установлены в телевизорах, мониторах компьютеров. Они питают схемы, выполняют функции транзистора и кинескопа. Устройство трансформаторов также изучают ещё на школьных уроках.

Без трансформаторов электрические сети и некоторые виды оборудования не смогут нормально функционировать, поэтому необходимо хотя бы поверхностно знать устройство агрегатов, принципы их работы, особенности конструкции и отличия в разных моделях. Это позволит самостоятельно устранять неполадки в некоторой домашней технике, промышленном оборудовании и мобильных гаджетах.

Конструкции обмоток трансформатора

  Проводник, который однократно охватывает стержень магнитопровода и в котором наводится ЭДС под воздействием магнитного поля трансформатора, называют витком. Виток является основным элементом обмотки и состоит из одного или нескольких параллельных проводов. Совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведенные в отдельных витках, называют обмоткой трансформатора. Обмотка состоит из проводников и изоляционных деталей, защищающих витки от электрического пробоя, препятствующих их смещению под действием электромагнитных сил и создающих каналы для охлаждения.

  Обмотки трансформаторов различаются взаимным расположением на стержне, направлением и способом намотки, числом витков, классом напряжения, схемой соединения концов обмоток между собой.

 Начала и концы обмоток НН (низкого напряжения) трехфазных трансформаторов обозначают буквами а, в, с (начала) и  х. у, z (концы), обмоток ВН (высокого напряжения) — соответственно А, В, С и X, Y, Z. По взаимному расположению на стержне обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся. 

Концентрические обмотки изготовляются в виде цилиндров, расположенных концентрически (одна в другой) на стержне магнитопровода (рис 1). Чередующиеся обмотки высокого и низкого напряжений трансформатора чередуются в осевом направлении на стержне магнитопровода (рис.2). Чередующаяся обмотка обычно подразделяется на симметричные группы, каждая из которых состоит из одной или нескольких частей обмотки ВН и расположенных по обе стороны от них частей обмотки НН. Из отдельных групп при больших токах могут быть легко образованы параллельные цепи. Чередующиеся обмотки применяют только в специальных  трансформаторах (например, электропечных, испытательных). Наиболее распространены концентрические обмотки. Обычно первой на стержне располагают обмотку НН, но возможны и другие варианты, когда первой размещают обмотку среднего напряжения, регулировочную или даже высокого напряжения.

   По конструкции и способу намотки различают обмотки цилиндрические (одно- или многослойные), катушечные и винтовые. Существуют также одно- или двухвитковые листовые и шинные обмотки, используемые в специальных трансформаторах с большими вторичными токами.Общие требования, предъявляемые к обмоткам трансформатора, можно подразделить на эксплуатационные и производственные.     Основными эксплуатационными требованиями являются электрическая и механическая прочность и нагревостойкость как обмоток, так и других частей и всего трансформатора в целом. Изоляция обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения, которые могут возникнуть в сети, где трансформатор будет работать.Механическая прочность обмоток должна гарантировать их от механических деформаций и повреждений при токах КЗ, многократно превышающих номинальный рабочий ток трансформатора. Нагрев обмоток и других частей от потерь, возникающих в трансформаторе при нормальной работе и КЗ ограниченной длительности, не должен приводить изоляцию обмоток и других частей, а также масло трансформатора к тепловому износу или разрушению в сроки более короткие, чем обычный срок службы трансформатора (20—25 лет). Общие эксплуатационные требования, предъявляемые к трансформаторам и их обмоткам, регламентированы соответствующими  стандартами на силовые трансформаторы общего назначения, на различные специальные трансформаторы, на электрические испытания изоляции трансформаторов и т д Практически электрическая прочность изоляции обмоток достигается правильно-разработанной  конструкцией, правильным выбором изоляционных промежутков и изоляционных материалов и прогрессивной технологией обработки изоляции. Требование механической прочности обмотки удовлетворяется путем тщательного расчета поля рассеяния, т. е. правильного выбора типа и конструкции обмотки и расположения ее витков и катушек с таким расчетом чтобы возникающие в этой обмотке механические силы были по возможности меньшими,а механическая стойкость возможно большей.

    Для достижения необходимой нагревостойкости следует обеспечить свободную теплоотдачу в окружающую среду всего тепла выделяющегося в обмотках при допустимых для данного класса нагревостойкости  изоляции превышениях температуры обмоток над температурой окружающей среды, т. е. обеспечить достаточно большую поверхность соприкосновения обмотки с охлаждающей средой — маслом или воздухом. Общие производственные требования сводятся к изготовлению трансформатора с наименьшими затратами материалов и труда т.е. наиболее простого по конструкции, обеспечивающей соблюдение всех эксплуатационных требований. Эти требования, предъявляемые к трансформатору в целом, в полной мере относятся и к обмоткам. Задачей проектировщика является разумное сочетание интересов эксплуатации и производства. Эта задача, решается в значительной мере при выборе того или иного типа обмотки. Поэтому на выбор типа обмотки, наиболее полно отвечающей требованиям эксплуатации и в то же время простой и дешевой в производстве, следует обращать особое внимание.

   При расчете обмотки после выбора ее типа следует добиваться наибольшей компактности в ее размещении, распределении витков и катушек, с тем чтобы получить наилучшее заполнение окна трансформатора. Одновременно следует стремиться к получению достаточно развитой поверхности охлаждения обмотки и достаточного числа и размеров масляных (воздушных у сухого трансформатора) охлаждающих каналов в обмотках при обеспечении наименьшего сопротивления для движения в них охлаждающей среды,что дает возможность уменьшить внутренний перепад темпертуры в обмотках и как следствие этого, несколько уменьшить охлаждаемую поверхность бака трансформатора.

Все обмотки трансформаторов по характеру намотки можно подразделить на следующие основные типы: цилиндрические из круглого и прямоугольного провода, винтовые, непрерывно катушечные и др.

Эти типы обмоток в свою очередь могут подразделяться по ряду второстепенных признаков: числу слоев или ходов, наличию параллельных ветвей, наличию транспозиций и т. д.

Простой цилиндрической обмоткой называется обмотка, сечение витка которой составляет один провод, а витки расположены без интервалов на цилиндрической поверхности так, что для перехода от какого-либо витка к любому другому витку нужно двигаться в осевом направлении обмотки.

Цилиндрической параллельной обмоткой называется обмотка, сечение витка которой составляет несколько параллельных проводов, а витки расположены (без интервалов между витками и проводами) на цилиндрической поверхности так, что для перехода от какого-либо провода одного витка к любому проводу другого витка нужно двигаться в осевом направлении обмотки.

Двухслойной простой цилиндрической или двухслойной цилиндрической параллельной называется обмотка, составленная из двух концентрически расположенных простых цилиндрических параллельных обмоток.

Цилиндрическая обмотка может быть намотана из нескольких проводов прямоугольного сечения. При этом желательно все параллельные провода брать одного сечения. Если же приходится комбинировать сечение витка из разных проводов, то рекомендуется брать не более двух различных сечений проводов. Обычно применяется намотка «плашмя». Допускается намотка на «ребро», в радиальном направлении обмотки, размеры обоих проводов следует выбирать обязательно равными между собой.

