КОНСТРУКТИВНЫЕ ДЕТАЛИ ОБМОТОК И ИХ ИЗОЛЯЦИЯ

Основным элементом всех обмоток трансформаторов является виток (см. § 2.1). В зависимости от тока нагрузки виток может быть выполнен одним проводом круглого сечения, или проводом прямоугольного сечения, или, при достаточно больших токах, группой параллельных прово­дов круглого или, чаще, прямоугольного сечения. На рис. 5.1, а—е представлены различные варианты поперечных сечений одного витка обмотки при различных токах на­грузки. Эти варианты не являются исчерпывающими.

Рис. 5.1. Формы сечения витка обмотки при различном числе парал­лельных проводов

Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхно­сти, называется слоем. В некоторых типах обмоток слой может состоять из нескольких десятков или сотен витков, в других — из нескольких витков или даже из одного витка.

Отдельные витки обмотки группируются в катушки. Ка­тушкой называется группа последовательно соединенных витков обмотки, конструктивно объединенная и отделенная от других таких же групп или от других обмоток трансфор­матора. Обмотка стержня может состоять из одной, двух или многих катушек. Катушка может состоять из ряда сло­ев или только из одного слоя витков. Число витков в ка­тушке может быть различным — как целым, так и дроб­ным, однако должно быть больше единицы. На рис. 5.2 представлены поперечные сечения нескольких различных типов катушек.

Для обеспечения надлежащей электрической прочности обмотки между ее витками, катушками, а также между обмоткой и другими частями трансформатора должны быть выдержаны определенные изоляционные расстояния, зави­сящие от рабочего напряжения и гарантирующие обмотку от пробоя изоляции как при рабочем напряжении, так и при возможных перенапряжениях. В этих промежутках могут быть установлены изоляционные конструкции или детали из твердого диэлектрика либо промежутки могут быть заполнены только твердым диэлектриком — кабель­ной бумагой, электроизоляционным картоном и т. д. или только изолирующей средой — маслом, воздухом и т. д.

Рис 5.2. Различные типы катушек:

а - катушка из шестнадцати витков; б – катушка из шести витков; в – катушка из семи витков; г – катушка из шести витков (четыре параллельных провода)

Для нормального охлаждения между обмоткой и другими частями трансформатора, между катушками, в некоторых конструкциях и между витками делают масляные или воз­душные охлаждающие каналы. В одних случаях охлаж­дающие каналы обеспечивают одновременно и надежную изоляцию обмотки, в других — для усиления изоляции применяются специальные изоляционные детали — прос­тые и угловые шайбы, изоляционные цилиндры, перегород­ки и т. д.

Во всех типах обмоток принято различать осевое и ра­диальное направления. Осевым считается направление, па­раллельное оси стержня трансформатора, на котором ус­танавливается данная обмотка. Радиальным считается на­правление любого радиуса окружности обмотки. В силовых трансформаторах с вертикальным расположением стерж­ней осевое направление совпадает с вертикальным, а ради­альное — с горизонтальным. В этом смысле принято гово­рить также об осевых и радиальных — вертикальных и горизонтальных — каналах обмоток.

По направлению намотки подобно резьбе винта разли­чают обмотки правые и левые (рис. 5.3). Однослойные об­мотки, имеющие в одном слое более одного витка (рис. 5.3, а), остаются левыми или правыми в зависимости от того, как они намотаны, но независимо от того, какой ко­нец — верхний или нижний -считается входным. В об­мотках, состоящих из нескольких таких слоев, с переходами из слоя в слой (рис. 5.3, б) направление намотки слоев будет чередоваться. Если первый (внутренний) слой левый, то все другие нечетные слои также будут левыми, а все четные — правыми. Для таких обмоток за начало при опре­делении направления намотки обычно принимается начало первого (внутреннего) слоя и направление намотки всей обмотки считается по направлению намотки этого слоя.

Рис 5.3. обмотки левой и правой намоток:

а – цилиндрическая однослойная; б – цилиндрическая многослойная; в – одинарные катушки катушечной обмотки; г – двойные катушки катушечной обмотки.

