5. Основные конструктивные элементы трансформаторов
Трансформатор состоит из следующих главных частей: а) сердечника, б) обмотки, в) бака с маслом, если трансформатор масляный, и г) выводных изоляторов.
А. Сердечник трансформатора. Сердечником трансформатора называется система, образующая магнитную цепь его со всеми деталями. Как было указано выше, по типу сердечника различают:
- трансформаторы стержневые, в которых обмотки охватывают стержни сердечника;
- трансформаторы броневые, в которых обмотки частично охватываются сердечником.
Независимо от типа сердечника он набирается из листов специальной, так называемой трансформаторной стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. В настоящее время применяются два основных вида трансформаторной стали: горячекатаная и холоднокатаная.
Последняя имеет в направлении проката лучшие по сравнению с первой магнитные характеристики (см. табл. В-5), но требует специальных приемов сборки сердечника (подробнее — см. ниже, § 13-4).
Для изоляции листов стали применяется бумага толщиной 0,03 мм и масляный лак. Бумажная изоляция значительно дешевле лаковой, но имеет меньшую теплопроводность и нагревостойкость и меньшую механическую прочность. Кроме того, бумажная изоляция дает больший процент заполнения площади сечения сердечника изоляцией. На этом основании в трансформаторах большой мощности, где эти недостатки имеют существенное значение, отдают предпочтение лаковой изоляции.
Как правило, сборка сердечника силовых трансформаторов большой мощности (больше 100 кВ*А) производится из листов стали толщиной 0,5 мм, так как такая сборка менее трудоемка, чем сборка из листов толщиной 0,35 мм.
Сердечники однофазного и трехфазного стержневых трансформаторов с расположенными на них обмотками показаны в схематическом виде на рис. 12-4 и 12-7. Здесь: 3—3 — стержни, 4—4 — верхнее и нижнее ярма.
В трехфазных трансформаторах очень большой мощности сердечник состоит из трех главных стержней, на которых располагаются обмотки, и двух добавочных по бокам стержней без обмоток (рис. 12-8). Этим достигается уменьшение высоты ярма (так как поток стержня имеет возможность разветвиться), а стало быть, и сердечника за счет некоторого уменьшения его длины, что облегчает перевозку трансформатора по железной дороге.
Соединение сердечников с ярмами может быть произведено либо встык, либо впереплет (так называемые стыковая и шихтованная конструкции). При сборке встык стержни и ярма собираются отдельно, а затем соединяются с помощью крепежных частей. Такая конструкция сердечника облегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого нужно только снять верхнее ярмо. При сборке впереплет весь сердечник набирается сразу (рис. 12-11), поэтому при посадке обмотки на стержень приходится расшихтовывать верхнее ярмо, а затем после посадки обмотки снова зашихтовывать его. Таким образом, второй способ сложнее первого, но зато имеет ряд ценных преимуществ, а именно:
- При сборке впереплет зазор в месте стыка листов стержней и ярем может быть сделан минимальным, так как место стыка в одном слое перекрывается листом в другом слое. Наоборот, при сборке встык нужно проложить между стержнем и ярмом изоляционную прокладку толщиной 0,5—1 мм, чтобы избегнуть образования в месте стыка вихревых токов (рис. 12-12) и связанного с ними увеличения добавочных потерь и даже «пожара в стали> вследствие чрезмерного повышения температуры стали в месте стыка. Отсутствие прокладки в шихтованной конструкции позволяет значительно уменьшить ток холостого хода.
- При сборке впереплет заметно увеличивается механическая устойчивость сердечника, тогда как стыковая конструкция требует относительно мощных крепежных частей для надлежащего сопряжения стержней и ярем.
Рис. 12-11. Сборка сердечника впереплет
Рис. 12-12. Образование вихревых токов в месте стыка при отсутствии изолирующей прокладки
Поэтому масса крепежных частей при сборке впереплет значительно меньше, чем при сборке встык. Так, например, по данным МТЗ, масса креплений в трансформаторе мощностью 5600 кВ·А, 35 кВ составляла 21,5% от массы активной стали сердечника в стыковой конструкции и уменьшилась до 8% после перехода на сборку впереплет.
Ввиду таких преимуществ способ сборки сердечника впереплет принят в СССР для силовых трансформаторов всех мощностей. Поэтому в дальнейшем мы будем иметь в виду только эту конструкцию сердечника.
В поперечном сечении стержню придают форму ступенчатого многоугольника, вписанного в окружность с диаметром D0 (рис. 12-13, а, б, в). Это делают для лучшего использования места внутри окружности. Число ступеней ncт зависит от величины диаметра D0: при D0<100 мм ncт=4, при D0=100-500 мм оно равно 5—6, при D0 до 1000 мм оно достигает 9—10.
На рис. 12-13, а показан пятиступенчатый стержень со стяжкой стержня с помощью шпилек.
В трансформаторах средней и большой мощности с диаметром стержня D0>350 мм для улучшения охлаждения стали сердечника его разбивают на пакеты, отделенные друг от друга
Таким образом, высота обмотки равна высоте слоя. Прямоугольный провод может наматываться плашмя или на ребро. В первом случае большую сторону провода располагают в осевом направлении обмотки, во втором случае — в радиальном. Если сечение витка превышает 40—45 мм, то виток делают из нескольких одиночных проводов, которые располагаются рядом по высоте слоя так, чтобы все они занимали одинаковое положение по отношению к полю рассеяния.
продольными масляными каналами шириной 6 мм (рис. 12-13. б). В трансформаторах очень большой мощности с диаметром стержня D 800 мм дополнительно устраивают еще поперечные каналы шириной 10—12 каждый (рис. 12-13, в). В этом случае сердечник трансформатора состоит из двух отдельных рам.
