Обмотки являются одним из основных элементов трансформатора, позволяющим осуществлять преобразование напряжения, т. е. получение двух или нескольких различных напряжений. Вместе с магнитопроводом они образуют активную часть трансформатора. Обмотки трансформатора выполняются из обмоточного провода и непосредственно связаны с деталями, которые образуют изоляцию трансформатора, удерживают провода в положении, предусмотренном расчетом и конструкцией, препятствуют их смещению под действием электромагнитных сил, а также создают каналы для охлаждения. В конструкцию обмоток входят выводные концы, регулировочные ответвления, емкостные кольца и экраны емкостной защиты.
Обмотки трансформаторов различных мощностей и напряжений различаются типом намотки, числом витков, поперечным сечением провода и числом параллельных проводов, направлением намотки, схемой соединения отдельных элементов обмотки и конструкцией изоляции. В зависимости от назначения трансформатора, его типа, мощности и напряжения обмотки выполняются различных конструкций. В сериях отечественных силовых трансформаторов применяют концентрические обмотки круглой формы. Они устойчивы при воздействии на них растягивающих или сжимающих усилий, имеют наименьшую длину провода при заданном активном сечении магнитопровода, надежны в эксплуатации, просты в изготовлении.
Основным элементом обмотки трансформатора является виток, который в зависимости от номинального тока нагрузки может быть выполнен одним или группой параллельных проводов. Число витков обмотки определяется расчетом исходя из напряжения трансформатора. Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности, называется слоем. Число витков в одном слое может быть от одного до нескольких десятков и даже сотен. Отдельные витки обмотки группируются в катушки. Обмотка может состоять из одной или нескольких катушек, соединенных между собой. Между витками, слоями или катушками, а также между разными обмотками и частями трансформатора устанавливается электрическая изоляция, гарантирующая обмотку от пробоя как при рабочем напряжении, так и при возможных перенапряжениях. Для нормального охлаждения обмотки между ией и другими частями трансформатора, а также между слоями, катушками или отдельными витками предусмотрены каналы.
Во всех типах обмотки принято различать направления намотки правое и левое. Большинство обмоток трансформаторов, по соображениям удобства их изготовления, выполняется с левой намоткой.
По конструктивно-технологическим признакам различают следующие основные типы обмоток: цилиндрическую (одно- и многослойную), дисковую (катушечную), непрерывную катушечную, переплетенную, винтовую (а—г). Выбор типа обмоток зависит от числа витков, размера и числа параллельных проводов, способа охлаждения, мощности трансформатора и других факторов. При выборе типа обмоток следует руководствоваться предъявляемыми к ним требованиями, а также технической возможностью их выполнения. Основные требования,предъявляемые к обмоткам трансформаторов, можно подразделить на эксплуатационные и производственные.
Обмотки силовых трансформаторов.
а, б — цилиндрическая двух- и многослойная; в — непрерывная катушечная; г — винтовая одноходовая.
Основными эксплуатационными требованиями являются достаточная электрическая и механическая прочность, а также нагревостойкость обмоток. Изоляция обмоток должна выдерживать без повреждений как рабочее, так и коммутационные и атмосферные перенапряжения, которые могут возникнуть в, сети. Механическая прочность обмоток должна гарантировать их от повреждений при токах короткого замыкания и других механических воздействий. Геометрические размеры и форма обмоток должны сохраняться неизменными в течение всего периода эксплуатации трансформатора.
Производственные требования заключаются в наименьших затратах труда и материалов на их изготовление. В масляных трансформаторах обмотки, отводы, переключающие устройства и соединяющие провода находятся внутри бака, залитого маслом. Вводы (проходные изоляторы) имеют две части — нижнюю, более короткую, находящуюся в масле бака, и верхнюю, воздушную, находящуюся вне бака. Поэтому изоляцию масляного трансформатора можно разделить на внутреннюю (в масле) и внешнюю (в воздухе).
Внутренняя изоляция масляного трансформатора подразделяется на главную и продольную. Главная изоляция представляет собой изоляцию данной обмотки (вместе с электрически соединенным с ней экраном отводами и переключателями) относительно корпуса, т. е. к заземленным частям магнитопровода и бака, а также по отношению к соседним обмоткам, электрически с нею не соединенным. Продольной изоляцией называют изоляцию между различными точками и частями данной обмотки (между витками, слоями, катушками и элементами емкостной защиты), имеющими разные потенциалы.
В процессе работы трансформатора изоляция в различных ее частях может подвергаться различным воздействиям, а именно: электрическим, тепловым, механическим, физико-химическим.
В период эксплуатации трансформатор постоянно находится во включенном состоянии и на его изоляцию длительно воздействует электрическое поле, соответствующее номинальному рабочему напряжению. Это напряжение изоляция должна выдерживать, не повреждаясь весь период эксплуатации трансформатора. В процессе эксплуатации изоляция трансформатора подвергается также и кратковременным перенапряжениям, которые вызываются явлениями атмосферного характера (грозовым разрядом), коммутационными процессами (включение— выключение трансформатора) и процессами аварийного характера (короткими замыканиями). Атмосферные перенапряжения наиболее опасны для продольной изоляции.
Весьма серьезным вопросом при обеспечении длительной безотказной работы трансформатора является исключение местных чрезмерных перегревов, ведущих к преждевременному старению изоляции. При правильной эксплуатации масляных трансформаторов, когда температура изоляции в наиболее нагретой точке не превышает 105°С, изоляция может служить 20—25 лет. Повышение температуры на 6—8 °С приводит к сокращению срока службы трансформатора примерно в 2 раза.