Отдельные катушки, имеющие форму плоской спирали, будут условно считаться правыми или левыми в зависимо­сти от того, какой конец — внутренний или наружный — считать входным, а также от того, с какой стороны на них смотреть. Нетрудно убедиться, что такая катушка «левой» намотки, изображенная на рис. 5.3, в, станет «правой», ес­ли ее повернуть к наблюдателю другой стороной. Если по технологическим соображениям обмотка составляется из таких отдельно наматываемых одинаковых катушек, то одного указания «правая» или «левая» обмотка недоста­точно. В этом случае во избежание ошибок указания по направлению обмотки лучше всего давать в виде эскиза. Обычно такие катушки применяются парами (двойная ка­тушка). При этом входными и выходными являются наруж­ные концы, а переход из катушки в катушку производится внутри катушек (рис. 5.3, г) и направление намотки явля­ется определенным и независимым от точки наблюдения. Обмотка, составленная из любого числа последовательно соединенных двойных катушек одинаковой намотки, будет иметь то же направление намотки, что и отдельные двой­ные катушки. Это положение остается справедливым для непрерывных катушечных обмоток, где каждые две сосед­ние катушки могут рассматриваться как одна двойная ка­тушка, а также для многослойных цилиндрических кату­шечных обмоток, где входным обычно считают наружный слой катушки.

Правильный выбор направления намотки имеет сущест­венное значение для получения заданной группы соедине­ния обмоток, а в однофазных трансформаторах — также для правильного соединения частей обмоток, расположен­ных на разных стержнях. Большинство обмоток трансфор­маторов обычно выполняется левой намоткой, более удоб­ной для обмотчика, работающего в основном правой рукой.

Обмотки масляных и сухих трансформаторов изготов­ляются из медных и алюминиевых обмоточных проводов, а также из медной и алюминиевой ленты или фольги. Мед­ные и алюминиевые провода могут иметь эмалевую, хлоп­чатобумажную или бумажную изоляцию класса нагревостойкости А, а провода, предназначенные для обмоток су­хих трансформаторов, могут также иметь изоляцию более высоких классов нагревостойкости из стекловолокна, кремнийорганического лака и т. д. Собственная изоляция про­вода обычно обеспечивает достаточную электрическую прочность изоляции между соседними витками.

Таблица 5.1 Номинальные значения сечения и изоляция круглого медного алюминиевого обмоточного провода марок ПБ и АПБ с толщиной изоляции на две стороны 2 δ=0,30 (0,40 мм)

Примечания: 1. провод марок ПБ и АПБ всех диаметров выпускается с изоляцией на две стороны толщиной 2δ=0,3 (0,40); 0,72 (0,82); 0,96 (1,06) и 1,20 (1,35) мм; провод диаметром от 2, 24 мм и выше - также с изоляцией 1,68 (1,83) и 1,92 (2,07), а провод диаметром от 3,75 мм и выше – также с изоляцией 2,88 (3,08); 4,08 (4,33) и 5,76 (6,11)мм.

2. Без скобок указана номинальная толщина изоляции. Размеры катушек считать по толщине изоляции, указанной в скобках.

3. Увеличение массы провода за счет изоляции дано для медного провода. Для алюминиевого провода марки АПБ данные таблицы по увеличению массы умножить на 3,3

4. Увеличение массы провода марок ПБ и АПБ с усиленной изоляцией принимать по табл 5.4 с учетом прим.3 к табл 5.1

5. Провод марок ПСД и ПСДК выпускается в пределах диаметров от 1,18 до 5,0 мм и провод марок АПСД и АПСДК – от 1,32 до 5,0 мм.

6. Толщина изоляции провода марок ПСД, ПСДК, АПСД и АПСДК при диаметрах до 2,12мм 2δ=0,29мм (в расчете принимать 0,3мм) при диаметрах от 2,24 до 5,0мм. 2δ=0,35-0,38мм (в расчете принимать 0,40мм)

7. Для провода марок ПСД и ПСДК данные таблицы по увеличению массы умножить на 1,75 для диаметров от 1,18 до 2,12 мм и на 2,1 для диаметров от 2,24 мм и выше. Для алюминиевого провода марок АПСД и АПСДК учитывать прим.3

Таблица 5.2 Номинальные размеры и сечения медного и алюминиевого обмоточного провода марок ПБ и АПБ (размеры а и б - в мм, сечение – в мм²)

Медный провод марки ПБ – все размеры таблицы, за исключением проводов с размером b 17 и 18мм

Алюминиевый провод марки АПБ – все размеры таблицы вправо вверх от жирной черты.

Вернуться к расчету

Медный и алюминиевый обмоточный провод марок ПБ и АПБ, изолированный лентами кабельной бумаги класса нагревостойкости А (105°С), выпускается в соответствии с ГОСТ 16512-80. Медный провод круглого сечения марки ПБ имеет диаметры проволоки от 1,18 до 5,20 мм с номи­нальной толщиной изоляции на две стороны от 0,30 до 5,76 мм при площади поперечного сечения от 1,094 до 21,22 мм². Сортамент медного круглого провода приведен в табл. 5.1,

Алюминиевый провод круглого сечения марки АПБ с проволокой диаметрами от 1,32 до 8,0 мм и площадью се­чения от 1,37 до 50,24 мм² выпускается с той же толщиной изоляции, что и медный провод (табл. 5.1).

