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.
