Обмотки должны удовлетворять следующим требованиям: обладать надлежащими механической и электрической прочностью, нагревостойкостью, экономичностью (в отношении потерь), технологичностью, быть простыми в изготовлении, удобными и недорогими.
Медь долгое время была основным материалом, из которого изготовляли обмотки трансформатора. Мировая добыча меди ограничена, и темпы ее прироста меньше темпов роста мировой электротехнической промышленности.
В связи с этим медь стали заменять алюминием. Наиболее экономически выгодно оказалось использовать алюминий в трансформаторах, где он находит все большее применение. Но использование алюминия для обмоток трансформаторов связано с некоторыми трудностями. Так как электрическая проводимость алюминия составляет лишь 61 % проводимости меди, то сечение алюминиевых обмоток должно быть соответственно больше. При конструировании этих обмоток необходимо учитывать, что прочность алюминия на разрыв равна-—700 кГ/см2, а меди —2250 кГ/см2. Увеличенные размеры обмоток обусловливают повышение напряжения короткого замыкания трансформатора (см. § 1 главы III). Для его снижения приходится увеличивать диаметр стержней сердечника и уменьшать число витков, что ведет к увеличению размеров бака и объема масла. При этом возрастает средняя длина витка, что требует дальнейшего увеличения сечения для сохранения нужной величины активного сопротивления обмотки.
Провода, применяемые при изготовлении обмоток, бывают круглого сечения с площадью до 10 мм2 и прямоугольного от 6 до 60 мм2. Плотность тока в трансформаторах с масляным охлаждением лежит в пределах от 2,0 до 4,5 а\мм2, с воздушным — от 1,2 до 3 а/мм2.
Изоляция проводов должна удовлетворять требованиям в отношении нагревостойкости, теплопроводности, влаго- и химостойкости, механической прочности.
Для проводов обмоток масляных трансформаторов широко применяют хлопчатобумажную изоляцию, в трансформаторах небольшой и средней мощности используют эмалевую изоляцию (нагревостойкие эмалевые лаки), провода прямоугольного сечения изолируют также двумя слоями кабельной бумаги и хлопчатобумажной пряжей. Бумажная изоляция в комбинации с трансформаторным маслом при аккуратной сушке и высокой степени дегазации обеспечивает достаточную электрическую прочность.
Для пропитки обмоток трансформаторов в настоящее время применяют синтетические лаки и смолы. К последним относятся фенольные смолы. Применяемые в последние годы полиэфирные смолы отличаются хорошей пропиточной способностью, не образуют пустот.
Старение изоляции заключается в том, что в процессе эксплуатации ей сообщается некоторое количество энергии, которая, превращаясь в другие виды энергии, вызывает ухудшение качества изоляции. Энергия электрического поля, сообщаемая изоляции, превращается в тепловую, вызывая ее нагрев, химическую, вызывая разложение материала, механическую, образуя трещины, разрывы, расслоения.
Рис. 19. Обмотка трансформатора:
а — концентрическая; 6 — чередующаяся.
По взаимному расположению обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения подразделяются следующим образом:
а) концентрические, расположенные друг относительно друга и вокруг стержня концентрически. Ближе к стержню обычно находится обмотка низшего напряжения но очевидным соображениям упрощения в таком случае изоляции обмотки от стержня;
б) чередующиеся, в которых части обмоток ВН и НН по высоте стержня следуют поочередно (рис. 19).
При современной технике выполнения непрерывных обмоток концентрическое расположение проще, чем чередующееся с вынужденными пайками, и более
экономично как по затрате труда, так и по месту, занимаемому обмоткой в окне трансформатора. Чередующиеся обмотки трансформатора не только сложны в изготовлении, но при высоких напряжениях изолировать их друг от друга сложно и дорого. Но эти обмотки благодаря более тесному переплетению их отдельных частей имеют более полную электромагнитную связь, что уменьшает их индуктивное сопротивление рассеяния (§ 3 главы II). Для трансформаторов радиоустановок это имеет определенное значение. При чередующихся обмотках в высокоамперных и броневых трансформаторах отводы выполнять удобнее.
Рис. 20. Цилиндрическая двухслойная обмотка, намотанная двумя параллельными прямоугольными проводами.
Но в общем случае в силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, и трансформатор со стержневым сердечником и концентрической обмоткой следует считать основным типом в СССР.
Концентрические обмотки конструктивно могут быть цилиндрическими, винтовыми и непрерывными спиральными.