Медный провод прямоугольного сечения марки ПБ используемый в силовых трансформаторах, имеет размеры поперечного сечения проволоки — меньший от 1,4 до 5,60 и больший от 3,75 до 16,0 мм при площади сечения от 5,04 до 83,1 мм² и толщине изоляции от 0,45 до 1,92 мм. В тран­сформаторах классов напряжения от 220 кВ и выше при­меняется также медный провод марки ПБУ, изолирован­ный лентами кабельной высоковольтной уплотненной бу­маги с номинальной толщиной изоляции на две стороны от 1,35 до 4,40 мм. Размеры поперечного сечения проволоки в проводах ПБУ — меньший от 1,80 до 5,60 и больший от 6,70 до 16,0 мм. Сортамент медного прямоугольного провода приведен в табл. 5.2.

Алюминиевый провод прямоугольного сечения марки АПБ имеет размеры поперечного сечения проволоки — меньший от 1,80 до 5,60 мм и больший от 3,75 до 18,0 мм при площади поперечного сечения от 6,39 до 99,9 мм² и номинальной толщине изоляции на две стороны такой же, как и у медного провода (табл. 5.2).

В сухих трансформаторах может применяться провод тех же марок, что и в масляных. Однако при необходимо­сти получения пожаробезопасной установки, а также при расчете обмоток на работу при повышенной температуре обычно применяют провода других марок с изоляцией по­вышенной нагревостойкости по ГОСТ 7019-80. К этим мар­кам относятся: медный провод марки ПСД с изоляцией из стеклянных нитей, наложенных двумя слоями, с подклей­кой и пропиткой нагревостойким лаком или компаундом класса нагревостойкости F (155 °С) и марки ПСДК с та­кой же стеклянной изоляцией, но с подклейкой и пропиткой кремнийорганическим лаком класса нагревостойкости Н (180 °С). Эти провода выпускаются как круглого попереч­ного сечения в сортаменте по табл. 5.1, так и прямоуголь­ного сечения в сортаменте табл. 5.3 с номинальной толщи­ной изоляции на две стороны от 0,27 до 0,48 мм.

Алюминиевый провод марок АПСД и АПСДК с круг­лым и прямоугольным поперечным сечением выпускается с такой же изоляцией, как и медный, в пределах сортамен­та алюминиевого провода по табл. 5.1 и 5.3.

Медные и алюминиевые провода имеют различную це­ну. Так, если среднюю цену 1 кг медного провода прямо­угольного сечения марки ПБ принять за 100 %, то цена 1 кг алюминиевого провода марки АПБ с такой же изоля­цией составит в среднем 85, медного провода марки ПСД— 110 и алюминиевого провода марки АПСД—150 %.

Электрическая прочность изоляции обмоточного прово­да, являющейся в большинстве обмоток трансформаторов витковой изоляцией, в значительной мере определяет на­дежность продольной изоляции обмоток. Для обеспечения достаточной прочности изоляции провода существенное значение имеет отделка поверхности проволоки, из кото­рой изготовлен провод, — отсутствие на ней неровностей и заусенцев, а также равномерное наложение лент кабельной бумаги. Плотное наложение бумажной изоляции провода гарантирует получение реальных размеров обмоток, близ­ких к расчетным. В расчетные формулы при расчете тран­сформатора обычно входит масса металла провода обмот­ки без изоляции, но количество провода при заказе и стоимость провода должны рассчитываться с учетом изоляции.

Таблица 5.3 Номинальные размеры и сечение прямоугольного медного обмоточного провода марок ПСД и ПСДК (предпочтительные размеры) (размеры а и б – в мм, сечения - мм²)

Вернуться к расчету

Таблица 5.4. Ориентировочное увеличение в процентах массы медного провода марки ПБ и алюминиевого марки АПБ (см. прим. 1) за счет изоляции

Примечания: 1. Для алюминиевого провода марки АПБ данные таблицы умножить на 3,3

2. Для промежуточных значений диаметра провода и толщины изоляции можно пользоваться линейной интерполяцией.