В производстве при намотке на обмоточном станке цилиндрическая обмотка является самой простой и дешевой из применяемых типов обмоток. Цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода может применяться при сечении витка не менее 5 мм2, равном минимальному сечению прямоугольного провода по сечению, что соответствует при наименьшей плотности тока в медном проводе нижнему пределу тока обмотки 15–18 А. Цилиндрическая двухслойная обмотка из прямоугольного провода широко применяется для обмоток НН трехфазных и однофазных масляных силовых трансформаторов с мощностью на один стержень £ 200 кВА при напряжении обмотки не выше 6 кВ.

В тех же пределах этот тип обмотки иногда применяется для обмоток ВН, однако более удобна в этом случае многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода.

Широкое применение находят цилиндрические многослойные обмотки из прямоугольного провода в один или несколько параллельных проводов. Для таких обмоток напряжение составляет до 35 кВ, а мощность трансформатора до 80000 кВА.

Они используются для изготовления обмоток как низкого напряжения, так и обмоток высокого напряжения трансформатора. Основное достоинство этих обмоток состоит в простоте, малой стоимости и достаточно высокой электрической и механической прочности (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Цилиндрические обмотки: а – однослойная; б – двухслойная; в – многослойная из круглого провода; 1 – витки из прямоугольного провода; 2 – разрезные выравнивающие кольца; 3 – бумажно-бакелитовый цилиндр; 4 – конец первого слоя обмотки; 5 – вертикальные рейки; 6 – внутренние ответвления обмотки

Благодаря простоте и дешевизне изготовления наиболее часто применяется многослойная цилиндрическая обмотка трансформаторов, мощностью на один стержень до 200 кВА при классе напряжения не выше 35 кВ.

Разновидностью многослойной цилиндрической обмотки является катушечная обмотка, составленная из ряда отдельно расположенных в осевом направлении катушек, представляющих собой многослойные цилиндрические обмотки. Выполняется она, как правило, из одного круглого провода без применения параллельных проводов. Применяется для трансформатора с мощностью на один стержень не выше 350 кВА, при токе 40–45 А, и только для выполнения обмоток ВН.

Особое внимание уделяется междуслойной изоляции, так как вследствие большого числа витков и последовательного соединения слоев между соседними витками, лежащих в разных слоях, возникают значительные напряжения. Так, например, в трансформаторах с мощностью на один стержень до 200 кВА при классе напряжения от 3 до 35 кВ суммарное рабочее напряжение двух слоев может достигнуть 5000–6000 В, а испытательное 10000–12000 В. В качестве междуслойной изоляции хорошие результаты дает кабельная бумага, положенная в несколько слоев.

Применение меньшего числа слоев более толстого электрокартона не оправдывает себя, так как картон менее эластичен, чем кабельная бумага, а при намотке сильно натянутого провода дает листные изломы, что в дальнейшем приводит к прибою междуслойной изоляции.

В трансформаторах широко применяются винтовые обмотки. Обычно винтовая обмотка наматывается на бумажно-бакелитовом цилиндре на рейках, расположенных по образующим цилиндра. Радиальные каналы между витками образуются межвитковыми прокладками из электроизоляционного картона, нанизываемыми на рейки (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Винтовая обмотка: а – из одного провода в витке; б – из нескольких параллельных проводов в витке

В параллельной винтовой обмотке параллельные провода наматываются на цилиндрические поверхности с разными диаметрами. Вследствие этого активные и реактивные сопротивления (в виду различной индукции поля рассеяния) параллельных проводов получаются неравными. Для выравнивания полных сопротивлений проводов во избежание неравномерного распределения тока в винтовой обмотке обязательно должна производиться транспозиция (перекладка) проводов (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Транспозиции проводов в винтовых обмотках: а – групповая; б – общая

Схема транспозиции в винтовой обмотке из четырех проводов представлена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема транспозиции в винтовой обмотке из четырех

параллельных проводов: 1–4 – провода

Применяются винтовые обмотки как обмотки НН в трансформаторах с напряжением на стороне НН от 230 В до 15,75 кВ включительно при мощности трансформатора на один стержень от 45 до 350 кВА.

Простой непрерывной катушечной обмоткой называется обмотка, составленная из ряда расположенных в осевом направлении и соединенных последовательно катушек, намотанных из прямоугольного провода по плоской спирали, с радиальными охлаждающими каналами между всеми или частью катушек. Высота катушки равна высоте провода.

Непрерывная катушечная обмотка называется параллельной, если сечение каждого витка составлено двумя или более параллельными проводами и число витков в катушке более одного (рис. 4.5).

Обмотка называется непрерывной, если ее намотка ведется одним (двумя, тремя и более) проводом без перепайки концов последовательно соединенных катушек. Непрерывная катушечная обмотка не имеет обрывов и паек провода.

Благодаря высокой механической прочности, легкости распределения витков обмотки по катушкам, удобству выполнения регулировочных ответвлений, сравнительной простоте намотки, отсутствию перепаек между катушками и простоте насадки на сердечник, непрерывная катушечная обмотка находит широкое применение в качестве обмотки ВН для трансформаторов с мощностью на один стержень от 50 до 20000 кВА и выше, при токах нагрузки от 10–15 А и выше. Этот тип обмотки находит применение также и в качестве обмоток НН при токах от 17–20 и до 300 А.

При напряжении 110 кВ и выше применяется только непрерывная катушечная обмотка. Если виток обмотки выполняется из нескольких параллельных проводов, то необходимо проводить транспозицию параллельных проводов аналогично, как это производится в винтовых параллельных обмотках.

Более подробно правила выполнения обмоток различного типа приводятся ниже при пояснении методики расчета.

Выбор типа обмотки

Основными критериями при выборе типа обмотки служат следующие величины:

Iф = Iс – ток нагрузки одного стержня, мощность обмоток одного стержня S′ и номинальное напряжение Uл, а также поперечное сечение витка обмотки .

Ориентировочное сечение, мм2, витка каждой обмотки может быть определено по формуле

,

где – ток соответствующей обмотки одного стержня, ток фазный; – средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.

В зависимости от выбора значения будут изменяться объем и масса обмотки, а следовательно, и электрические потери в них . Обычно при расчете трансформатора потери короткого замыкания бывают заданы, и выбор средней плотности тока должен быть связан с заданной величиной .

Для определения средней плотности тока в обмотках, обеспечивающей получение заданных потерь короткого замыкания, можно воспользоваться формулами:

– для медных обмоток

, ;

– для алюминиевых

, ;

где – полная мощность трансформатора, кВА; – потери короткого замыкания, Вт; – напряжение одного витка; – средний диаметр канала между обмотками, см; – коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь в обмотках, потери в отводах, в стенах бака и т. д., принимается по табл. 4.1.

Таблица 4.1

Значение Кд для трехфазных трансформаторов

Мощность трансформатора, кВА До100 160–630 1000–6300 10000– 25000– 80000–
Кд 0,96 0,96–0,92 0,91–0,90 0,90–0,87 0,86–0,78 0,77–0,75

Примечание. Для сухих трансформаторов мощностью 10–160 кВА принимать Кд =0,99–0,96 и мощностью 250–1600 кВА Кд =0,92–0,96.

Расчетные значения следует сверить с данными табл. 4.2, где приведены ориентировочные значения практически применяемых плотностей токов. Сверка рассчитанного имеет целью избежать грубых ошибок в расчете .