Изоляция трансформатора представляет сложный диэлектрик. При воздействии переменного электрического поля в сложном диэлектрике происходит выделение теплоты и нагревание изоляции, это явление носит название диэлектрических потерь.
При протекании тока по проводам обмоток и другим токоведущим частям между отдельными обмотками и проводами одной обмотки возникают механические усилия, которые при коротких замыканиях возрастают и могут вызвать остаточные деформации и даже повреждение обмоток и их изоляции.
Сложные физико-химические воздействия на изоляцию возникают в масляных трансформаторах в результате наличия в изоляции посторонних примесей и воздействия температуры. Наиболее вредными примесями являются: влага, остатки растворителя пропиточного лака, воздушные или газовые включения, загрязнения посторонними примесями (например, волокнами твердой и жидкой изоляции).
Необходимую электрическую прочность изоляции в трансформаторах обеспечивают выбором материала изоляции, изоляционных конструкций и размеров изоляционных промежутков. Рациональная конструкция и расположение обмоток обеспечивают их необходимую механическую прочность. Изоляционные материалы, применяемые в трансформаторостроении, не вступают в химическое взаимодействие с маслом, поэтому они не разрушаются и не способствуют разложению и загрязнению масла. В масляных трансформаторах допустимая температура обмоток определяется не только классом изоляции обмоток, но также и допустимой температурой для масла, в котором находится обмотка.
Значительную роль в обеспечении электрической прочности изоляции играет правильная технология ее обработки. Одной из важнейших технологических операций является вакуумная сушка активной части трансформатора, которая проводится перед заливкой ее маслом.
В практике траисформаторостроения наибольшее распространение получила маслобарьерная изоляция обмоток, состоящая из различных комбинаций масляных каналов или промежутков с барьерами в виде цилиндров, простых и угловых шайб.
В трансформаторах стержневого типа с концентрическими обмотками основными промежутками главной изоляции являются следующие: канал между обмоткой и стержнем магнитопровода, канал между обмотками НН и ВН, промежутки между обмоткой ВН и стенкой бака, между обмотками разных фаз {междуфазиое расстояние) и между торцами обмоток НН и ВН и ярмами.
Достоинством маслобарьерной изоляции является более простая (по сравнению с масляно-бумажной) технология изготовления обмоток, изоляции, сборки активной части, ее сушки и пропитки маслом. В отечественных сериях силовых трансформаторов главная изоляция обмоток — маслобарьерная.
На рис. показана конструкция изоляции трансформатора класса напряжения 35 кВ. В ней изоляция между обмотками ВН и НН, между обмотками ВН и стержнем магнитопровода 3 выполнена в виде масляного промежутка, разделенного изоляционными (жесткими бумажно-бакелитовыми) цилиндрами 5 к 7. Обмотки ВН и НН намотаны на балекитовых цилиндрах, являющихся каркасом обмотки.
Строение изоляции обмоток трехфазных трансформаторов класса напряжения 35 кВ.
1, 2 — деревянные стержни крепления; 3 — магнитопровод; 4 — округленная деревянная планка расклинивания; 5 — бумажно-бакелитовый цилиндр обмотки НН; 6 — непрерывная обмотка НН; 7 — бумажно-бакелитовый цилиндр обмотки ВН; 8 — непрерывная обмотка ВН; 9 — междуфазная перегородка; 10 — щиток, закрывающий ярмо; 11 — опорные кольца обмотки ВН; 12 — ярмовая изоляция; 13— рейки обмотки ВН; 14 — опорные кольца обмотки ВН; 15 — рейки обмотки ВН; 16—прокладки обмотки ВН; 17— электрокартоиная шайба; 18 — вертикальная стальная шпилька, изолированная бумажно-бакелитовой трубкой; 19 — ярмовая балка; 20 — планка уравнительной изоляции; 21, 22 — отвод (конец) обмотки.
Электрическую прочность продольной изоляции обеспечивают правильным выбором витковой и междукатушечной изоляции. Изоляция между витками обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Междукатушечная изоляция в непрерывной обмотке осуществляется радиальными масляными каналами, образуемыми дистанционными прокладками 16, надетыми на рейки 13 и 15. Электроизоляционные картонные рейки, расположенные по окружности обмотки, как показано на рис., создают вертикальные каналы между цилиндром и проводниками обмотки. Детали радиального крепления удерживают обмотки концентрично относительно стержня магнитопровода и относительно друг друга и образуют для витков внутренних обмоток опоры, воспринимающие направленные внутрь обмоток радиальные усилия короткого замыкания. Радиальное крепление цилиндра обмотки НН на стержне магнитопровода осуществляется нормализованными деревянными стержнями 1, 2 и планками 4. Между обмотками ВН различных фаз устанавливают междуфазную изоляцию. В трансформаторах малой и средней мощности напряжением до 15 кВ размеры изоляционных промежутков между торцами обмоток и ярмовыми балками относительно невелики. Поэтому концевую изоляцию обычно осуществляют в виде деревянных подкладок или деталей из электроизоляционного картона, как бы совмещающих в себе и ярмовую, и уравнительную изоляцию.
Одним из перспективных видов изоляции является бумажно-масляная изоляция, применение которой позволяет уменьшить изоляционные расстояния, а это способствует увеличению предельной мощности транспортабельных трансформаторов.