Таблица 5.5. Ориентировочное увеличение массы прямоугольного медного провода в процентах за счет изоляции для марки ПБ и алюминиевого марки АПБ (см. прим. 3) при номинальной толщине изоляции на две стороны 2δ = 0,45 мм

Примечания: 1. При другой толщине изоляции данные из таблицы умножать при 2δ=0,96мм на 2,5; при 2δ=1,92мм на 5,0

2. Для провода марок ПСД и GCLR данные из таблицы умножать при 2δ=0,45мм на 1,7; при 2δ=0,50мм на 2,0

3. Для алюминиевого провода данные, полученные из таблицы или с учетом прим 1 и 2 умнодат на Vм/γ_а=3,3

провода должны рассчитываться с учетом изоляции. Для определения массы изолированного провода обычно увеличивают массу металла обмотки в соответст­вии с данным табл. 5.1, 5.4 и 5.5. Это увеличение массы зависит от толщины изоляции провода, материала изоляции и плотности металла обмотки.

Рис. 5.4 Транспонированный провод:

а-поперечное сечение провода (1-параллельные проводники с эмалевой изоляцией; 2- прокладка из кабельной бумаги; 3-общая изоляция из кабельной бумаги); б – пример схемы транспозиции семи проводников.

В современных трансформаторах больших мощностей (от 160 000 до 630 000 кВ*А) номинальный ток, да­же в обмотках высшего напряжения ПО и 220 кВ, достигает 1000—3000 А и сечение витка таких обмоток, а тем более обмоток низшего напряжения этих и трансформаторов меньших мощностей составляется из сечений многих параллельных мед­ных проводов с одинаковыми размерами и площадью поперечного се­чения. Поскольку изоляция между параллельными проводами одного витка требуется минимальная, а изоляция между соседними витками может быть обеспечена общей изоляцией всех проводов витка, возник­ла идея создания комбинированного провода, состоящего из нескольких параллельных медных проводников, имеющих тонкую эмалевую изоля­цию на каждом проводе и общую изоляцию из кабельной бумаги на всех параллельных проводах (рис. 5.4).

Для выравнивания полных сопротивлений параллельных проводни­ков и равномерного распределения тока между ними эти проводники неоднократно транспонируются по длине провода, т. е. меняются места­ми, например по схеме, показанной на рис. 5.4, б для семи проводников. Расстояние между двумя транспозициями (на рис. 5.4, б между двумя соседними расположениями проводников) по длине провода составляет для проводов различного сечения от 40 до 250 мм. Провода такого ти­па называются транспонированными.

Провода, заказ на которые не требует предварительного согласова ния с поставщиком, имеют следующие данные.

Таблица 5.6. Число элементарных проводников в транспонированных проводах

Число элементарных проводников в таком проводе должно быть нечетным и составляет обычно от 7 до 31 проводника. Провод медный прямоугольного сечения эмалированный высокопрочный марки ПЭМП. Размеры проводников — меньшая сторона от 2,00 до 3,15 мм; большая сторона от 3,75 до 8,00 мм. Между двумя рядами элементарных проводников прокладыва­ется лента кабельной бумаги толщиной 0,24 мм (2x0,12 мм). Общая изоляция провода марки ПТБ состоит из кабельной обычной или много­слойной бумаги и марки ПТБУ из кабельной высоковольтной бумаги.

Число элементарных проводников с одинаковыми размерами и сечением в транспонированном проводе показано в табл. 5.6. Общее се­чение провода может быть получено путем суммирования сечений эле­ментарных проводников, взятых из табл. 5.2.

Удвоенная номинальная толщина общей изоляции провода может быть равной для провода марки ПТБ 2δ = 0,72(0,82); 0,96(1,06); 1,36 (1,51) и 1,92 (2,07); для провода марки ПТБУ 2δ = 2,00(2,10); 2,48 (2,63); 2,96(3,11) и 3,60 (3,80). При этом в скобках указана макси­мальная удвоенная толщина изоляции 2δт<maх.

Размеры А и В, мм, провода можно ориентировочно определить по формулам

А = 2b + 2δ_ЭМ + δ_прокл + 2δ_max + δ_техн (5.1)

где b — размер неизолированного проводника по рис. 5.4, а, мм; 2δэм — удвоенная толщина эмалевой изоляции проводника (2δэм = 0,2 мм); δпрокл — толщина прокладки (δпрокл = 0,24 мм); 2δmax— максимальная удвоенная толщина изоляции провода, мм; δтехн — возможное увеличе­ние размера по технологическим причинам. Можно принять для провода марки ПТБ δ_Техн=1,7 мм при размере провода а = 2,00-2,44 мм и 2,00 мм при размере а=2,50-3,15 мм. Для провода марки ПТБУ δ_тепл=1,7 мм при размере а=2,00-2,50 мм; 2,05 мм при размере а = 2,80 мм и 2,20 мм при размере а=3,15 мм;

(5.2)

где а — размер неизолированного проводника по рис. 5.4, а, мм; n— число проводников в проводе.

