3217_EI

Рис. 18. Простейшие изоляционные конструкции:

а– твердая изоляция между двумя отводами; б – масляный промежуток между шиной отвода

иярмовой балкой; в – барьер − междуфазная перегородка между обмотками ШЦ;

г– покрытие – изоляция витка в промежутке между обмоткой ВН и стяжной шпилькой остова;

д– изолированный отвод вблизи стенки бака

а)

г)

б)

в) д)

Рис. 19. Схемы маслобарьерных конструкций изоляций:

а– класс напряжения 35/85 кВ; б – 110/200 кВ; в – 35/85 кВ, облегченная изоляция;

г– 500/630 кВ; д – 330/460 кВ

41

В практике трансформаторостроения наибольшее распространение получила маслобарьерная главная изоляция обмоток, состоящая из различных комбинаций масляных каналов или промежутков с барьерами в виде цилиндров бумажно-бакелитовых, из электроизоляционного картона и кабельной бумаги, плоских и угловых шайб.

Относительное изменение размеров изоляционных промежутков в концевой изоляции обмоток классов напряжения от 35 до 500 кВ, а также усложнение схем маслобарьерных конструкций изоляции показано на рис. 19.

Рекомендации по выбору структуры изоляции, материалов деталей и размеров изоляционных промежутков для классов напряжения обмоток от 10 до 110 кВ приведены в [7].

6.КОНСТРУКЦИИ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ

6.1.Общие требования, предъявляемые к обмоткам трансформатора

Общие требования, предъявляемые к обмоткам трансформатора, можно подразделить на эксплуатационные и производственные.

Основными эксплуатационными требованиями являются надежность, электрическая и механическая прочность и нагревостойкость всех частей трансформатора. Изоляция обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения, которые могут возникнуть в сети, где трансформатор будет работать. Механическая прочность обмоток должна допускать упругие деформации и не разрушаться от токов короткого замыкания.

Нагрев обмоток и других частей от потерь, возникающих в трансформаторе при номинальном режиме работы, допустимых перегрузках и коротких замыканиях ограниченной длительности, не должен приводить изоляцию обмоток и других частей, а также масло трансформатора к тепловому износу или разрушению в сроки, более короткие, чем обычный срок службы трансформатора – 25 лет.

Практически электрическая прочность изоляции обмоток достигается рациональной ее конструкцией, правильным выбором изоляционных промежутков и изоляционных материалов и прогрессивной технологией обработки изоляции при высокой общей культуре производства. Требование механической прочности обмотки удовлетворяется путем рациональной организации поля рассеяния, а также правильного выбора типа конструкции обмотки и расположения ее витков и катушек с таким расчетом, чтобы возникающие в этой обмотке механические силы были по возможности меньшими, а механическая стойкость возможно большей.

42

Для достижения требуемой нагревостойкости следует обеспечить свободную теплоотдачу в окружающую среду всего тепла, выделяющегося в обмотках при допустимых для данного класса нагревостойкости изоляции превышениях температуры обмоток над температурой окружающей среды, т. е. обеспечить достаточно большую поверхность соприкосновения обмотки с охлаждающей средой – маслом или воздухом.

Основные производственные требования к трансформатору заключаются прежде всего в технологичности его конструкции, позволяющей изготовить трансформатор с минимальными затратами труда и материалов.

В процессе расчета обмотки следует добиваться наибольшей компактности в ее размещении, распределении витков и катушек для того, чтобы получить наилучшее заполнение окна трансформатора. Одновременно следует стремиться к получению хорошей поверхности охлаждения обмотки и достаточного числа и размеров масляных охлаждающих каналов в обмотках при обеспечении наименьшего гидро- и аэродинамического сопротивления для движения в них охлаждающей среды. Это позволяет уменьшить внутренний перепад температуры в обмотках и как следствие этого несколько уменьшить охлаждаемую поверхность бака трансформатора.

Потери энергии, выделяющейся в обмотках в виде тепла, должны быть полностью отведены в среду, охлаждающую трансформатор. Номинальные температуры обмоток, перепад температур и способы отвода тепла описаны в разд. 8 и [7–9].

6.2. Конструктивные детали обмоток и их изоляция

Основным элементом всех обмоток трансформаторов является виток (разд. 2). В зависимости от тока нагрузки виток может быть выполнен одним проводом круглого или прямоугольного сечения, а при достаточно больших токах – группой параллельных проводов того же самого сечения. На рис. 20, а – е представлены различные варианты поперечных сечений одного витка обмотки при различных токах нагрузки. Эти варианты не являются исчерпывающими.

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

43

– как целым, так и дробным, однако должно быть больше единицы. Hа рис. 21 представлены поперечные сечения нескольких различных типов катушек.

Рис. 20. Варианты поперечных сечений витка обмотки при различных токах нагрузки:

а, б – обмотка из круглого провода с одним и двумя проводами в витке; в – обмотка из прямоугольного провода с одним проводом в витке; г, д – обмотка из прямоугольного провода с намоткой на «ребро» и «плашмя» тремя проводами в витке; е – двухходовая обмотка из прямоугольно провода

а)

Рис. 21. Поперечные сечения:

а– катушка из шестнадцати витков; б – катушка из пяти витков; в – катушка из семи витков;

г– катушка из шести витков (четыре параллельных провода)

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.

Для нормального охлаждения между обмоткой и другими частями трансформатора, между катушками, в некоторых конструкциях и между витками делают масляные или

44

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. 22). Однослойные обмотки, имеющие в одном слое более одного витка (рис. 22, 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. 22, б) направление намотки слоев будет чередоваться.

