Конструкции трансформаторов

Конструктивное исполнение трансформатора зависит от его назначения и области применения. Однако почти все трансформаторы имеют одни и те же главные конструктивные элементы — магнитную систему и обмотки.

Наиболее широко применяются силовые трансформаторы, которые служат для передачи электрической энергии и распределения ее между потребителями.

Активная часть (обмотки с магнитной системой) силового трансформатора общего назначения, как правило, погружена в бак с трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называют маслонаполненными или масляными (рисунок 2.23). Трансформаторное масло, омывая обмотки и магнитопровод, улучшает электрическую изоляцию токоведущих частей и обесценивает лучшие условия охлаждения трансформатора.

Работающие на воздухе трансформаторы, активная часть которых не погружена в масло, называют сухими (рисунок 2.24). Сухие трансформаторы предназначены для установки в закрытых помещениях с относительной влажностью не выше 80 %.

Рисунок 2.23., Однофазный масляный трансформатор ОДЦТРН-175000/400/500

Обмотки трансформаторов состоят из медных или алюминиевых проводников и изоляционных деталей. Конструкция обмоток должна обеспечивать динамическую стойкость при механических воздействиях в процессе изготовления и эксплуатации.

Электрическая прочность изоляции обмоток должна обеспечивать надежную работу трансформатора при номинальных условиях, а также при перенапряжениях и кратковременных повышениях напряжения, возникающих в энергосистемах при коммутации и грозовых явлениях.

Рисунок 2.24., Сухой трансформатор в учебной лаборатории

Конструкция обмоток должна обеспечивать хороший отвод тепла, чтобы температура обмоток не превышала значения, установленного ГОСТ для данного класса изоляции. При изготовлении обмотки должны быть технологичными, т. е. простыми в изготовлении и надежными в эксплуатации. Производство обмоток является материалоемким, а трудоемкость обмоточно-изоляционных работ составляет 25— 30

% общей трудоемкости изготовления трансформатора и повышается с ростом напряжения.

Обмотки трансформатора выполняют из медных или алюминиевых обмоточных проводов.

Конструкция обмоток включает изоляционные детали, образующие главную и продольную изоляцию, выводные концы, регулировочные ответвления, емкостные кольца и экраны, а также приспособления для осевой стяжки обмоток.

Плотность тока в обмотках выбирают по условиям нагрева в пределах (1 -2,5)·106А/м2в сухих и (2-4,5)·106А/м2в масляных в зависимости от мощности и конструктивного выполнения трансформатора. По условиям технологии максимальное сечение круглого проводника выбирается примерно до 20 мм2, а прямоугольного — 80 мм2. Предельный ток одного проводника — соответственно 45 и 360А

Основным элементом обмотки является виток, который выполняется одним или группой параллельных проводов. Ряд витков на цилиндрической поверхности называется слоем. Витки могут группироваться в катушки. По направлению намотки обмотки делятся на правые и левые подобно резьбе винта. Большинство обмоток трансформаторов выполняются с левой намоткой для удобства изготовления.

Определяющими для конструкции обмотки являются число витков, сечение витка и класс напряжения.

По способу размещения обмоток на стержне различают обмотки концентрические и дисковые или чередующиеся (рисунок 2.25).

По конструктивно-технологическим признакам обмотки делятся на следующие основные типы; цилиндрические, винтовые и непрерывные. Обмотки каждого из этих типов могут подразделяться на одно- или многослойные цилиндрические, одно- или многоходовые винтовые, дисковые, переплетенные. В мощных трансформаторах, предназначенных для питания электропечей, применяют обмотки из листовой меди или алюминия, а также кованые катушки, выполненные из шинной меди или алюминия.

Рисунок 2.25., а — концентрические; б — дисковые или чередующиеся; НН — обмотки низшего напряжения; ВН — обмотки высшего напряжения

Цилиндрические слоевые обмотки выполняются из проводов прямоугольного или круглого сечения (рисунок 2.26). Слой обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой линии. При намотке каждый виток слоя укладывают вплотную к предыдущему витку в направлении высоты обмотки. Переход из слоя в слой осуществляется в процессе намотки без пайки. Витки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых обычно рядом в осевом направлении.

Рисунок 2.26., Цилиндрическая двухслойная обмотка

Однослойными и двухслойными обычно выполняют обмотки низшего напряжения на напряжение до 690 В в трансформаторах мощностью до 630 кВ·А.

Многослойные цилиндрические обмотки применяют главным образом в качестве обмоток высшего напряжения (до 35 кВ).

В последнее время широкое применение получили многослойные цилиндрические обмотки из прямоугольного провода. Применение этих обмоток при использовании специальных экранов позволяет обеспечить равномерное распределение электрического поля в трансформаторе при перенапряжениях.

Катушечная многослойная цилиндрическая обмотка состоит из ряда последовательно соединенных многослойных катушек (рисунок 2.27). Такое разделение необходимо для уменьшения напряжения между слоями. Обычно катушечные обмотки выполняют в виде последовательно соединенных парных (двойных) катушек

Дисковые катушечные обмотки состоят из ряда одинарных или двойных катушек (рисунок 2.28). Число витков в одной катушке достигает 20—25, число параллельных проводников в витке— до 8. Витки катушки намотаны один на другой по спирали в радиальном направлении. Намотанные катушки собирают на шаблоне и соединяют пайкой. Осевые и радиальные каналы образуются П-образными замковыми прокладками. Такие обмотки широко применяются в высоковольтных трансформаторах в качестве входных катушек.