Применение транспонированных проводов позволяет уменьшить объем и массу металла обмоток, упростить процесс намотки обмоток и уменьшить добавочные потери в обмотках.

В трансформаторах мощностью от 25 до 1000 кВ-А в качестве обмоточного материала для обмоток низшего напряжения при напряжениях до 690 В находит при­менение неизолированная алюминиевая лента по ГОСТ 13726-78. В качестве изоляции между витками служит по­лоса кабельной бумаги, вматываемой при намотке обмот­ки. В силовых трансформаторах реально может быть ис­пользована отожженная лента толщиной от 0,25 до 3,0 мм и шириной от 40 до 1000 мм. Предельные отклонения по толщине ленты от —20 до —5 %. В стандарте не установ­лены требования к удельному электрическому сопротивле­нию ленты, и этот параметр должен оговариваться при за­казе ленты.

В качестве проводникового материала для обмоток выс­шего напряжения силовых трансформаторов не исключено применение неизолированной алюминиевой фольги, изго­тавливаемой по ГОСТ 618—73. Поскольку эта фольга не предусмотрена как обмоточный материал для трансформа­торов, к ней не предъявляется требование определенного удельного электрического сопротивления. Поэтому некото­рые партии фольги с повышенным удельным сопротивлени­ем не могут применяться для изготовления обмоток. Также может оказаться необходимой отбраковка ленты, прокатан­ной с предельным отклонением от номинала до —15 %.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к об­моточному проводу, является требование определенного удельного электрического сопротивления. Для всех круг­лых и прямоугольных медных проводов, включенных в табл. 5.1—5.3, согласно стандартам это сопротивление при 20 °С для отрезка проволоки длиной 1 м с сечением 1 мм² должно быть не более 0,01724 Ом. Для алюминиевого пря­моугольного провода по табл. 5.2 и для круглого провода диаметром 1,80 мм и более по табл. 5.1 это сопротивление должно быть не более 0,0280 Ом, а для круглого диаметром от 1,35 до 1,70 мм — не более 0,0283 Ом.

В сравнительно редких случаях, например во входных катушках обмоток на 110—500 кВ, может применяться до­бавочная изоляция витков путем обмотки их лентой из ка­бельной бумаги или лакоткани.

Между витками, состоящими из нескольких параллель­ных проводов, в обмотках некоторых типов могут быть сде­ланы радиальные (горизонтальные) каналы, основное на­значение которых состоит в том, чтобы обеспечить свобод­ный доступ масла или воздуха для надлежащего охлаж­дения всех параллельных проводов витка. Эти каналы обеспечивают также надежную, с большим запасом изоля­цию между витками.

В обмотках, состоящих из нескольких слоев круглого или прямоугольного провода, собственная изоляция витков может оказаться недостаточной, и возникает необходи­мость введения добавочной изоляции между слоями, тем большей, чем больше суммарное рабочее (а следовательно, и испытательное) напряжение двух соседних слоев. Междуслойная изоляция может осуществляться прокладкой меж­ду слоями витков обмотки полос кабельной или телефонной бумаги, электроизоляционного картона или оставлением между слоями осевого масляного или воздушного канала, обеспечивающего как достаточную изоляцию, так и сво­бодный доступ к обмотке охлаждающего масла, или возду­ха, или другого теплоносителя. Различные виды междуслойной изоляции показаны на рис. 5.5.

При разделении обмотки на катушки возникает необхо­димость в надлежащей междукатушечной изоляции. Эта изоляция для катушек, расположенных в осевом направле­нии обмотки, как это видно из рис. 5.6, б—г, требуется то у наружного, то у внутреннего края катушки. Обычно изо­ляция между катушками выполняется в виде радиальных или осевых каналов, служащих для лучшего охлаждения обмотки.

В трансформаторах мощностью на один стержень до 110 кВА, в которых вопрос охлаждения обмотки еще не играет существенной роли, оказывается возможным вообще не делать радиальных междукатушечных каналов. В обмотках трансформаторов от 1000 до 6300 кВА с потеря­ми короткого замыкания по ГОСТ 11920-85 часто бывает возможно заменить шайбами половину масляных каналов. Такая замена вследствие малой толщины шайб (1—2 мм) по сравнению с масляными каналами (4—6 мм) позволяет