Содержание материала

Глава вторая
Основные элементы конструкции трансформаторов

12. Условные обозначения трансформаторов

Силовые трансформаторы общего назначения в зависимости от мощности и напряжения условно подразделяются на габариты (группы) согласно табл. 2.

Условное обозначение типа трансформатора состоит из двух частей — буквенной и цифровой. Первая буква обозначает число фаз: Т — трехфазный и О — однофазный. Иногда перед этой буквой ставится буква, соответствующая назначению или особенности трансформатора, например: Э — электропечной, А — автотрансформатор и т. д. На втором месте ставятся буквы, означающие систему охлаждения, например: М — естественная циркуляция воздуха и масла; Д — принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла; ДЦ — принудительная циркуляция воздуха и масла; Ц — принудительная циркуляция воды и масла; С — естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении; СЗ — то же, при защищенном исполнении. На третьем месте ставится буква, обозначающая особенность трансформатора, например: Н — регулирование под нагрузкой.
Цифровая часть обозначения состоит из дроби, где числитель означает номинальную мощность трансформатора в киловольт- амперах, а знаменатель — класс напряжения обмотки ВН в киловольтах.
У трансформаторов последних выпусков (начиная с 1975 г.) к указанному выше основному обозначению типа добавляется год разработки (две последние цифры) и обозначение климатического исполнения и категории размещения.
В пределах трансформаторов, рассматриваемых в данной книге.

Общие сведения о конструкции трансформаторов

Трансформатор представляет собой сложное устройство, состоящее из большого числа различных конструктивных элементов. Основные из них — магнитопровод (магнитная система) и обмотки.

Рис. 6. Схема однофазного (а) и трехфазного (б) стержневого магнитопровода с обмотками:
С — С — стержни, Я — Я — ярма, О — О — обмотки, ИЦ — изоляционный цилиндр


Рис. 7. Расположения обмоток ВН и НН на стержне магнитопровода:
а — концентрическое, б — чередующееся

Рис. 8. Общий вид силового масляного трехфазного трансформатора II габарита на 6 кВ с трубчатым баком:
1 — термометр, 2 — ввод обмотки ВН, 3 — ввод обмотки НН, 4 — пробка для заливки масла, 5 — указатель уровня масла, 6 — пробка для заливки масла в расширитель, 7 — маслорасширитель, 8 — магнитопровод, 9 — обмотка НН, 10 — обмотка ВН, 11 —  пробка для взятия пробы и спуска масла, 12 — бак
Магнитопровод вместе с насаженными на него обмотками называют активной частью трансформатора, а остальные элементы — неактивными, вспомогательными частями.
Для отечественных силовых трансформаторов применяют преимущественно магнитопроводы стержневого типа. Однофазные трансформаторы имеют магнитопроводы с двумя стержнями, несущими обмотки, трехфазные — с тремя стержнями. Стержни соединены верхними и нижними ярмами.
Одно- и трехфазный трансформаторы со стержневыми магнитопроводами схематично показаны на рис. 6.
Обмотки трансформатора, включаемые в сеть, предназначены для получения (при соответствующем отношении количества их витков) желаемой трансформации, т. е. изменения напряжения.
Обмотки трансформатора представляют собой часть электрической цепи (первичной или вторичной) и состоят из проводникового материала — обмоточных проводов (медные или алюминиевые) и изоляционных деталей.
Расположение обморок ВН и НН на стержне у силовых трансформаторов применяется преимущественно концентрическое, т. е. когда одна обмотка одета (или намотана) на другую, как показано на рис. 7, а. Ближе к стержню обычно расположена обмотка НН. Между обмотками помещают изоляционные цилиндры ИЦ (см. рис. 6).
У некоторых трансформаторов специального назначения, например у электропечных, применяется также чередующееся расположение обмоток, показанное на рис. 7, б. При таком расположении катушки ВН и НН насаживают на стержни поочередно, причем со стороны ярм крайними располагают катушки НН как требующие меньших изоляционных расстояний от ярма.
Активная часть силового трансформатора II габарита, помещенная в бак, изображена на рис. 8.