Таблица 4.2

Средняя плотность тока в обмотках D, А/мм², для современных трансформаторов с потерями короткого замыкания

а) масляные трансформаторы

Мощность транс-форматора, кВА 25–40 63–630 1000–6300 10000–16000 25000–80000
Медь 1,8–2,2 2,2–3,5 2,2–3,5 2,0–3,5 2,0–3,5
Алюминий 1,1–1,8 1,2–2,5 1,5–2,6 1,5–2,7 –

б) сухие трансформаторы

Мощность транс-форматора, кВА 10–160; 0,5 кВ 160–1600; 10 кВ
Обмотка Внутренняя НН Наружная ВН Внутренняя НН Наружная ВН
Медь 2,0–1,4 2,2–2,8 2,0–1,2 2,0–2,8
Алюминий 1,3–0,9 1,3–1,8 1,4–0,8 1,4–2,0

Примечания: 1. Для трансформатора с потерями короткого замыкания вышеуказанных государственных стандартов возможен выбор плотности тока в масляных трансформаторах до 4,5 А/мм² в медных и до 2,7 А/мм² – алюминиевых обмотках; в сухих трансформаторах – соответственно до 3 и 2 МА/м². 2. Плотность тока в обмотках из транспонированного провода выбирается так же, как и для медного или алюминиевого провода. 3. Плотность тока в обмотках из алюминиевой ленты выбирается как для алюминиевого провода.

После определения средней плотности тока и сечения витка для каждой из обмоток можно произвести выбор типа конструкции обмотки. Конструкция и тип обмотки выбираются по табл. 4.3.

При расчете обмоток существенное значение имеет правильный выбор размеров провода. В обмотках из круглого провода выбирают провод, ближайший по площади поперечного сечения к сечению , определенному по выбранной плотности тока , или в некоторых случаях подбираются два-три провода с соответствующим общим суммарным сечением.

При расчете винтовых, непрерывных катушечных и в большинстве случаев двухслойных и многослойных цилиндрических обмоток из провода прямоугольного сечения желательно применять провода большего сечения, что упрощает намотку обмоток на станке и позволяет получить наиболее компактное ее размещение на сердечнике. Однако применение крупных размеров провода ограничивается условиями охлаждения обмотки и величиной допустимых добавочных потерь от вихревых токов, вызываемых потоком рассеяния.

Таблица 4.3

Основные свойства и нормальные пределы применения различных типов обмоток масляных, а также сухих трансформаторов

Тип обмотки Применение на стороне Основные достоинства Основные недостатки Материал обмоток Пределы применения, включительно Число парал- лельных проводов
глав-ное воз-мож- ное по мощности трансфоматораS, кВА по току на стержень I, А по напря-жению U, кв по сечению витка, П,. мм2
Цилиндрическая одно- и двухслойная из прямоугольного провода НН ВН Простая технология изготовления, хорошее охлаждение Малая механическая прочность Медь До 630 От 15–18 до 800 До 6 От 5,04 до 250 От 1 до 4–8
Алюминий До 630 От 10–13 До 600-650 До 6   От 6,39 до 300
Цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода ВН НН Хорошее заполнение окна магнитной системы, простая технология изготовления Уменьшение охлаждаемой поверхности по сравнению с обмотками, имеющими радиальные каналы Медь От 630 до 80000 От 15–18 до 1000–1200 10 и 35 От 5,04 до 400 От 1 до 4–8
Алюминий До 16000–25000 От 10–13 до 1000–1200 10 и 35 От 6,39 до 500
Цилиндрическая многослойная из алюминиевой ленты НН – Простая технология изготовления, хорошее охлаждение, хорошее заполнение окна магнитной системы Малая механическая прочность в радиальном направлении Алюминий От 160 до 1000 От 100 до 1500 До 10 От 100 до 1000 От 1 до 1
Цилиндрическая многослойная из круглого провода ВН НН Простая технология изготовления Ухудшение тепло- отдачи и уменьшение механической прочности с ростом мощности. Медь До 630 От 0,3–0,5 до 80-100 До 35 От 1,094 До 42,44
Алюминий До 630 От 2–3 до 125–135 До 35 От 1,37 до 50,24
Винтовая одно-, двух- и многоходо- вая из прямоуголь- ного провода НН – Высокая меха-ническая прочность, надежная изоляция, хорошее охлаждение Более высокая стоимость по сравнению с цилиндрической обмоткой Медь От 160 и выше От 300 и выше До 35 От 75–100 и выше 12–16 и более
Алюминий От 100 и выше От 150–200 и выше До 35 От 75–100 и выше
Непрерывная катушечная из прямоугольного провода ВН НН Высокая электри-ческая и механи-ческая прочность, хорошее охлаждение Необходимость перекладки половины катушек при намотке Медь От 160 и выше От 15–18 и выше От 3 до 110-220 От 5,04 и выше 3–5
Алюминий От 100 и выше От 10–13 От 3 до 110– От 6,39

Расчет обмоток проводится в следующей последовательности:

· определяется число витков в фазе соответствующей обмотки, . После округления числа витков до целого числа уточняется напряжение одного витка и значение магнитной индукции в стержне, Bc;

· определяется ориентировочное сечение, мм2, витка соответствующей обмотки по выражению:

;

· по ориентировочному сечению обмотки сортаменту обмоточных проводов принимаются соответствующие провода. Проводов может быть один или несколько. Примеры витков для различных обмоток приведены ниже.

В масляных трансформаторах применяется провод марки ПБ (с бумажной изоляцией).

В сухих трансформаторах применяется обычно более качественная изоляция марок ПСД и ПСДК.

Номинальные размеры и сечения прямоугольных проводов медных и алюминиевых проводов соответственно марок ПБ и АПБ приведены в табл. 4.4.

Номинальные размеры и сечения прямоугольных проводов марок ПСД и ПСДК приведены в табл. 4.5.

Номинальные диаметры и сечения круглых проводов марок ПБ, ПСД и ПСДК приведены в табл. 4.6.

· По основным параметрам трансформатора – номинальной мощности; – номинальным напряжениям обмоток НН и ВН; – номинальному фазному току обмоток выбирается тип обмоток по табл. 4.3.

· По выбираемому типу соответствующих обмоток производится расчет обмоток по методикам, приведенным ниже.

Таблица 4.4

Номинальные размеры и сечения медного и алюминиевого обмоточного провода марок ПБ и АПБ (размеры а и в, мм, сечение, мм2)

Медные провода марки ПБ – все размеры таблицы, за исключением проводов с размером в 17 и 18 мм

Алюминиевый провод марки АПБ – все размеры таблицы вправо и вверх от жирной черты

а в 1,40 1,50 1,60 1,70   1,80 1,90 2,00 2,12 2,24 2,36 2,50 2,65 2,80 3,00 3,15
3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 5,30 5,60 6,00 6,30 6,70 7,10 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 10,60   11,20 11,80 12,50   13,20 14,00   15,00   16,00   17,00   18,00   5,04 5,395,74 6,09 6,44 6,79 7,21 7,63 8,19 8,61 9,17 9,73 10,3 11,0 11,7 12,4 13,1 13,8 14,6   15,5 – –   – –   –   –   –   –   – 5,79 – 6,54 – 7,29 – 8,19 – 9,24 – 10,4 – 11,8 – 13,3 – 14,8 –   16,6 – 18,5   – –   –   –   –   – 5,79 6,19 6,59 6,99 7,39 7,79 8,27 8,75 9,39 9,87 10,5 11,2 11,8 12,613,4 14,2 15,0 15,8 16,8   17,7 18,7 19,8   – –   –   –   –   – – 6,44 – 7,29 – 8,14 – 9,16 – 10,4 – 11,7 – 13,2 – 14,9 – 16,6 –   18,7 – 20,9   – –   –   –   –   – 6,39 6,84 7,29 7,74 8,19 8,64 9,18 9,72 10,4 11,0 11,7 12,4 13,1 14,0 14,9 15,8 16,7 17,6 18,7 19,8 20,9 22,1   23,4 24,8   –   –   –   – – 7,24 – 8,19 – 9,14 – 10,3 – 11,6 – 13,1 – 14,8 – 16,7 – 18,6 –   20,9 – 23,4   – 26,2   –   –   –   – 7,14 7,64 8,14 8,64 9,14 9,64 10,2 10,8 11,6 12,2 13,0 13,8 14,6 15,6 16,6 17,6 18,6 19,6 20,8
 