Рисунок 2.27., Катушечная многослойная цилиндрическая обмотка

Рисунок 2.28., Дисковая катушка чередующейся обмотки из круглого провода

Рисунок 2.29., Расположение витков в непрерывных (а) и в переплетенных (б) обмотках

Непрерывная обмотка состоит из ряда катушек, расположенных в осевом направлении и соединенных между собой последовательно без пайки. Число катушек в обмотке — от 30 до 150. Витки в катушке наматываются плашмя по спирали в радиальном направлении. Катушки наматываются на рейках, образующих вертикальные каналы. На рейки надеваются прокладки, создающие радиальные каналы между катушками.

Каждый виток обмотки может состоять из одного или нескольких параллельных проводов. Путем перестановки (транспозиции) параллельных проводов на переходах из катушки в катушку обеспечивается выравнивание их активного и индуктивного сопротивлений.

Непрерывность намотки достигается перекладыванием витков в катушках (рисунок 2.29, а). Переходы осуществляются на уровне крайнего внутреннего или наружного витка изгибом провода на ребро.

Переплетенная обмотка отличается от непрерывной последовательностью расположения витков в обмотке (рисунок 2.29, б). Если в непрерывных обмотках последовательность витков 1, 2, 3,... п, то для переплетенных 1 (n/2+ 1); 2 (n/2+ 2); 3 (n/2+ 3);...n (n/2+ n), где n — число витков в паре катушек; m — порядковый номер витка.

В переплетенной обмотке разность напряжений между соседними витками в n/2 раз больше, чем у непрерывной. При этом снижается напряжение между соседними катушками, что позволяет отказаться от экранирующих витков и дополнительной изоляции отдельных катушек. Переплетенные обмотки находят широкое применение в мощных трансформаторах на напряжения 110—1200 кВ.

Винтовая обмотка (рисунок 2.30) состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии. В трансформаторах большой мощности число параллельных проводников может достигать многих десятков. Винтовые обмотки бывают одно-, двух- и многоходовыми. Двухходовые и многоходовые обмотки состоят соответственно из двух или более отдельных винтовых обмоток, вмотанных одна в другую. Каналы для охлаждения образуются так же, как и в непрерывной обмотке.

Рисунок 2.30., Винтовые обмотки а- одноходовая, б-двухходовая

Если витки, соединенные параллельно, находятся на различных расстояниях от стержня, то они сцеплены с различными потоками рассеяния и в них наводятся разные ЭДС. Параллельные проводники будут иметь различные индуктивные сопротивления, и токи будут распределяться неравномерно. Чтобы обеспечить равномерное распределение токов в параллельных ветвях обмотки, необходимо сделать одинаковыми или близкими друг другу сопротивления параллельных ветвей обмотки. Для этого выполняется транспозиция параллельных проводников, образующих виток обмотки. При полной транспозиции каждый проводник занимает поочередно все положения, возможные в пределах одного витка. При частичной транспозиции перекладка осуществляется в нескольких местах и сопротивления выравниваются (рисунок 2.31).

Рисунок 2.31., Схемы частичной транспозиции

В трансформаторах и автотрансформаторах большой мощности широко применяются транспонированные провода, которые снижают трудоемкость обмоточных работ. Транспонированные провода состоят из параллельных транспонированных проводников, изолированных один от другого эмалевой пленкой н имеющих общую изоляцию из кабельной бумаги.

В последнее время в качестве проводникового материала для обмоток применяется алюминиевая фольга (лента). Удельное сопротивление алюминиевого провода на 64 % больше, чем медного. Однако применение алюминиевой фольги позволяет уменьшить габариты обмоток за счет улучшения охлаждения обмотки, что достигается равномерным распределением температуры по сечению катушки. При этом обеспечивается также возможность механизации процесса намотки обмоток.

Конструкции магнитных систем трансформаторов можно разделить на два основных типа: стержневые и броневые.

Для силовых трансформаторов применяют преимущественно магнитные системы стержневого типа. Однофазные стержневые трансформаторы имеют два стержня 2, несущие обмотки 3, 4, а трехфазные — три стержня. Стержни соединяются верхним и нижним ярмами 1 (рисунки 2.32 и 2.33).

Рисунок 2.32., Однофазный трансформатор стержневой конструкции

Рисунок 2.33., Трехфазный трансформатор стержневой конструкции

Однофазный броневой трансформатор имеет один стержень 2 и два ярма 1, закрывающие (бронирующие) обмотки (рисунок 2.34).

Трехфазный броневой трансформатор получается из трех однофазных, если их поставить друг на друга (рисунок 2.35). При такой конструкции потоки в ярмах равны половине потока в стержнях. Силовые броневые трансформаторы из-за более сложной технологии в СССР не изготовляются.

В силовых трансформаторах мощностью свыше 100 MB·А и напряжениями 220 кВ и выше применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию (рисунок 2.36). Эта конструкция получается из стержневой, если добавить два стержня, закрывающих обмотки двух фаз, расположенных на крайних стержнях трехфазного стержневого трансформатора (см. рисунок 2.33). По сравнению со стержневыми бронестержневые трансформаторы имеют меньшую высоту магнитопроводов, что очень важно при транспортировке, так как позволяет им лучше вписаться в железнодорожные габариты.

Рисунок 2.34., Однофазный трансформатор броневой конструкции

Рисунок 2.35., Броневой трехфазный трансформатор: 1, 2. 3— обмотки низшего напряжения фаз А. В. С,