Магнитопровод (магнитная система)

Магнитопровод трансформатора собирают из пластин электротехнической стали. В настоящее время наибольшее применение получила электротехническая холоднокатаная сталь марок 3414, 3415 и других толщиной 0,28—0,35—0,5 мм. Эта сталь обладает высокой магнитной проницаемостью, повышенным удельным электрическим сопротивлением и относительно малыми потерями на перемагничивание. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируют нанесением защитных пленок.
Оборку пластин магнитопровода производят способом шихтовки. При этом образующиеся стыки пластин одного слоя перекрываются пластинами соседнего слоя. Такой способ преследует две цели: во-первых, уменьшается намагничивающий ток трансформатора и, во-вторых, увеличивается механическая прочность собранного магнитопровода. Сборку стержней и ярм встык применяют только для так называемых пространственных магнитопроводов и для магнитопроводов реакторов.
Сечению стержней магнитопровода, на которые насаживаются обмотки, придают ступенчатую форму, близкую к кругу (вписанную в окружность). Ярмо магнитопровода обычно имеет в сечении также ступенчатую форму. Однако у трансформаторов меньшей мощности, с целью некоторого упрощения конструкции, сечение ярма делается двух- или трехступенчатым.
Пластины электротехнической стали, составляющие магнитопровод, для придания всей конструкции прочности и монолитности должны быть хорошо сжаты (стянуты) между собой. Плотная стяжка пластин необходима также для уменьшения вибрации магнитопровода во время работы трансформатора. В ранее разработанных конструкциях силовых трансформаторов стяжка магнитоприводов осуществлялась при помощи шпилек, пропущенных через отверстия, проштампованные в пластинах. Во вновь разработанных конструкциях применяют так называемую бесшпилечную прессовку. Стержни магнитопровода стягиваются бандажами из стеклоленты, а ярма — стальными полубандажами, охватывающими ярмо и прессующие ярмовые балки.
Магнитопровод с прессующими балками и деталями крепления составляет так называемый остов трансформатора, который является механической основой активной части трансформатора. На остове устанавливают обмотки, укрепляют отводы, переключатели, а у большинства трансформаторов I, II и III габаритов также и крышку бака с вводами и прочей арматурой.

Обмотки силовых трансформаторов. Основные типы обмоток

Общие сведения. Обмотка трансформатора является его наиболее ответственным конструктивным узлом. От того, насколько правильно и качественно выполнена обмотка, в значительной степени зависит надежная и долговечная работа трансформатора.
Правильно сконструированная и выполненная обмотка трансформатора должна удовлетворять определенным эксплуатационным и производственным требованиям.
Основными эксплуатационными требованиями являются электрическая и механическая прочность и нагревостойкость обмоток.
Изоляция обмоток должна выдерживать без повреждений как рабочее напряжение, так и атмосферные и коммутационные перенапряжения.
Механическая прочность обмоток должна исключать возможность их деформации при воздействии токов короткого замыкания и при транспортировке трансформаторов.
Нагревостойкость обмоток должна быть обеспечена необходимой поверхностью соприкосновения обмотки с охлаждающей средой и соответствующим расположением, и размерами каналов для охлаждения обмоток.
Элементом обмотки является виток обмоточного провода, охватывающий стержень магнитопровода. Сечение витка выбирается в зависимости от номинального нагрузочного тока. При малом токе применяется провод круглого сечения, при больших токах (более 20—30 А) — прямоугольного сечения в один или несколько параллельных проводов.
Число витков определяется по расчету исходя из величины напряжения. Отдельные витки обмотки группируют в катушки. Катушкой называется группа последовательно соединенных витков, конструктивно объединенная и отделенная от других таких групп или обмоток. Каждая обмотка может состоять из одной или нескольких соединенных между собой катушек.
При намотке катушек на станке каждый следующий виток может быть уложен либо рядом с предыдущим (по винтовой линии), либо (при прямоугольном проводе) поверх его (по спирали). В зависимости от способа намотки будут получаться разные типы обмоток. В первом случае будет получаться цилиндрическая слоевая обмотка, а во втором случае — плоская катушка в виде диска. Обмотка, составленная из таких катушек, называется дисковой. Описанные ниже типы обмоток являются разновидностью или сочетанием двух основных типов обмоток.