 

22,0

23,2

24,6

 
 

26,0

27,6

29,6

31,6

–

–

 – 8,12 – 9,18 – 10,2 – 11,5 – 13,0 – 14,7 – 16,6 – 18,7 – 20,8 –   23,4 – 26,1   – 29,3   –   33,6   –   – 8,04 8,60 9,16 9,72 10,3 10,8 11,5 12,2 13,1 13,8 14,7 15,5 16,4 17,6 18,7 19,8 20,9 22,0 23,4   24,7 26,1 27,6   29,2 31,0   33,2   35,5   –   – – 8,89 – 10,1 – 11,3 – 12,7 – 14,3 – 16,2 – 18,3 – 20,7 – 23,1 –   25,9 – 29,0 – 32,5 –   37,2   –   – 8,83 9,45 10,1 10,7 11,3 12,0 12,7 13,5 14,5 15,2 16,2 17,2 18,2 19,5 20,7 22,0 23,2 24,5 26,0   27,5 29,0 30,7   32,5 34,5 37,0 39,5   –   – – 10,1 – 11,4 – 12,7 – 14,3 – 16,2 – 18,3 – 20,7 – 23,3 – 26,0 –   29,1 – 32,6   – 36,6   – 41,9 –   – – 10,7 11,4 12,1 12,8 13,5 14,3 15,1 16,3 17,1 18,2 19,3 20,5 21,9 23,3 24,7 26,1 27,5 29,1   30,8 32,5 34,5   36,4 38,7   41,5   44,3   47,2   – – – – 13,0 – 11,5 – 16,3 – 18,4 – 20,8 – 23,5 – 26,5 – 29,5 –   33,1 – 37,0   – 41,5   –   47,5   –   53,1 – – – 13,6 14,4 15,2 16,2 17,1 18,4 19,3 20,6 21,8 23,1 24,7 26,2 27,8 29,4 31,0 32,8   34,7 36,6 38,8   41,0 43,6   46,7   49,9   53,2   55,8

Окончание табл. 4.4

а в 3,35 3,55 3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 5,30 5,60
3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 5,30 5,60 6,00 6,30 6,70 7,10 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 10,60   11,20 11,80 12,50   13,20 14,00   15,00   16,00   17,00   18,00   – – – – – 16,2 – 18,2 – 20,6 – 23,2 – 26,3 – 29,6 – 33,0 –   37,0 – 41,3   – 46,4   –   53,1   –   59,4 – – – – – 17,2 18,3 19,3 20,8 21,8 23,2 24,7 26,1 27,9 29,6 31,4 33,2 35,0 37,1   39,2 41,3 43,8   46,3 49,2   52,7   56,3   59,4   63,0   – – – – – – – 20,1 – 22,8 – 25,8 – 29,1 – 32,9 – 36,6 –   41,4 – 46,0   – 52,0   –   59,1   –   66,6 – – – – – – – 21,5 23,1 24,3 25,9 27,5 29,1 31,1 33,1 35,1 37,1 39,1 41,5   43,9 46,3 49,1   51,9 55,1   59,1   63,1   67,1   71,1 – – – – – – – – – 25,9 – 29,3 – 33,1 – 37,4 – 41,6 –   46,7 – 52,3   – 58,6   –   67,1   –   75,6 – – – – – – – – – 27,9 29,3 31,1 32,9 35,1 37,4 39,4 41,9 44,1 46,8   49,5 52,2 55,4   58,5 62,1   66,6   71,1   75,6   80,1 – – – – – – – – – – – 32,9 – 37,1 – 41,9 – 46,6 –   52,3 – 58,5   – 65,6   –   75,1   –   84,6 – – – – – – – – – – – 34,6 36,6 39,2 41,6 44,1 46,6 49,1 52,1   55,1 58,1 61,6   65,1 69,1   74,1   79,1   84,1   89,1 – – – – – – – – – – – – – 41,5 – 46,8 – 52,1 –   58,5 – 65,4   – 73,3   –   83,9   –   94,5 – – – – – – – – – – – – – 43,9 46,7 49,5 52,1 55,1 58,5   61,9 65,2 69,1   73,1 77,5   83,1   88,7   94,3   99,9

Примечания: 1. Провод марок пб и апб выпускается с толщиной изоляции на две стороны 2б = 0,45(0,50), 0,55(0,62), 0,72(0,82), 0,96(1,06), 1,20(1,35), 1,35(1,50), 1,68(1,83) и 1,92(2,07) мм. 2. Вне скобок указана номинальная толщина изоляции. Размеры катушек считать по толщине изоляции, указанной в скобках. 3. Медный провод марки пду выпускается с размерами проволоки по стороне а от 1,8 до 5,6 мм и по стороне в от 6,7 до 18 мм с изоляцией толщиной 2б = 1,35(1,45), 2,00(2,20), 2,48(2,63), 2,96(3,16), 3,60(3,80), 4,08(4,28), и 4,40(4,65) мм.

Таблица 4.5

Номинальные размеры и сечения прямоугольного медного обмоточного провода марок ПСД и ПСДК (предпочтительные размеры)

(размеры а и в, мм, сечения, мм2)

а в 1,40 1,60 1,80 2,00 2,24 2,50 2,80 3,15 3,55   4,00 4,50 5,00 5,60
4,00 4,50 5,00 5,60 6,30 7,10 8,00 9,00 10,00 11,20 12,50   5,39 6,09 6,79 7,63 8,61 9,73 11,0 12,4 13,8 – –   6,19 6,99 7,79 8,75 9,87 11,2 12,6 14,2 15,8 – –   6,84 7,74 8,64 9,72 11,4 12,4 14,0 15,8 16,6 – –   7,64 8,64 9,64 10,8 12,2 13,8 15,6 17,6 19,6 – – 8,60 9,72 10,8 12,2 13,8 15,5 17,6 19,8 22,0 24,7 27,6 9,45 10,7 12,0 13,5 15,2 17,2 19,5 22,0 24,5 27,5 – 10,7 12,1 13,5 15,1 17,1 19,3 21,9 24,7 27,5 30,8 – – 13,6 15,2 17,1 19,3 21,8 24,7 27,8 31,0 34,7 – – – 17,2 19,3 21,8 24,7 27,9 31,4 35,0 39,2 –   – – – 21,5 24,3 27,5 31,1 35,1 39,1 43,9 – – – – – 27,9 31,1 35,1 39,4 44,1 49,5 – – – – – – 34,6 39,2 44,1 49,1 55,1 – – – – – – – 43,9 – – – –  

Примечание. Номинальная удвоенная толщина изоляции 2б = 0,27–0,48 мм. В расчете принимать для проводов размером в < 5,60 мм 2б = 0,45 мм.