Цилиндрические обмотки бывают однослойные, двухслойные и многослойные. Однослойные и двухслойные обмотки наматывают по высоте соответственно в один или два слоя из прямоугольного провода. В последнем случае между слоями оставляют канал а для охлаждения (рис. 20).
Цилиндрические обмотки просты, но так как их радиальные размеры невелики, они не обладают достаточной прочностью при воздействии на них осевых сил. Применяют их в основном в качестве обмоток низшего напряжения, наматывая из одного или нескольких (до четырех) параллельных проводов, при номинальных токах до 800 а и мощности на стержень до 200 кВА.
Рис. 21. Цилиндрическая многослойная обмотка.
Рис. 22. Многослойная катушечная цилиндрическая обмотка.
Многослойную цилиндрическую обмотку обычно выполняют из круглого провода, наматываемого по высоте всего стержня в несколько слоев. При большом числе слоев обмотку делят на две катушки, между которыми оставляют охлаждающий канал а (рис. 21). Эта обмотка применяется главным образом для высшего напряжения до 35 кв в трансформаторах мощностью па стержень до 200 кВА. Она достаточно проста в производстве, но механическая прочность ее по отношению к осевым силам также невелика.
Рис. 23. Одноходовая винтовая обмотка.
Рис. 24. Непрерывная спиральная обмотка.
Многослойная катушечная цилиндрическая обмотка отличается от предыдущей разбивкой по высоте стержня на отдельные катушки, между которыми проложена изоляция а и могут быть охлаждающие каналы (обычно после каждых двух катушек). Будучи достаточно простой в производстве, она используется в качестве обмотки высшего напряжения до 35 кв при мощности на стержень до 335 кВА (рис. 22).
Винтовую обмотку (рис. 23) выполняют параллельно включенными, прилегающими друг к другу в радиальном направлении проводами (от 4 до 20) прямоугольного сечения. Витки, как и в цилиндрической обмотке, наматывают по винтовой линии, по между двумя соседними по высоте витками оставляют горизонтальный канал а шириной 4,5—6 мм. При большем количестве параллельных проводников их располагают в каждом витке в несколько слоев в аксиальном направлении или параллельные провода разбивают на 2—4 группы, каждая из которых образует самостоятельный винтовой ход обмотки. Обмотка в таком случае называется многоходовой.
Расположенные рядом в радиальном направлении несколько параллельных проводов неодинаково сцепляются с силовыми линиями магнитных потоков рассеяния, проходящих в пространстве, занимаемом обмотками. Это служит причиной возникновения разности потенциалов между отдельными точками проводов витка по радиальному направлению и как следствие этого вихревых токов, вызывающих явление поверхностного эффекта. Вследствие этого увеличивается активное сопротивление обмотки, что влечет за собой увеличение потерь. Для возможно более равномерного распределения тока между параллельными проводами витка прибегают к полному и частичному перекрещиванию (транспозиции) проводов.
Винтовую обмотку применяют для низших ступеней напряжения при токах более 300 а в трансформаторах средней и особенно большой мощности. Она обладает достаточной механической прочностью, так как имеет относительно большие радиальные размеры.
Непрерывная спиральная обмотка в отличие от винтовой состоит из ряда плоских катушек — дисков, отделенных друг от друга каналами а для охлаждения (рис. 24). Выполненные из прямоугольного провода дисковые катушки наматывают по спирали и соединяют друг с другом без пайки. Если виток обмотки состоит из нескольких параллельных проводов, то делают их транспозицию.
Несмотря на сложность изготовления, непрерывную спиральную обмотку широко используют как для высшего, так и для низшего напряжения из-за ее большой механической прочности и надежности.
Конструкционными элементами этих обмоток являются разного рода распорки, клинья, прокладки и т. п., а также изоляционные пленки и цилиндры, помещаемые между слоями, катушками и обмотками. При небольших мощностях и низких напряжениях цилиндрические обмотки надевают непосредственно на стержень; деревянные клинья и планки, прессующие стержень, выполняют одновременно роль изоляции. В других случаях обмотку отделяют от стержня одним или двумя изоляционными цилиндрами, в зависимости от ее напряжения (рис. 17,6). Широко применяются жесткие цилиндры, изготовленные из намоточной бумаги или рулонного электротехнического картона на бакелитовом лаке, допускающие непосредственную укладку обмоток на них.
Рейками и прокладками, склеенными и спрессованными из электрокартона, крепят наружную и внутреннюю обмотки относительно друг друга, их используют также для образования каналов между обмоткой и изоляционным цилиндром, катушками и слоями обмотки.