Направление намотки катушек.

При изготовлении обмоток должно быть обязательно соблюдено направление намотки катушек, указанное в чертежах. Возможны два направления намотки — левое и правое.
Направление намотки однослойной катушки принято считать левым, если намотка ее витков по винтовой линии совпадает с левой нарезкой болта, и правым, если совпадает с правой нарезкой. При левой намотке слоевой катушки, если смотреть с ее торца, провод от начала намотки проходит по катушке против часовой стрелки. Аналогичным образом в правой катушке провод от ее начала проходит по часовой стрелке. Это правило справедливо и для многослойной катушки, которая будет называться левой или правой в зависимости от направления намотки ее первого слоя.

При намотке слоевых катушек на обмоточном станке намотка слоя будет получаться левой, если начинать наматывание слоя с левой стороны шаблона, и наоборот, направление слоя будет правым, если начинать намотку справа (при этом предполагается, что рабочее место обмотчика находится со стороны, противоположной барабану с обмоточным проводом, как, например, при намотке катушек трансформаторов I и II габаритов).
Намотка левых и правых катушек схематически показана на рис. 9.

Рис. 9. Схема намотки цилиндрических слоевых катушек:
а — левая, б — правая; 1 — место рабочего-намотчика, 2 — шаблон, 3 — плашка для натяжения провода, 4 — барабан с проводом
Цилиндрическая слоевая обмотка. Эта обмотка является наиболее простой как по конструкции, так и по технологии ее изготовления.
Слоевые обмотки из прямоугольного провода наматывают на шаблонах (оправках). Такие обмотки чаще изготовляют двухслойными, что позволяет проще закреплять их выводные концы. Между слоями прокладывается изоляция из электрокартона или (в зависимости от условий охлаждения) устраивается канал для циркуляции масла. Рейки, образующие канал, изготовляют клееными из электрокартона.
По концам обмотки винтовая поверхность крайнего витка в каждом слое выравнивается либо полосами из электрокартона (клиновидной формы), либо кольцами, изготовленными из бумажно-бакелитового цилиндра. Двухслойная цилиндрическая обмотка показана на рис. 10, а.
Двухслойные цилиндрические обмотки применяют в качестве обмотки НН на напряжение до 690 В в трансформаторах мощностью до 750 кВ-А.


Рис. 10. Цилиндрическая слоевая обмотка:
а — двухслойная из прямоугольного провода, б — многослойная из круглого провода; 1 — обмоточный провод, 2 — выравнивающее разрезное кольцо, 3 —  вывод конца обмотки, 4 — выводной конец первого слоя (начала) обмотки, 5 — рейки, 6 — регулировочные ответвления в виде петель провода, 7 — бумажно-бакелитовый цилиндр, 8 — концевая изоляция в виде «бортика»
Многослойная цилиндрическая обмотка (рис. 10,6) наматывается на бумажно-бакелитовой цилиндр. В качестве междуслойной изоляции применяют кабельную бумагу толщиной 0,12 мм. Для обмоток ВН трансформаторов I и II габаритов толщина междуслойной изоляции берется при напряжении 6 кВ — 2X0,12 мм и при напряжении 10 кВ — 3Х0,12 мм. Крайние витки крепят при помощи бортиков. Бортик представляет собой полоску из электрокартона, наклеенную на более широкую полосу телефонной бумаги. Выступающая части бумаги прижимается крайними витками, удерживая бортик от сползания. Для напряжения до 12 кВ ширина бортика берется 12 мм.
Для увеличения поверхности охлаждения внутри обмотки при помощи реек устраивают продольный канал (после намотки примерно 1/3 общего числа слоев).
Многослойные цилиндрические обмотки из круглого провода применяют в качестве обмоток ВН на напряжение 3—35 кВ в трансформаторах мощностью до 250—400 кВ-А.
Положительными качествами цилиндрической слоевой обмотки кроме простоты ее изготовления являются хорошие условия охлаждения (при наличии осевых каналов) и, что особенно важно при напряжениях 6 кВ и выше, практически равномерное распределение импульсных перенапряжений по слоям обмотки. Установка экранов делает слоевую обмотку практически нерезонирующей.
К недостаткам многослойной цилиндрической обмотки следует отнести большое напряжение между двумя слоями, требующее большой толщины междуслойной изоляции. Поэтому при высоких напряжениях приходится отказываться от таких обмоток и применять катушечные или непрерывные обмотки.