Таблица 4.6

Номинальные размеры сечения и изоляция круглого медного и алюминиевого обмоточного провода марок ПБ и АПБ

с толщиной изоляции на две стороны 2б = 0,30(0,40) мм

Диаметр, мм Сечение, мм2 Увеличение массы, % Диаметр, мм Сечение, мм2 Увеличение массы, % Диаметр, мм Сечение, мм2 Увеличение массы, %  
Марка ПБ – медь 2,00 2,12 2,24 2,36 2,50 2,65 2,80 3,00 3,15 3,35 3,55 3,75 3,14 3,53 3,94 4,375 4,91 5,515 6,16 7,07 7,795 8,81 9,895 11,05 3,0 3,0 3,0 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,0 2,0 2,0 1,5 4,00 4,10 4,25 4,50 4,75 5,00 5,20 12,55 13,2 14,2 15,9 17,7 19,63 21,22 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5  
1,18 1,25 1,094 1,23 6,0 5,5  
Марка ПБ – медь Марка АПБ – алюминий  
1,32 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 1,37 1,51 1,77 2,015 2,27 2,545 2,085 5,0 5,0 4,5 4,0 4,0 3,5 3,5  
Марка АПБ – алюминий  
5,30 6,00 8,00 22,06 28,26 50,24 1,5 1,5 1,0  

Примечания: 1. Провод марок ПБ и АПБ всех диаметров выпускается с изоляцией на две стороны толщиной 2б=0,30(0,40); 0,72(0,82); 0,96(1,06); и 1,20(1,35) мм; провод диаметром от 2,24 мм и выше – также с изоляцией 1,68(1,83) и 1,92(2,07), а провод диаметром от 3,75 мм и выше – также с изоляцией 2,88(3,08); 4,08(4,33);5,76(6,11) мм

2. Без скобок указана номинальная толщина изоляции. Размеры катушек считать по толщине изоляции, указанной в скобках.

3. Увеличение массы провода за счет изоляции дано для медного провода. Для алюминиевого провода марки АПБ данные таблицы по увеличению массы умножить на 3,3.

4. Увеличение массы провода ПБ и АПБ с усиленной изоляцией принимать по табл. 4.5 с учетом прим. 3 к табл. 4.4.

5. Провода марок ПСД и ПСДК выпускаются в пределах диаметров от 1,18 до 5,0 мм и провода марок АПСД и АПСДК – от 1,32 до 5,0 мм.

6. Толщина изоляции провода марок ПСД, ПСДК, АПСД и АПСДК при диаметрах до 2,12 мм 2б = 0,29 мм (в расчете принимать 0,30 мм), при диаметрах от 2,24 до 5,0 мм 2б = 0,35–0,38 мм (в расчете принимать 0,40 мм).

7. Для проводов марок ПСД и ПСДК данные таблицы по увеличению массы умножить на 1,75 для диаметров от 1,18 до 2,12 мм и на 2,1 для диаметров от 2,24 мм и выше. Для алюминиевых проводов марок АСПД и АПСДК учитывать прим. 3.


Типы Преимущества Недостатки
 Цилиндрическая одно-двух-слойная из прямоуголного провода  Простая технология изготовления, хорошее охлаждение  Малая механическая прочность
 Цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода  Хорошее заполнение окна магнитной системы ,простая технология изготовления  Уменьшение охлаждаемой поверхности по сравнению с обмотками,имеющими радиальные каналы 
 Цилиндрическая многослойная из круглого провода  Простая технология изготовления   Ухудшение теплоотдачи и уменьшение механической прочности с ростом мощности
 Винтовая одно-двух- и многоходовая из прямоугольного провода  Высокая механическая прочность,надежная изоляция,хорошее охлаждение  Более высокая стоимость по сравнению с цилиндрической обмоткой
 Непрерывная катушечная из прямоугольного провода  Высокая электрическая и механическая прочность,хорошее охлаждение   Необходимость перекладки половины катушек при намотке
 Цилиндрическая многослойная и катушечная из алюминиевой фольги  Высокая механическая прочность,хорошее заполнение окна магнитной системы   Сложная технология изготовления обмоток высокого напряжения

 Конструкции цилиндрических обмоток:

  • простой,
  • многослойной,
  • многослойной из фольги

       Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности,называют слоем обмотки. В одном слое может быть от одного до нескольких десятков витков, а в витке до шести-восьми и более параллельных проводов.Обмотку, состоящую из расположенного на цилиндрической поверхности слоя витков без интервалов, т. е. вплотную друг к другу, называют цилиндрической (рис.3), а состоящую из двух (или более концентрически расположенных слоев — двухслойной (многослойной) цилиндрической (рис.4).

  Витки двух- и многослойных обмоток имеют одинаковые развернутую длину и положение по отношению к полю рассеяния трансформатора. Переход из слоя в слой выполняют без обрыва провода в конце каждого слоя, при этом направление намотки слоев меняется. Двухслойную обмотку обычно наматывают из 

  рис.3   1-виток;2,4-выравнивающие кольца, 3-изолирующие прокладки.   рис.4 /. 4 — виитки, 2, 5 -дистанционные рейки; 3-выравнивавшее кольцо; 6-бумажно-бакелитовый цилиндр; 7-междуслойная изоляция; 8-канал. 9 — рейка. 10-изоляционное кольцо; 11- бакелитовый цилиндр; X1, Х2,Х3- регулировочные ответвления  

    прямоугольного провода плашмя, но можно и на ребро. Для выравнивания винтовой поверхности к крайним виткам прикрепляют разрезные бумажно-бакелитовые кольца (в виде «клина»), которые придают обмотке форму цилиндра. Кольца предохраняют витки от механических повреждений и создают опорную поверхность обмотки. Между слоями двухслойной обмотки устанавливают изоляцию из бумаги (электрокартона) или размещают равномерно по окружности несколько реек (прокладок), образующих вертикальный охлаждающий канал (рис.4,а).

Одно- и двухслойные цилиндрические обмотки применяют в качестве обмоток низкого напряжения до 690 В в трансформаторах мощностью менее 630 кВА. Многослойная цилиндрическая обмотка наматывается,как правило, из провода круглого сечения.Витки

обмотки плотно укладывают друг к другу с переходами из слоя в слой. Намотку первого слоя производят на бумажно-бакелитовом цилиндре. Между последующими слоями размещают кабельную бумагу. Для улучшения охлаждения между некоторыми слоями обмотки делают осевой канал с помощью дистанцирующих прокладок из электрокартона или бука. Такие многослойные цилиндрические обмотки применяют в качестве обмоток высокого напряжения для масляных трансформаторов мощностью до 400 кВА при напряжении до 35 кВ (рис. 4,б). По направлению намотки, подобно резьбе винта, различают обмотки левые и правые. Это относится к цилиндрическим, катушечным и винтовым обмоткам. В многослойных слоевых обмотках направление всей обмотки считается по направлению ее первого внутреннего слоя (рис.5).

