5.3. Цилиндрические обмотки из прямоугольного провода

Простой цилиндрической называется обмотка, сечение витка которой состоит из сечений одного или нескольких параллельных проводов, а витки и все их параллельные провода расположены в один ряд без интервалов на цилин­дрической поверхности в ее осевом направлении.

Обмотка, состоящая из двух или большего числа кон­центрически расположенных простых цилиндрических об­моток (слоев), называется двухслойной или многослойной цилиндрической обмоткой (рис. 5.12).

Любая цилиндрическая обмотка может быть намотана из круглого или прямоугольного провода, однако обмотки с одним—тремя слоями для силовых трансформаторов в большинстве случаев выполняются из прямоугольного провода. На рис. 5.13 показана однослойная цилиндричес­кая параллельная обмотка из трех параллельных прямо­угольных проводов с семью витками и с высотой витка hв. Ввиду того что намотка витков ведется по винтовой линии и начала первого витка слоя и его последнего витка оказы­ваются на одной образующей цилиндра, общая высота об­мотки / определяется высотой не семи витков, а на один больше. Это правило справедливо для всех цилиндричес­ких обмоток. Для выравнивания торцовых поверхностей об­мотки к верхнему и нижнему виткам каждого слоя при­крепляется опорное разрезное кольцо, вырезанное из бумажно-бакелитового цилиндра (рис. 5.14). Крепление такого кольца к обмотке осуществляется путем подвязки хлопча­тобумажной лентой. Концы ленты, охватывающей кольцо, пропускаются между несколькими крайними витками об­моток.

При таком закреплении концов ленты, естественно, не­сколько увеличивается осевой размер обмотки. Кроме того, приходится считаться с возможностью некоторого уве­личения осевого размера вследствие неплотности намотки провода и возможных отклонений действительной толщины изоляции от расчетной. В сумме все возможные отклонения действительного осевого размера для обмоток с осевым размером от 0,2 до 1,0 м обычно составляют от 5 до 15 мм.

Рис. 5.12 Цилиндрическая обмотка:

а – простая из шести витков; б – двухслойная из 12 витков

Рис. 5.13. Цилиндрическая обмотка из семи витков

Рис. 5.14. Опорное кольцо обмотки:

а – разрезное кольцо из бумажно-бакелитового цилиндра; б – плоская развертка опорного кольца

Поэтому при расчете осевого размера такой обмотки рас­четную сумму высот проводов принимают на 5—15 мм меньше заданного осевого размера. В этом случае, когда в процессе намотки обнаруживается, что запас по высоте 5—15 мм оказывается частично или полностью излишним, в обмотку для заполнения высоты параллельно с проводом вматываются полоски электроизоляционного картона. Та­ким образом делается «разгон» обмотки так, чтобы общий осевой размер l был непременно выдержан. Полоски картона при этом наматываются на ребро и для удобства на­мотки снабжаются треугольными просечками (рис. 5.15).

В некоторых случаях, когда сортамент прямоугольного провода не позволяет получить плотного заполнения высо­ты обмотки проводами витков, может быть применен раз­гон более чем на 15 мм.

Рис. 5.15. Цилиндрическая обмотка с разгоном по высоте

Рис. 5.16. Способы намотки: а - намотка плашмя; б - намотка на ребро; в – неправильная намотка

Намотка провода может производиться плашмя (рис. 5.16, а) или на ребро (рис. 5.16, б). В первом случае боль­ший размер провода b располагается в осевом направле­нии, во втором — в радиальном. Намотка на ребро нес­колько труднее намотки плашмя, потому что привод пружинит и стремится повернуться вокруг оси так, как это показано на рис. 5.16, в. Кроме того, при намотке на ребро увеличиваются добавочные потери в обмотке, поэтому ре­комендуется избегать намотки на ребро, а в случае при­менения ее употреблять провод с соотношением сторон по­перечного сечения 1,3<b/а<3.

Цилиндрическая обмотка может быть намотана из не­скольких параллельных проводов с одинаковой площадью и одинаковыми размерами поперечного сечения.

В трехфазных трансформаторах мощностью 25—630 кВА цилиндрическая обмотка чаще всего наматывается в два слоя. При мощности 10—16 кВ-А иногда удается вы­полнить обмотку в один слой. Сравнительно редко приме­няется обмотка в три слоя. Во всех случаях для обеспе­чения нормального охлаждения каждый слой такой обмот­ки должен хотя бы с одной стороны омываться маслом.

