Обмотки трансформаторов

Обмотки являются основным элементом трансформатора, обеспечивающим преобразование электрической энергии путем изменения токов и напряжений при сохранении передаваемой мощности. Вместе с остовом они образуют активную часть трансформатора.
Обмотки трансформатора выполняются из обмоточного провода и представляют единое целое с деталями, которые образуют их изоляцию, удерживают провода в заданном положении, препятствуют их смещению под действием электромагнитных сил, а также создают каналы для охлаждения. В конструкции обмоток предусматриваются линейные и нейтральные отводы, регулировочные ответвления.
Как было отмечено в предыдущей главе, основным типом магнитной системы мощных трансформаторов является стержневая магнитная система с круглым сечением стержней, поэтому применяются обмотки круглой формы. Обмотки круглой формы устойчивы при воздействии на них растягивающих или сжимающих усилий, имеют наименьшую длину провода при заданном активном сечении магнитопровода, надежны в эксплуатации и просты в изготовлении. По взаимному расположению на стержне обмотки делятся на:
1) концентрические, располагаемые одна в другой;
2) чередующиеся, в которых части обмоток ВН и НН попеременно следуют одна за другой по высоте стержня.
Для силовых трансформаторов общего назначения, за редким исключением, принято концентрическое расположение обмоток, поэтому будем рассматривать обмотки только этой конструкции.
Концентрические обмотки имеют форму цилиндров. Обмотки высшего, среднего и низшего напряжений (ВН, СН, НН) одного трансформатора имеют примерно одинаковую высоту.
Основным элементом обмотки трансформатора является виток, который в зависимости от тока нагрузки может быть выполнен одним проводом или группой параллельных проводов. Взаимное расположение витков, соединенных последовательно в электрической схеме обмотки, определяет тип конструкции обмотки. По конструкторско-технологическим принципам различают следующие основные типы обмоток:

Для мощных трансформаторов в основном применяются винтовые, непрерывные и переплетенные обмотки. Ниже будет подробно рассмотрен каждый тип применяемых обмоток.
При расчете и конструировании обмоток необходимо обеспечить:
1) допустимое превышение температуры над окружающей средой при номинальной мощности и допустимых перегрузках;
2) электрическую прочность при рабочем напряжении и возможных перенапряжениях;
3) механическую прочность, в том числе при коротких замыканиях.

Проводниковые материалы

Для намотки обмоток трансформаторов, как правило, применяются провода из чистой электролитической меди (99,95 % чистой меди), обладающей высокой электрической проводимостью, большой эластичностью и достаточной механической прочностью. Удельное электрическое сопротивление электролитической меди при 20 °С равно (17,24-М7,54) • 10⁹ Ом • м, плотность -8,9 кг/дм3. Медь является дорогим и дефицитным материалом, поэтому в обмотках трансформаторов малой и средней мощности часто применяют провода из рафинированного алюминия, удельное сопротивление которого при 20°С равно 28,2 • 10⁹ Ом • м, плотность — 2,6-2,7 кг/дм3. Алюминий дешевле меди, но худшая электрическая проводимость и меньший предел прочности при растяжении (~ в 3,5 раза) ограничивает возможность применения его в мощных трансформаторах.
В обмотках мощных силовых трансформаторов обычно применяют медный изолированный провод прямоугольного сечения по ТУ 16.К71-108—94. По нагревостойкости изоляции в пропитанном состоянии эти провода относятся к классу А (максимальная температура нагрева 105 °С) по ГОСТ 8865. Применяются следующие марки проводов:

Рис. 1. Транспонированный провод: У — элементарный проводник; 2 — общая изоляция провода; 3 — полоса кабельной бумаги.