   Принципиально новой модификацией цилиндрической обмотки являются обмотки, намотанные из неизолированной алюминиевой фольги, находящие применение в трансформаторах мощностью от 25 до 630 кВА . Лента рулонной фольги имеет ширину, равную высоте катушки, а для обмоток с рабочим напряжением до 1 кВ -высоту обмотки. Изоляцией между витками служит полоса (или несколько вместе сложенных полос) конденсаторной, телефонной или кабельной бумаги. Ширина полосы бумаги принимается на 6-8 мм больше ширины ленты. Лента фольги вместе с полосой (полосами) бумаги наматывается на цилиндрической оправке с диаметром, равным внутреннему диаметру обмотки. После намотки обмотка снимается с оправки, бумага,выступающая за торцы обмотки на 3—4 мм, пропитывается эпоксидной смолой, запекается и обжимается, образуя монолитный изоляционный слой на торцовых поверхностях обмотки (катушки).

Обмотки из алюминиевой фольги легко наматываются, хорошо выдерживают механические воздействия при КЗ трансформатора и имеют высокую теплопроводность в осевом и радиальном направлениях, что приводит к более равномерному распределению температуры по высоте и ширине обмотки и к снижению температуры наиболее нагретой точки по сравнению с обмотками, намотанными из изолированного провода.

   Основными недостатками обмоток из алюминиевой фольги являются: высокая цена фольги, превышающая цену изолированного алюминиевого провода примерно на 40%; сложность изготовления обмоток высокого напряжения классов напряжения 10 и 35 кВ с обязательным разделением этих обмоток на катушки, соединяемые при помощи пайки, и трудность крепления отводов к обмоткам из фольги с толщиной менее 0,1 мм вследствие малой механической прочности этой фольги. Последний (и первый) виток обмотки из фольги толщиной 0,1—0,2 мм может завершаться алюминиевой шиной, прикрепленной к фольге точечной сваркой. Сложность изготовления обмотки высокого напряжения приводит к тому, что в некоторых случаях предпочитают обмотку низкого напряжения выполнять из фольги, а обмотку высокого напряжения из провода.

 Конструкции винтовых обмоток: одноходовой,многоходовой, из транспонированного провода

Винтовые обмотки могут быть одноходовыми (рис.6 а) и двухходовыми (многоходовыми) (рис.6 б). Одноходовая винтовая обмотка состоит из ряда витков, которые следуют один за другим по винтовой линии с каналами между ними. В каждый виток входит один или несколько параллельных проводов, укладываемых в один ряд вплотную друг к другу в радиальном направлении (рис.6,а,в).

Двухходовая (многоходовая) винтовая обмотка состоит из  двух (или более) одноходовых обмоток, вмотанных одна в другую в процессе изготовления. Каждый такой «ход» может включать до 40 параллельных проводов. Вертикальный канал вдоль внутренней поверхности обмотки и каналы между ее витками образуются рейками и прокладками (рис.6, г).

Витки винтовой обмотки состоят, как правило, из большого числа параллельных проводов, расположенных концентрически и на разном расстоянии от ее оси, поэтому провода, расположенные ближе к оси, будут короче, а более удаленные — длиннее. Разница в длине и положении проводов в поле рассеяния вызывает неравенство их электрических и индуктивных сопротивлений. Разные сопротивления приводят к неравномерному распределению тока между ними, т. е. к перегрузке по току и увеличению потерь в одних и недогрузке в других проводниках.

Для выравнивания распределения тока и,следовательно,снижения  добавочных потерь в винтовых обмотках выполняют различные виды транспозиций (перестановок). В одноходовой обмотке (обычно с числом проводов в витке до 12) используют комбинацию из транспозиции (рис.7а-в)

двух групповых, когда провода в витке разделяют на две группы и обе группы меняют местами, и общей, когда изменяется взаимное расположение всех параллельных проводов. Если в одноходовой обмотке имеется 12, 16 и более параллельных проводов,то применяют транспозицию Бюда, позволяющую еще снизить добавочные потери.

   В двухходовой винтовой обмотке используют равномерно распределенную транспозицию Хобарта, при выполнении которой все провода обмотки оказываются одинаково расположенными по отношению к продольному (осевому) полю рассеяния (длина проводов также почти одинакова) (рис.8).

    Винтовая обмотка обладает значительной торцовой поверхностью, обеспечивающей ее устойчивость к осевым усилиям при КЗ, хорошей механической прочностью и достаточной поверхностью охлаждения. Ее 

широко применяют для обмоток низкого напряжения с относительно небольшим числом витков и значительными вторичными токами в трансформаторах мощностью 1000 кВА и более.

  Винтовая обмотка с любым числом ходов может быть намотана, также из транспонированного провода. При этом отпадает необходимость в дополнительной транспозиции параллельных проводников, помимо той, которая сделана в самом проводе. 

  Конструкции непрерывных катушечных обмоток: простой переплетенной, с переплетением катушек, из подразделенного  провода

  Группу последовательно соединенных витков, наматываемую в виде плоской спирали и отделенную от других таких же групп называют катушкой, а обмотку, состоящую из ряда катушек расположенных в осевом направлении,-катушечной.

Катушечные обмотки могут быть дисковыми и непрерывными. Дисковая обмотка набирается из отдельно намотанных катушек, которые затем соединяют друг с другом электропайкой или другим способом (рис.9 а). Катушки считаются левыми, если провод от верхнего наружного конца укладывается против часовой стрелки, и правыми если провод укладывается по часовой стрелке. Непрерывная обмотка (рис.9,б) наматывается без разрывов, т. е. переход из одной катушки 1 в другую 6 (рис.9, д) производится без паек. Для этого при намотке перекладывают витки каждой нечетной катушки так, чтобы один переход (из катушки в катушку) был снаружи обмотки, а другой внутри. Катушки непрерывной обмотки наматывают на

рейки 3, образующие вертикальный канал вдоль внутренней поверхности обмотки. На рейках закрепляют прокладки 5 создающие горизонтальные каналы между катушками. Иногда рейки ставят и вдоль наружной поверхности обмотки.

В витках обмотки может быть несколько, от одного до шести параллельных проводов (рис.9, в). При двух и более проводах приходится выравнивать их длины и положение в магнитном поле рассеяния, для чего провода меняют местами, т. е. делают их транспозицию (рис.9,г, д). Транспозиция параллельных проводов в непрерывной обмотке выполняется в процессе намотки на каждом переходе из катушки в катушку. Как правило в одном пролете между двумя соседними прокладками (в одном «поле») делают переход одним параллельным проводом 2.

В местах перехода провод изгибается на ребро, и его изоляция в этом месте нередко повреждается. После изгиба ее обязтедыю восстанавливают, а сам провод надежно изолируют от соседних катушек (рис.9д). Непрерывные обмотки могут выполняться с ответвлениями для регулирования напряжения. Обычно ответвления делают от наружных витков, чтобы между двумя соседними ответвлениями заключались витки, соответствующие одной ступени регулирования. Преимуществом непрерывной катушечной обмотки (кроме отсутствия разрывов при намотке) является ее большая опорная поверхность и, следовательно, значительная устойчивость к oceвым усилиям при КЗ. Другое преимущество — относительно свободный проход масла как вдоль поверхности, так и поперек (в горизонтальные каналы между катушками). Хорошее охлаждение позволяет увеличивать мощность обмотки, не опасаясь теплового разрушения ее изоляции. Благодаря указанным преимуществам, непрерывные обмотки широко применяют в трансформаторах различных мощностей и напряжений. В последние годы защита обмоток от импульсных перенапряжений при классах напряжения от 220 кВ и выше выполняется путем сочетания емкостных колец с применением переплетенных

катушечных обмоток, т. е. обмоток, в которых порядок последовтельного соединения витков отличается от последовательности их расположения в катушках. Одна из схем переплетенной обмотки показана на рис. 10. Каждая катушка наматывается двумя параллельными проводами, а затем производится соединение этих проводов по схеме. Возможны и другие способы переплетения

витков обмотки. Намотка переплетенной обмотки любого типа является более сложной и трудоемкой, чем намотка обычной непрерывной катушечной обмотки. При этом требуется увеличение электрической прочности изоляции витков и повышение плотности ее наложения, однако это усложнение технологии и увеличение стоимости обмотки окупается почти линейным начальным распределением импульсного напряжения и хорошей грозозащитой обмотки. В переплетенной обмотке отпадает необходимость в экранирующих витках, но используются емкостные кольца. Применение переплетенных обмоток в настоящее время является, по-видимому, наилучшим методом защиты от импульсных перенапряжений для обмоток классов напряжения от 220 до 750 кВ.