Активное сечение ярма делают либо равным сечению стержня, либо увеличивают его на 5—10%, чтобы уменьшить потери в стали ярма и ток холостого хода.
Рис. 12-15. Цилиндрическая двухслойная обмотка
Рис. 12-16. Винтовая обмотка: а — простая; б — полувинтовая
Для улучшения охлаждения между слоями обмотки оставляют канал шириной 5—8 мм (большая цифра относится к трансформаторам большей мощности).
Основная область применения цилиндрических обмоток — трансформаторы малых габаритов мощностью до 560 кВ*А.
В первый период развития отечественного трансформаторостроения широко применялась катушечная слоевая обмотка из круглого провода, состоящая из нескольких катушек, изолируемых друг от друга электрокартонными шайбами или масляными каналами. В настоящее время она почти вытеснена цилиндрической обмоткой, так как по сравнению с последней оказалась значительно более трудоемкой.
Винтовая обмотка. Различают: а) простую винтовую обмотку, в которой, так же как в цилиндрической, витки наматываются по винтовой линии, но в которой между двумя соседними по высоте витками оставляют канал шириной 4,5 — 6 мм (рис. 12-16, а), и б) полувинтовую обмотку, в которой каждые два витка, за исключением концевых, объединяются в одну катушку без канала (рис. 12-16, б).
Рис. 12-17. Схема перекрещивания витков простой винтовой обмотки
Виток винтовой или полувинтовой обмотки состоит из ряда параллельных проводов прямоугольного сечения, располагаемых в радиальном направлении обмотки плашмя впритык друг к другу. Для возможно более равномерного распределения тока между параллельными ветвями прибегают к перекрещиванию (транспозиции) проводов. На рис. 12-17 показана схема перекрещивания витков винтовой обмотки в трех местах по ее высоте: посередине — так называемое серединное перекрещивание А и два групповых перекрещивания Б, выполняемых так, чтобы обмотка делилась на четыре части, приблизительно равные по высоте обмотки.
Число параллельных проводов в витке винтовой обмотки — обычно от 6 до 20. Винтовая обмотка широко применяется при выполнении обмоток НН трансформаторов средней и, особенно, большой мощности.
Непрерывная обмотка. В трансформаторах высокого напряжения (на 35 кВ и выше) применяют непрерывную обмотку, которая в отличие от винтовой обмотки представляет собой ряд плоских катушек — дисков, отделенных друг от друга каналами (рис. 12-18). Характерной и весьма ценной особенностью непрерывной обмотки является то, что ее катушки соединяются, между собой без пайки путем особого способа перекладки одной из катушек в каждый паре их. Если виток обмотки состоит из нескольких параллельных проводов, то, так же как в винтовой обмотке, прибегают к их перекрещиванию.
В том случае, когда непрерывная обмотка служит обмоткой ВН, в ней делают ответвления для регулирования коэффициента трансформации в пределах ± 5% или 2 х (± 2,5%).
Особо важное значение имеет вопрос об изоляции обмоток, так как они часто испытывают значительные перенапряжения, и отношении которых обмотки должны обладать необходимой электрической прочностью. Этот вопрос подробно рассматривается ниже, в главе о перенапряжениях.
Рис. 12-18. Непрерывная обмотка
Из соображений технологического порядка сечению ярма придают более простую форму, чем сечению сердечника, хотя при этом магнитный поток Неодинаково распределяется по сечениям этих частей, что ведет к возникновению добавочных потерь в стали. В СССР применяются прямоугольные, крестообразные и Т-образные ярма (рис. 12-14, а, б, в, г).
Рис. 12-13. Ступенчатая форма сечения стержня: а — без каналов; б — с продольными каналами; а — с продольными и поперечными каналами
Рис. 12-14. Формы сечения ярма силовых трансформаторов
Ярмо с сечением, показанным на рис. 12-14. а, применяется в трансформаторах сравнительно малой мощности. Ярма на рис. 12-14. б, в — в трансформаторах средней мощности. Т-образное ярмо с уступом вниз (рис. 12-14, г) — в трансформаторах большой мощности.
Если в стержне имеются каналы, то с этими каналами должны совпадать каналы в ярме, чтобы обеспечить свободную циркуляцию масла.
Сердечник однофазного броневого трансформатора показан на рис. 12-5. Стержень С располагается посередине, а ярма Я—Я — по обе стороны от стержня, частично охватывая собой обмотку.
Сечение ярем приблизительно вдвое меньше сечения стержня соответственно разветвлению потока стержня на две части. По форме стержень представляет собой в сечении прямоугольник с отношением сторон приблизительно 1 2. Опыт показывает, что стержневые трансформаторы по сравнению с броневыми проще в конструктивном отношении, позволяют легче собирать и изолировать обмотки, особенно высокого напряжения, и устойчивее механически при коротких замыканиях. Поэтому в настоящее время броневая конструкция используется при изготовлении силовых трансформаторов некоторых специальных типов, например печных и трансформаторов, устанавливаемых на подземных электростанциях. В США броневые трансформаторы выполняются фирмой «Вестингауз», а в Европе — фирмами «Шнейдер — Вестингауз» и «Жемон».
В дальнейшем мы будем иметь в виду главным образом трансформаторы стержневого типа.
Независимо от типа сердечника его активная сталь и все крепежные части, за исключением стяжных шпилек, должны быть заземлены. Для этого они соединяются с баком, причем число и расположение заземляющих соединений определяются конструкцией сердечника.