Критерием для определения числа поверхностей слоя, омы­ваемых маслом, служит плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности слоя q, Вт/м2, т. е. потери в об­мотке, отнесенные к единице площади поверхности. Вопрос о числе поверхностей слоя (одна или две), охлаждаемых маслом, решается в зависимости от материала обмотки (медь или алюминий), плотности тока в обмотке и ради­ального размера провода согласно с указаниями § 5.7. Плотность теплового потока в обмотках этого типа обычно не превышает 800—1000 Вт/м² при медном проводе и 600— 800 Вт/м2 при алюминиевом.

При выполнении обмотки в два слоя витки обоих слоев соединяются, как правило, последовательно. При их парал­лельном соединении активные и реактивные сопротивления этих слоев различаются и токи нагрузки в них не будут одинаковыми, что вызовет увеличение потерь в обмотке. Такое соединение не приведет к увеличению потерь, если выполнить транспозицию витков между солями.

При последовательном соединении слоев общее число витков обмотки может быть как четным, так и нечетным. В обоих случаях число витков каждого слоя делается рав­ным половине числа витков всей обмотки. При общем не­четном числе витков число витков каждого слоя получает­ся дробным, кратным половине витка. В этом случае переход из одного слоя в другой располагается со сдвигом 180° по окружности обмотки по отношению к расположе­нию начала и конца обмотки. Полное число витков об­мотки одного стержня всегда должно быть целым числом.

В двухслойной обмотке с последовательным соединени­ем слоев напряжение между двумя крайними витками двух слоев, т. е. между началом и концом обмотки, равно пол­ному напряжению обмотки одного стержня. Изоляция меж­ду такими витками, а значит, и изоляция между слоями обмотки должна быть рассчитана по полному напряжению обмотки одного стержня. При рабочих напряжениях до 1 кВ эта изоляция легко осуществляется масляным кана­лом шириной 4—8 мм или цилиндрической прокладкой между слоями из электроизоляционного картона. При ра­бочих напряжениях обмотки 3 и 6 кВ необходим масляный канал с барьером из двух слоев электроизоляционного картона общей толщиной 2 мм. Масляный канал между слоями образуется при помощи реек (см. рис. 5.8, а или б). При напряжениях более высоких, чем 6 кВ, вследствие ус­ложнения междуслойной изоляции двухслойная цилиндрическая обмотка в трансформаторах мощностью 25—630 кВА обычно не применяется.

Механическая стойкость цилиндрической обмотки, пред­ставляющей в сечении каждого слоя, как это видно из рис. 5.13, высокую колонку с относительно малым поперечным размером и относительно неплотной намоткой, при осевых силах, возникающих при коротких замыканиях, невелика. Вследствие этого применение одно- и двухслойных цилин­дрических обмоток ограничивается обычно трансформато­рами мощностью не более 630 кВА. Также по соображе­ниям механической прочности ограничивается и применение большого числа параллельных проводов. С увеличени­ем числа параллельных проводов увеличивается высота витка, измеренная в осевом напряжении, а вместе с тем и угол наклона провода к плоскости поперечного сечения об­мотки, что при значительных осевых силах, возникающих при коротких замыканиях, может привести к «сползанию» витков. Обычно по этим соображениям не рекомендуется брать число параллельных проводов более четырех—шести при намотке плашмя и шести—восьми при намотке на ребро.

Предельный ток в обмотке одного стержня, на который может быть рассчитана такая обмотка при максимально возможном числе параллельных проводов, ограничивается сечением применяемого прямоугольного провода и обычно принимаемой плотностью тока l = 2,3*10δ-3,5*10δ А/м2— для медных и J = 1,5*10δ-2,5*10δ А/м2 — для алюминие­вых обмоток. Такие обмотки применяются для токов в об­мотке одного стержня не свыше 800 А из медного провода и не свыше 600—650 А из алюминиевого провода.

В производстве при намотке на обмоточном станке двухслойная цилиндрическая обмотка является более про­стой и дешевой, чем винтовая или непрерывная катушеч­ная, но существенно уступает по этим показателям много­слойной цилиндрической обмотке, наматываемой из алю­миниевой или медной ленты.

Цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода может применяться при сечении витка не менее 5,04 мм2, равном минимальному сечению медного прямоугольного провода по сортаменту, что при наименьшей плотности тока в медном проводе соответствует нижнему пределу рабочего тока обмотки 15—18А, алюминиевом проводе с минимальным сечением 6,39 мм2 10—13 А. В соответствии со всеми приведенными соображениями одно- и двухслойная цилиндрическая обмотка из прямо­угольного провода с успехом широко применяется как об­мотка НН трех- и однофазных масляных силовых транс­форматоров с мощностью на один стержень S'<=250 кВА при напряжении обмотки не выше 6 кВ. Этот тип обмотки может также применяться в качестве обмотки ВН при на­пряжении в пределах до 6 кВ.

В силовых трансформаторах мощностью от 1000кВ*А и выше все более широкое распространение получает мно­гослойная цилиндрическая обмотка из провода прямоуголь­ного сечения с последовательным соединением слоев (рис. 5.17). Этот тип обмотки отличается от простой цилиндрической обмотки числом слоев, и замечания, сделанные ранее относительно числа параллельных проводов и их размеще­ния в слое, относительно опорных колец, разгона витков и др., в основном остаются справедливыми и для каждого слоя многослойной обмотки. Так же как и в простой, в мно­гослойной цилиндрической обмотке все параллельные про­вода должны иметь одинаковые размеры и площадь попе­речного сечения.

Рис. 5.17. Многослойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода:

1 - междуслойная изоляция из кабельной бумаги; 2 – бумажно-бакелитовое опорное кольцо; 3 – рейка, образующая охлаждающий канал.

В этой обмотке не применяется намотка на ребро, по­скольку добавочные потери возрастают пропорционально второй степени числа слоев и четвертой степени радиаль­ного размера провода.

Направление намотки слоев многослойной обмотки различно. Все нечетные слои, считая изнутри, имеют одно направление намотки, обычно левое, все четные — другое, обычно правое. Напряжение между первым витком какого-либо слоя и последним витком следующего слоя равно сумме рабочих напряжений двух слоев и при рабочем на­пряжении обмотки 35 кВ может достигать 5000—6000 В. В качестве междуслойной изоляции обычно применяется ка­бельная бумага, намотанная в несколько слоев. Для пре­дотвращения разряда между соседними слоями ширина полосы кабельной бумаги должна быть больше высоты об­мотки на 20—50 мм. Междуслойную изоляцию можно при­нять по табл. 4.7. Каждый слой обмотки внизу и вверху должен иметь опорные кольца, вырезанные из бумажно-бакелитового цилиндра (см. рис. 5.14, а). Эти кольца при­крепляются к крайним виткам соответствующего слоя об­мотки хлопчатобумажной лентой. Для получения доста­точной поверхности охлаждения в этих обмотках предусматриваются один или два осевых канала между слоями. Ширина каждого канала около 1/100 высоты об­мотки. Критерием для выбора числа каналов служит плот­ность теплового потока (потерь в обмотке) на охлаждае­мой поверхности. С учетом перепада температуры при дви­жении тепла внутри обмотки плотность теплового потока на ее поверхности рекомендуется допускать не более 1200—1400 Вт/м².

Многослойная цилиндрическая обмотка из прямоуголь­ного провода находит применение в качестве обмоток ВН и НН трансформаторов мощностью от 630 до 40 000—80 000 кВА классов напряжения 10 и 35 кВ. Ее широкое распро­странение определяется возможностью обеспечить более плотное заполнение окна магнитной системы, использовать более эффективную теплоотдачу от обмотки к маслу в вертикальных каналах по сравнению с горизонтальными каналами и получить более технологичную конструкцию по сравнению с обмотками других типов. Эта обмотка при воздействии импульсных перенапряжений также имеет бо­лее высокую электрическую прочность по сравнению с ка­тушечными обмотками.

Для защиты от грозовых перенапряжений многослойная цилиндрическая обмотка при классе напряжения 35 кВ может быть дополнительно защищена электрическим экра­ном. Экран — незамкнутый цилиндр из немагнитного ме­талла толщиной 0,2—0,5 мм — располагается под внут­ренним слоем по всей высоте обмотки и электрически сое­диняется с ее линейным концом (см. § 4.5).