а)

г)

в)

б)

Рис. 22. Виды обмоток:

а– цилиндрическая однослойная; б – цилиндрическая многослойная;

в– одинарные катушки катушечной обмотки; г – двойные катушки катушечной обмотки

Если первый (внутренний) слой левый, то все другие нечетные слои также будут левыми, а все четные – правыми. Для таких обмоток за начало при определении направ-

45

ления намотки обычно принимается начало первого (внутреннего) слоя и направление намотки всей обмотки считается по направлению намотки этого слоя.

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. 22, 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. 22, 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 [1], 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 [7].

Обмотки масляных трансформаторов изготавливаются 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. Собственная изоляция провода обычно обеспечивает достаточную электрическую прочность изоляции между соседними витками.

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. Сортамент медного прямоугольного провода приведен в [7, 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

46

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 [7, табл. 5.2].

При расчете обмоток, работающих при повышенной температуре, применяют провода с изоляцией повышенной нагревостойкости [30]. Сюда можно отнести 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) [7, табл. 5.3].

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 [7, табл. 5.3].

Электрическая прочность изоляции обмоточного провода 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.

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. 23 для семи проводников. Расстояние между двумя транспозициями (между двумя соседними расположениями проводников) по длине провода составляет для проводов различного сечения от 40 до 250 мм. Провода такого типа называются транспонированными.

Рис. 23. Схемы транспозиций проводников

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 [31]. 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.

47

Вкачестве проводникового материала для обмоток высокого напряжения силовых трансформаторов не исключено применение неизолированной алюминиевой фольги, изготавливаемой по [32].

Одним из важнейших требований, предъявляемых к обмоточному проводу, является требование определенного удельного электрического сопротивления. Для всех прямоугольных медных проводов 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 сопротивление должно быть не более 0,0280 Ом.

Всравнительно 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 [7–9].

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.

Вобмотках, состоящих из нескольких слоев 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. 24.

Рис. 24. Виды междуслойной изоляции:

а – кабельная бумага; б – кабельная или телефонная бумага; в и г – картон электроизоляционный; д – масляный канал

48

а) б) в) г)

Рис. 25. Междукатушечная изоляция:

а – осевой канал; б – радиальный канал; в – шайбы; г – радиальный канал и шайбы

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. 25, 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 кВ·А, в которых вопрос охлаждения обмотки еще не играет существенной роли, оказывается возможным вообще не делать радиальных междукатушечных каналов. В обмотках трансформаторов мощностью 1000÷6300 кВ·А с потерями короткого замыкания по [33] возможно заменить шайбами половину масляных каналов [7–9].

Такая замена вследствие малой толщины шайб (1÷2 мм) по сравнению с масляными каналами (4÷6 мм) позволяет получить некоторую экономию места по высоте (осевому размеру) обмотки (рис. 25, в).

Наружный диаметр междукатушечных шайб принимается обычно больше наружного диаметра катушки для того, чтобы удлинить путь возможного разряда по поверхности между катушками. Сделать такой же выступ шайбы внутрь обмотки не представляется возможным ввиду того, что при отсутствии внутреннего осевого канала обмотка наматывается непосредственно на цилиндр, а при наличии канала выступ шайбы будет закрывать канал и тем самым сводить к нулю его охлаждающее действие.

Изоляция между обмотками, а также обмоток от магнитной системы при рабочем напряжении не выше 35 кВ может быть осуществлена путем применения изоляционных цилиндров (рис. 26, а). Высота (осевой размер) цилиндра в этом случае делается больше высоты обмотки, чем удлиняется возможный путь разряда по поверхности между обмотками. В трансформаторах с рабочим напряжением 110 и 220 кВ и более для изоляции обмоток ВН обычно применяется комбинация изоляционных цилиндров с угловыми шайбами (рис. 26, б).

49

Рис. 26. Применение изоляционных цилиндров:

а– изоляция при помощи жестких цилиндров; б – комбинация цилиндров и угловых шайб;

в– отбортованные цилиндры из кабельной бумаги

Изоляционные цилиндры применяются или жесткие бумажно-бакелитовые, или так называемые мягкие, составленные из намотанных один на другой листов электроизоляционного картона. Угловые шайбы также могут быть жесткими – бумажнобакелитовыми, или прессованными из электроизоляционного картона, или мягкими, свернутыми из полос картона. Для мягких цилиндров и угловых шайб в трансформаторах классов напряжения 110 кВ и более рекомендуется применять мягкий электроизоляционный картон марки А по [16] с плотностью 900÷1000 кг/м3.

Некоторые иностранные фирмы выполняют главную изоляцию обмоток классов напряжения 110 кВ и выше из кабельной бумаги [7; 8]. На внутреннюю обмотку НН наматывается большое число слоев кабельной бумаги с шириной полотна большей, чем высота обмотки НН, и общей толщиной до 40 мм и более. Затем наматывается многослойная цилиндрическая обмотка ВН из прямоугольного провода с междуслойной изоляцией также из кабельной бумаги. Осевые масляные каналы делаются только для охлаждения внутренних слоев обмотки. После окончания намотки части цилиндров, образованных слоями кабельной бумаги, выступающие за длину обмотки, отбортовываются вручную, т. е. разрываются по образующим цилиндра на полоски шириной 40–50 мм, которые затем отгибаются под углом 90° в радиальном направлении, образуя плоские шайбы, перпендикулярные оси обмотки (рис. 26, в).

Для образования осевых каналов в обмотках, между обмотками и изоляционными цилиндрами применяются рейки, склеенные бакелитовым или другим лаком из полос электроизоляционного картона или изготовленные из дерева твердой породы, например белого или красного бука. При намотке рейки укладываются по образующим цилиндра и плотно прижимаются проводами к цилиндру или ранее намотанной катушке. Толщина рейки при этом определяет ширину (радиальный размер) осевого канала (рис. 27).

50