ПБ — провод медный прямоугольный, изолированный лентами кабельной или телефонной бумаги;
ПБУ — провод медный, прямоугольный, изолированный лентами трансформаторной высоковольтной уплотненной бумаги.
Номинальная удвоенная толщина изоляции прямоугольных проводов марок ПБ: 0,45; 0,55; 0,72; 0,96; 1,20; 1,35; 1,68; 1,92 мм, а для марок ПБУ - 1,35; 2,00; 2,48; 2,96; 3,60мм.
В обмотках с большим номинальным током каждый виток состоит из нескольких параллельных проводов. При этом необходимо обеспечить равномерное распределение тока по параллелям, для чего все параллели должны иметь одинаковые активные и реактивные сопротивления. С этой целью, а также для увеличения электродинамической стойкости обмоток и уменьшения трудоемкости их изготовления применяют транспонированные провода по ТУ 16-505. 367—77 производства Запорожского кабельного завода. Эти провода по нагревостойкости также относятся к классу А по ГОСТ 8865. Марки проводов:
ПТБ — провод транспонированный с жилой из элементарных эмалированных медных прямоугольных проводников в общей бумажной изоляции из кабельной двухслойной или (и) многослойной упрочненной бумаги;
ПТБУ — такой же провод, но в общей бумажной изоляции из высоковольтной, многослойной стабилизированной уплотненной бумаги.
Транспонированный провод (рис. 1) состоит из нечетного числа прямоугольных эмалированных проводников, расположенных в два ряда. Между рядами проводников проложены две полоски из кабельной бумаги толщиной 0,12 мм. Для изготовления транспонированных проводов применяются провода марки ПЭМП по ТУ16-505.855-75. Транспозиция выполняется по принципу круговой перестановки проводников по прямоугольному контуру с шагом от 40 до 200 мм. Поверх всех эмалированных проводников накладывается общая бумажная изоляция.
Номинальная удвоенная толщина изоляции для транспонированного провода марки ПТБ: 0,72; 0,96; 1,36; 1,92 мм; марки ПТБУ: 2,00; 2,48; 2,96; 3,60 мм.
Размеры применяемых эмалированных проводников: ширина а = 1,80-3,55мм; высота Ъ = 3,75^8,50мм. Количество элементарных проводников — до 35.
Для увеличения стойкости трансформатора при коротких замыканиях выпускаются транспонированные провода с проложенной между рядами элементарных проводников клейкой лентой взамен кабельной бумаги. Недостатком этого провода является относительно низкий срок сохраняемости (45 суток).
Применяются также провода фирмы «LACROIX + KRESS», выпускающей транспонированные провода из меди трех уровней прочности, а также транспонированные провода со склейкой. В транспонированных проводах со склейкой каждый элементарный проводник дополнительно, поверх эмалевой изоляции, покрыт эпоксидным покрытием толщиной 0,05 мм на две стороны. При сушке обмотки происходит склеивание элементарных проводников. Основным преимуществом этого провода является его повышенная радиальная прочность (минимум в 1,75 раза) по сравнению с обычным проводом, а также большой срок сохраняемости с момента производства до момента полимеризации при сушке обмотки — шесть месяцев.
При несколько меньших номинальных токах для уменьшения добавочных потерь за счет вихревых токов, вызываемых магнитным полем рассеяния, и уменьшения трудоемкости изготовления обмоток применяют подразделенные провода с бумажной изоляцией по ТУ 16-505.661—74. По нагревостойкости изоляции они относятся к классу А по ГОСТ 8865, или к классу Е (120°С) (для изготовления обмоток с повышенным ресурсом работы).
Марки проводов:
ПБП — провод обмоточный медный подразделенный, изолированный лентами кабельной упрочненной бумаги;
ПБПУ — такой же провод, изолированный лентами трансформаторной высоковольтной уплотненной бумаги класса нагревостойкости А;
ПБПн — провод обмоточный медный подразделенный, изолированный лентами трансформаторной нагревостойкой бумаги класса нагревостойкости Е;
ПБПУн — провод обмоточный медный подразделенный, изолированный лентами
трансформаторной высоковольтной уплотненной бумаги класса нагревостойкости Е.
Подразделенный провод (рис. 2) состоит из двух, трех, реже четырех элементарных проводников, каждый из которых изолирован бумажной изоляцией толщиной 0,48 мм на две стороны, поверх которой наложена общая изоляция.
Номинальная удвоенная толщина изоляции для подразделенного провода марок ПБП и ПБПн: 0,96; 1,20; 1,44; 1,68; 1,92 мм; марок ПБПУ и ПБПУн: 1,36; 2,00; 2,48; 2.96; 3,60 мм.
Размеры применяемых элементарных проводников: ширина а = 1,4^4,25 мм; высота b = 7,5-19,5 мм.
Для увеличения прочности при коротких замыканиях выпускаются подразделенные провода с изоляцией из бакелизированной бумаги. При сушке обмотки бакелитовый лак полимеризуется, склеивая провода.