Винтовая обмотка.


Рис. 11. Одноходовая винтовая обмотка с тремя транспозициями:
1 — концевая изоляция, 2 — междувитковые прокладки, 3 — общая транспозиция, 4 —  групповая транспозиция, 5 —  бумажно-бакелитовый цилиндр, 6 — рейка
Винтовая обмотка является однослойной многопараллельной обмоткой, у которой в отличие от слоевой обмотки параллельные провода положены друг на друга в радиальном положении. В зависимости от расположения проводов обмотка бывает одно-, двух- или четырехходовой. Между витками проводов ставят прокладки из электрокартона для создания каналов. Винтовую обмотку наматывают на рейки из электрокартона, укладываемые на бумажно-бакелитовый цилиндр или специальную оправку, благодаря чему по общей конструкции она сходна с непрерывной обмоткой.
В винтовой обмотке необходимо делать транспозицию, т. е. перекладку проводов в сечении витка. Это требуется для выравнивания сопротивлений каждого из параллельных проводов между собой. При отсутствии транспозиции провода, имея разную длину (из-за разных диаметров), имели бы и разные сопротивления, что привело бы к неравномерному распределению по ним тока и повышенному нагреву нижних по сечению витка проводов.
В одноходовой винтовой обмотке, у которой параллельные провода составляют одну группу, транспозиции делаются в трех местах, на расстоянии одной четверти витков одна от другой (что видно на рис. 11). В середине обмотки делается общая трансу позиция, при которой расположение всех проводов меняется на обратное, а в двух других местах взаимно меняются своим расположением группы проводов, т. е. делаются групповые транспозиции.
В двухходовой винтовой обмотке (с двумя группами проводов) выполняется равномерно распределенная транспозиция. В этом случае производится перемещение проводов из одной группы в другую через равные промежутки по всей длине обмотки. Число перемещений должно быть равно числу параллельных проводов.
Винтовая обмотка отличается большой механической прочностью в осевом направлении (допускает прессовку).

Дисковая обмотка.

Дисковая обмотка состоит из дисковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Дисковые катушки наматывают прямоугольным проводом и большей частью группируют в двойные катушки, исходя из удобства соединения их внутренних концов (переходов). Двойная дисковая ка тушка изображена на рис. 12.


Двойная дисковая катушка
Рис. 12. Двойная дисковая катушка:
1 — место внутреннего соединения (перехода), 2 — бандаж из киперной ленты, 3 — временные подставки для наложения бандажа, 4 — одинарные катушки

Непрерывная обмотка.

Дисковая обмотка при последовательном соединении катушек может быть намотана непрерывно, т. е. без обрыва провода при переходе от одной двойной катушки к другой. Такая обмотка получила название непрерывной. В такой обмотке половина катушек (чаще нечетные) — перекладные. Перекладную катушку сначала наматывают, как обычную дисковую катушку, начиная от цилиндра, а затем, после ослабления натяжения провода, ее витки перекладывают в обратном порядке и провод снова натягивают. При этом конец катушки уже находится со стороны цилиндра и следующая катушка наматывается обычной, т. е. неперекладной. Следующая катушка будет опять перекладной и т. д.
Непрерывную обмотку I—III и частично IV габаритов наматывают на рейки из электрокартона, накладываемые на бумажно-бакелитовый цилиндр, а обмотку большой мощности — на технологический (временный) стальной цилиндр (шаблон).
Между катушками ставят прокладки из электрокартона, создающие каналы для охлаждения обмотки.
Непрерывная обмотка может быть намотана несколькими параллельными проводами. В таких случаях для выравнивания сопротивления параллельных проводов при переходе (внутреннем и наружном) из катушки в катушку провода меняют местами, т. е. делают транспозицию, подобную общей транспозиции в винтовой обмотке. При выполнении транспозиции перекладка каждого провода, как правило, занимает один промежуток между прокладками, и таким образом количество промежутков по окружности обмотки, занятых переходами, равно количеству параллельных проводов.
Ответвления для регулирования напряжения делают обычно от наружных витков (переходов) таким образом, чтобы число витков между соседними ответвлениями соответствовало одной ступени регулирования.
Для непрерывных обмоток трансформаторов I—II габаритов применяют преимущественно алюминиевый провод АПБ, для больших мощностей — медный провод ПБ. Непрерывные обмотки для напряжений до 35 кВ наматывают проводом с нормальной изоляцией толщиной 0,4—0,55 мм на две стороны. Для напряжения 110 кВ применяют провод с усиленной, изоляцией — 1,2—1,35 мм. Кроме того, обмотки на напряжение 110 кВ для большей электрической прочности имеют по две концевые катушки, намотанные проводом с усиленной изоляцией 1,68—1,92 мм на две стороны. 