Дисковая обмотка ( рис.9, а) состоит из ряда отдельно намотанных одинарных или двойных (спаренных) катушек, каждая из которых имеет несколько витков, намотанных один на другой по спирали. В зависимости от напряжения катушки

дисковой обмотки могут иметь общую для всех витков дополнительную изоляцию, выполненную из лент кабельной или крепированной бумаги. Толщина дополнительной изоляции выбирается в зависимости от напряжения обмотки; в различных катушках одной обмотки она также может быть разной,— постепенно уменьшаясь от ввода в обмотку к основной ее части.     Различают одинарные и двойные дисковые катушки. Применение одинарных, дисковых катушек удваивает количество паек, причем соединение одинарных катушек осуществляется пайкой их наружных и внутренних концов. Изолировку одинарных дисковых катушек удобно производить на специальных изолировочных станках. Намотку дисковых катушек производят обмоточным проводом прямоугольного сечения в один или более (до восьми) параллельных проводов. Число витков в катушке обычно 4—25. Намотанные дисковые катушки изолируют, собирают в группы, производят их технологическую обработку (прессовку и сушку), а затем из катушек (соответственно их окончательному положению в обмотке) собирают обмотку или отдельную ее часть. Соединяют двойные катушки пайкой их наружных концов, выполненных в виде переходов из одной катушки (секции) в другую. Вертикальный канал у внутренней поверхности и горизонтальные каналы между катушками образуются П-образными замковыми прокладками из электрокартона, которые собираются из штампованных длинных и коротких (служащих «заполнителем») пластин, скрепляемых между собой полосой-замком. При установке замковых прокладок в дисковую катушку их располагают симметрично по окружности, выдергивая столбы прокладок строго по вертикали. Длинные пластины замковых прокладок образуют в обмотке горизонтальные масляные каналы, а заполнители — вертикальные каналы. Дисковые обмотки являются наиболее трудоемкими при изготовлении. Они нашли широкое применение в мощных трансформатоpax. При напряжениях 110—330 кВ входная зона обмотки, а при напряжениях 500 кВ и выше — вся обмотка высокого напряжения, помимо витковой изоляции, должна иметь общую для всех витков дополнительную (катушечную) изоляцию. Поэтому в конструкции трансформаторов напряжением 110—330 кВ в обмотке высокого напряжения в непрерывной части обмотки «добавляют» изолированные дисковые катушки входной зоны, соединяя пайкой непрерывную и дисковую части обмотки. Обмотка высокого напряжения на напряжение 500 кВ вся состоит из дисковых катушек или выполняется переплетенной (петлевой).

   К списку статей

Обмотки силовых трансформаторов. Основные типы обмоток

Смотрите также

  • Двухуровневые натяжные потолки с подсветкой для спальни фото
  • Экономичные электрообогреватели нового поколения
  • Из чего делают фанеру
  • Установка пластиковых окон в деревянном доме без окосячки
  • Самый простой сварочный инвертор своими руками
  • Шпаклевка стен под обои
  • Переделать старую мебель своими руками
  • Как укладывать керамогранит на пол своими руками
  • Как сделать кожух для дымохода
  • Размеры металлочерепицы для крыши
  • Размеры чугунных батарей отопления

Обмоткой трансформатора называют совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой складываются эдс, индуктированные в отдельных витках. Обмотки трансформатора состоят из обмоточного провода и изоляционных деталей, предусмотренных конструкцией, которые не только защищают витки от электрического пробоя и препятствуют их смещению под действием электромагнитных сил, но и создают необходимые каналы для охлаждения. Обмотки трансформаторов различных мощностей и напряжений различаются типом намотки, количеством витков, направлением намотки, числом параллельных проводов в витке, схемой соединения отдельных элементов обмотки между собой.

По взаимному расположению на стержне обмотки разделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки — это обмотки, изготовленные в виде цилиндров и концентрически расположенные на стержне магнитопровода. Чередующиеся обмотки — это обмотки ВН и НН трансформатора, чередующиеся в осевом направлении на стержне. На рисунке 1 показаны концентрическое и чередующееся расположения обмоток на стержне магнитопровода.

а — концентрическое, б — чередующееся; 1 - стержень магнитопровода, 2 — обмотка НН, 3 — обмотка ВН Рисунок 1 - Расположение обмоток на стержне магнитопровода

Основным элементом обмоток трансформатора является виток, в котором наводится эдс и который в зависимости от величины тока нагрузки может быть выполнен одним или несколькими параллельными проводами. Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности, называется слоем. Число витков в одном слое может колебаться от одного до нескольких десятков.

Одно- или многослойная цилиндрическая обмотка получается при намотке одного (или нескольких) слоев из обмоточного провода прямоугольного или круглого сечения. Наиболее простой является однослойная обмотка из прямоугольного провода (рисунок 2, а). Слой обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой линии на бумажно-бакелитовый цилиндр. Каждый виток в слое укладывается вплотную к предыдущему в осевом направлении обмотки. Витки цилиндрической обмотки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых рядом и имеющих одинаковое положение по отношению к полю рассеяния трансформатора. Обычно обмотку из прямоугольного провода наматывают плашмя, но при необходимости возможна намотка и на ребро.

а — однослойная, б — двухслойная, в — многослойная из круглого провода; 1 — витки из прямоугольного провода, 2 — разрезные выравнивающие кольца, 3 — бумажно-бакелитовый цилиндр, 4 — выводной конец первого слоя обмотки, 5 — вертикальные рейки, 6 — внутренние ответвления обмотки Рисунок 2 - Цилиндрические обмотки

Для выравнивания винтовой поверхности крайних витков к ним прикрепляют разрезные бумажно-бакелитовые кольца (в виде «клина»), которые придают обмотке форму цилиндра. Эти кольца предохраняют витки от механических повреждений и создают опорную поверхность обмотки.

Между слоями двухслойной цилиндрической обмотки (рисунок 2, б) прокладывают изоляцию из бумаги или электрокартона или равномерно по окружности устанавливают несколько реек, образующих вертикальный охлаждающий канал. Соединение между слоями обычно осуществляют переходом без пайки.

Одно- и двухслойные цилиндрические обмотки из прямоугольного провода обычно применяют в качестве обмоток НН на напряжение до 690 В в трансформаторах мощностью до 630 кВА.

Многослойная цилиндрическая обмотка (рисунок 2, в) наматывается, как правило, из провода круглого сечения. Намотка осуществляется плотной укладкой витков одного к другому с переходами из слоя в слой. Намотку первого слоя обычно производят на бумажно-бакелитовом цилиндре. Между последующими слоями размещают несколько слоев кабельной бумаги. Для увеличения поверхности охлаждения между некоторыми слоями обмотки создается осевой канал, образованный рейками из электрокартона или бука. Такие многослойные обмотки применяют в качестве обмоток ВН для масляных трансформаторов мощностью до 400 кВА при напряжении до 35 кВ.