Особое значение для многослойных цилиндрических об­моток из прямоугольного провода, предназначенных для трансформаторов мощностью от 630 до 80 000 кВА, имеет обеспечение достаточной механической прочности этих об­моток при коротком замыкании трансформатора. Это до­стигается плотной намоткой каждого слоя обмотки с ме­ханическим осевым поджимом. Рекомендуется после намотки и сушки опрессовать обмотку на прессе с силой, близкой к расчетной осевой силе при коротком замыкании. Обмотки, намотанные и обработанные по такой технологии, обычно хорошо выдерживают полное короткое замыкание трансформатора. Увеличение механической прочности мо­жет дать вакуумная пропитка обмотки лаком после намот­ки и сушки с последующим запеканием лака. Некоторые иностранные фирмы применяют также склеивание витков каждого слоя и слоев между собой специальной пастой, наносимой при намотке обмотки.

Рис. 5.18. Многослойная цилиндрическая обмотка НН из алюминиевой ленты:

1 – алюминиевая лента; 2 – междуслойная изоляция из кабельной бумаги; 3 – бортик из электроизоляционного картона.

Многослойная цилиндрическая обмотка может быть намотана также из неизолированной  алюминиевой или медной ленты. Этот тип обмотки находит применение в трансформаторах мощностью до 1000 кВА при классе на­пряжения не выше 1 кВ. Каждый слой обмотки состоит из одного витка, высота которого (ширина ленты) равна вы­соте обмотки. Изоляция между витками образуется одним-двумя слоями кабельной бумаги, ширина полосы которой на 16—24 мм больше ширины ленты. Для образования же­сткой торцовой опорной изоляции на краях полосы бума­ги приклеивается бортик — полоска электроизоляционного картона с толщиной, равной толщине ленты, и шириной от 8 до 12 мм (рис. 5.18).

Этот тип обмотки из более дешевого проводникового материала, с меньшим количеством изоляционных матери­алов, чем другие типы обмоток, дает более высокий коэффициент заполнения окна магнитной системы активным ма­териалом и значительно проще и дешевле в изготовлении на станке.

Обмотки этого типа, намотанные из алюминиевой лен­ты, обладают высокой теплопроводностью в осевом и ра­диальном направлениях, что приводит к более равномер­ному распределению температуры по высоте и ширине обмотки и снижению температуры наиболее нагретой точ­ки обмотки по сравнению с обмотками, намотанными из изолированного провода. Медная лента в трансформаторах мощностью до 1000 кВА обычно не применяется.

Обмоточный станок, предназначенный для намотки об­моток этого типа, должен быть оборудован устройствами для установки рулона ленты, рулона кабельной бумаги, рулончиков узкой полосы картона для бортиков, а также устройством для сварки начала и конца ленты с алюми­ниевыми шинами отводов. При продольной резке ленты стандартной ширины для получения ленты с шириной, равной высоте витка (обмотки), не должно быть заусен­цев, которые могут нарушить междувитковую изоляцию. Заусенцы должны быть тщательно удалены.

Существенным недостатком обмотки, намотанной из алюминиевой ленты, является ее меньшая механическая прочность при воздействии радиальных сил при коротком замыкании трансформатора по сравнению с обмотками, намотанными из изолированного провода. Под воздействи­ем этих сил обмотка может потерять механическую стой­кость (см. § 7.3). В целях достижения необходимой меха­нической стойкости обмотку этого типа рекомендуется на­матывать из отожженной алюминиевой ленты по ГОСТ 13726-78, изготовляемой из алюминия марок А6 или А5 с химическим составом по ГОСТ 11069-74.

Обмотки ВН классов напряжения 6, 10 и 35 кВ транс­форматоров мощностью до 1000 кВА имеют не менее 200 витков и не могут быть намотаны в виде одной катушки с высотой витка, равной высоте всей обмотки. Материалом такой обмотки может служить уже не лента, а фольга— материал с толщиной не более 0,2 мм.

Отводы от обмотки НН, намотанной из алюминиевой ленты, могут быть выполнены в виде шин, надежно прива­риваемых к торцам ленты (рис. 5.19, а). При более тонкой фольге отводы от обмотки ВН можно выполнить с меньшей надежностью, например с отгибом конца ленты фольги по рис. 5.19, б.

Рис. 5.19. Образование отвода от обмотки из ленты или фольги:

а – алюминиевая шина, прикрепленная точечной сваркой; б – образование отвода путем отворота ленты (фольги).

Необходимость разделения обмотки ВН на катушки, со­единяемые при помощи пайки, и трудность крепления от­водов к катушкам из фольги с толщиной 0,1—0,2 мм при­водят к тому, что часто предпочитают обмотку НН выпол­нить из ленты, а обмотку ВН из провода.