Рис. 13. Непрерывная обмотка:
1 — концевая изоляция, 2 — регулировочные ответвления в виде петель из провода, 3 — междукатушечные прокладки, 4 — бумажно-бакелитовый цилиндр, 5 — рейка
Обмотки ВН (наружные) на напряжение 110 кВ и выше имеют также частичную емкостную защиту (от перенапряжений, возникающих в линии электропередачи) в виде экранирующих витков и емкостных колец, выравнивающих электрическое поле во входных катушках обмотки. Экранирующие витки из провода с усиленной изоляцией накладываются непосредственно на входные катушки обмотки, а емкостные кольца устанавливаются отдельно по торцам обмотки. Емкостное кольцо представляет собой прессованное кольцо (шайбу) из электрокартона, обернутое металлической фольгой (с некоторым разрывом во избежание короткозамкнутого витка) и изолированное кабельной бумагой. Выводные концы от экранирующих витков и емкостного кольца спаиваются вместе и припаиваются к начальному витку обмотки.
Обмотки СН (внутренние) выполняют без экранирующих витков и снабжают только емкостными кольцами.
Непрерывные обмотки получили широкое применение в трансформаторах разных мощностей и напряжений. Преимуществом этих обмоток является их большая стойкость к осевым усилиям, возникающим при коротких замыканиях. Непрерывная обмотка имеет большую торцовую опорную поверхность и допускает подпрессовку в осевом направлении при ее ослаблении в процессе эксплуатации. Внешний вид непрерывной обмотки показан на рис. 13.

Переключающие устройства для регулирования напряжения

Регулирование по способу ПБВ осуществляется при помощи переключающих устройств. При прямой схеме регулирования (см. рис. 5, а) применяются переключатели ответвлений, одна из конструкций которых изображена на рис. 14. Три переключателя (по одному на фазу), расположенные на одной оси, приводятся в действие одновременно от общего ручного привода, находящегося на крышке бака. При оборотной схеме (см. рис. 5,6) применяются переключатели ответвлений: на три ступени (рис. 15) и реечный встроенный на пять ступеней. В комплект переключающего устройства РПН с токоограничивающим реактором входят следующие основные узлы: контактор, избиратель, реактор и приводной механизм. 

Рис. 15. Трехфазный переключатель ответвлений:
а — вид снизу, б — общий вид; 1 — неподвижные контакты, 2 — бумажно-бакелитовый цилиндр, 3 — коленчатый вал, 4 — подвижные контакты в виде сегментов, 5 — приводной вал, 6 — фланец, 7 — колпак, 8 — стопорный болт, 9 — стрелка, 10 — ось

Рис. 14. Однофазный переключатель ответвлений:
1 — стальной штифт, 2 — стальная втулка, 3 — гетинаксовый диск, 4 — вырез в диске, 5 — коленчатый вал, 6 — контактный стержень, 7 — контактные кольца, 8 — бумажно-бакелитовая втулка, 9 — кабель
Избиратель и реактор помещают в бак трансформатора, контактор — в отдельный бак, чтобы иметь возможность осмотра контактов и замены масла, не сливая его из основного бака трансформатора. Приводной механизм устанавливают рядом с трансформатором. Переключающее устройство с токоограничивающими резисторами помещается в бак трансформатора.