Винтовая обмотка (ее иногда называют спиральной) состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии, с каналами между ними. Каждый виток состоит из одного (очень редко) или нескольких одинаковых прямоугольных проводов, располагаемых плашмя вплотную друг к другу в радиальном направлении. Общее число параллельных проводов в винтовых обмотках может достигать 100 и более (в мощных трансформаторах). В зависимости от тока и соответственно числа параллельных проводов винтовая обмотка может выполняться одноходовой, как показано на рисунке 3, а, или многоходовой, т. е. вся обмотка может состоять из двух и более отдельных винтовых обмоток, вмотанных одна в другую в процессе изготовления (рисунок 3, б). Каждый такой «ход» может состоять из 4—40 параллельных проводов.

а) б)

а - из одного провода в витке, б – из нескольких параллельных проводов в витке Рисунок 3 – Винтовая обмотка

Винтовые обмотки наматываются на бумажно-бакелитовые цилиндры или специальные оправки. После намотки обмотку снимают с оправки и отправляют на дальнейшую технологическую обработку. Однако в любом случае вертикальный канал вдоль внутренней поверхности винтовой обмотки и каналы между ее витками образуются рейками и прокладками из электрокартона.

Параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрически и находятся на разном расстоянии от ее оси. Поэтому, если не принять специальных мер, провода, расположенные ближе к оси, будут короче, а более удаленные от нее — длиннее. Кроме того, положение в магнитном поле рассеяния этих проводов будет различным, т. е. все они будут иметь неодинаковые активные и реактивные сопротивления и, следовательно, распределение тока между ними окажется различным.

Для равномерного распределения тока между параллельными проводами и уменьшения добавочных потерь винтовые обмотки делают с транспозициями (перекладками проводов в процессе намотки). При перекладках стремятся, чтобы транспозиция была совершенной, т. е. чтобы каждый провод попеременно занимал все положения, возможные в пределах одного витка.

В винтовых обмотках применяют различные виды транспозиций. В одноходовой обмотке с числом проводов до 12 обычно применяют комбинацию из двух видов транспозиции (рисунок 4): групповую, когда параллельные провода делятся на две группы и обе эти группы меняются местами, и общую, когда изменяется взаимное расположение всех параллельных проводов. На рисунке 5 схематически показан этот способ перекладки проводов. Каждый виток имеет четыре параллельных провода (1—4), которые на расстоянии 1/4 и 3/4 высоты обмотки разделяются на равные группы, меняющиеся местами (рисунок 4, а); эти транспозиции называют групповыми. В середине обмотки производят общую перекладку, когда все провода меняются местами.

а – групповая, б – общая (показана часть транспозиции) Рисунок 4 – Транспозиции проводов в витковых обмотках

1-4 – провода Рисунок 5 – Схема транспозиции в винтовой обмотке из четырех параллельных проводов

При числе параллельных проводов более 12 в одноходовой обмотке эффективна и широко применяется транспозиция Бюда; в двухходовой винтовой обмотке часто выполняют равномерно распределенную транспозицию, когда число перестановок в обмотке обычно равно числу параллельных проводов.

Винтовая обмотка имеет значительную торцевую поверхность, позволяющую обеспечить ее устойчивость к осевым усилиям при коротких замыканиях; она обладает хорошей механической прочностью и развитой поверхностью охлаждения. Поэтому ее широко применяют для обмоток НН, имеющих относительно небольшое число витков, при больших токах в трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше.

В последнее время все более широкое распространение получают винтовые обмотки из транспонированного провода, где элементарные проводники с лаковой изоляцией меняются местами в процессе изготовления самого провода. Такие обмотки технологичны, имеют низкие добавочные потери и высокую механическую прочность.

Непрерывные обмотки (рисунок 6) особенно широко применяют для трансформаторов. Они состоят из отдельных катушек (секций), намотанных из прямоугольного провода, причем в каждой катушке может быть несколько витков. На рисунке 7 показана часть такой катушки с двумя витками: витки здесь выполнены двумя параллельными проводами. Обмотку такого типа называют непрерывной потому, что ее наматывают без разрывов, т. е. переход из одной катушки в другую производится непрерывно, без паек. Для этого перекладывают витки каждой второй катушки так, чтобы один переход (из катушки в катушку) был снаружи обмотки, а второй — внутри (рисунок 8).

Рисунок 6 – Непрерывная обмотка

Рисунок 7 - Часть катушки непрерывной обмотки с двумя параллельными проводами в витке

1 — наружный, 2 — внутренний Рисунок 8 - Переходы в катушках непрерывной обмотки

В непрерывной обмотке может быть до четырех и даже шести параллельных проводов в витке. В ней тоже производят транспозицию проводов, однако выполняют ее в каждой катушке при переходе проводов из одной катушки в другую. В непрерывных обмотках особенно удобно выполнять ответвления для регулирования напряжения. Их делают обычно от наружных (реже — внутренних) переходов так, чтобы между двумя соседними ответвлениями размещались витки, соответствующие ступени регулирования. Непрерывные обмотки отличаются высокой механической прочностью и надежностью, поэтому их широко применяют как для обмоток НН, так и для обмоток ВН у трансформаторов различных мощностей и напряжений.

Обмотки трансформатора изолируют от заземленных частей (магнитопровода, бака) и от других обмоток. Эту изоляцию обмоток называют главной. Кроме главной имеется продольная изоляция обмоток. Продольной называют изоляцию между отдельными элементами данной обмотки — витками, катушками, слоями и др.; она выполняется при изготовлении обмотки и здесь не рассматривается. Главная изоляция, наоборот, почти вся устанавливается при сборке трансформаторов, поэтому кратко рассмотрим ее основные элементы.

Изоляция обмоток от верхнего и нижнего ярм обеспечивается масляными каналами и барьерами, образуемыми так называемой ярмовой изоляцией, перекрывающей поверхность ярма, обращенную к обмоткам. Ярмовая изоляция представляет собой электрокартонную шайбу (барьер) 1 (рисунок 9) с прикрепленными к ней прокладками 2 из прессованного электрокартона, создающими необходимый масляный промежуток.

1 — шайба, 2 — прокладка, 3 — заклепка Рисунок 9 - Ярмовая изоляция трансформатора

При Т-образном сечении ярма для выравнивания полки ярмовой балки с плоскостью ярма применяют так называемую уравнительную изоляцию, заполняющую промежуток между ярмовой балкой и ярмовой изоляцией; ее выполняют из бука, березы или электрокартона (рисунок 10). Уравнительная изоляция из электрокартона образуется пластинами, имеющими форму подковы и сегмента, к которым с двух сторон прикреплены прокладки.

а — из дерева, б — из электрокартона; 1 — продольная планка, 2 — отверстие, 3 — поперечная планка, 4— пластина, 5 — электрокартонная прокладка Рисунок 10 - Уравнительная изоляция трансформаторов I—III габаритов

В трансформаторах I и II габаритов на напряжение до 15 кВ размер изоляционного промежутка от обмотки до ярм невелик, поэтому у них ярмовая и уравнительная изоляции совмещены и выполнены из деревянных планок или электрокартонных деталей простой формы.