3217_EI

Расстояния между двумя транспозициями при числе параллельных проводов nв принимаются равными 1/nв общего числа витков обмотки, а крайние участки у начала и конца обмотки – вполовину короче, т. е. 1/2nв общего числа витков.

Равномерно распределенная транспозиция в двухходовой обмотке может быть сделана при любом числе параллельных проводов и дает более полное уравнение их сопротивлений, чем групповые и общие транспозиции. Еще одно преимущество такой транспозиции заключается в том, что она не требует добавочного места по высоте обмотки. Однако при определении изоляционных расстояний следует учитывать, что в местах транспозиции радиальный размер обмотки увеличивается на толщину провода.

Плотность тока в обмотках силовых трансформаторов составляет в медных обмотках около 2·106÷3·106 (иногда до 3,5·106) и в алюминиевых – 1,2·106÷2·106 А/м2. При такой плотности тока потери в единице объема обмотки и плотность теплового потока на осевых и радиальных охлаждаемых поверхностях витков невелики, и возникает возможность существенного уменьшения числа каналов в обмотке вплоть до полного отказа от горизонтальных каналов.

Винтовая обмотка без горизонтальных каналов с плотным прилеганием витков в осевом направлении может быть одно-, двух- и четырехходовой с обычными для таких обмоток транспозициями. Такая обмотка наматывается на цилиндре на рейках типа рис. 27, а и б или на оправке без реек и без прокладок между ходами. Не исключена намотка двухслойной винтовой обмотки, т. е. двух концентрических винтовых обмоток левого и правого направлений намотки, соединяемых последовательно.

При использовании винтовой обмотки без горизонтальных каналов следует принимать во внимание то, что плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности обмотки существенно возрастает и ее не рекомендуется допускать более 1200–1400 Вт/м2. При этом превышение температуры поверхности обмотки, имеющей только вертикально расположенные поверхности, охлаждаемые маслом, над температурой масла составляет 21–23 °С, что примерно на 20 % ниже, чем в обмотке с витками, имеющими горизонтальные и вертикальные поверхности. Необходимо также учитывать, что в обмотке без горизонтальных каналов добавочные потери могут быть в 1,5–2 раза больше, чем в обмотке с тем же числом витков и с тем же числом, размерами и расположением параллельных проводов, но с горизонтальными каналами.

В механическом отношении при возникновении осевых механических сил винтовая обмотка является значительно более прочной, чем одно- и двухслойная цилиндрическая. Параллельные провода в каждом витке располагаются в ней не в осевом, а в радиальном направлении, образуя относительно большую опорную поверхность. Механическая жест-

61

кость обмотки усиливается рейками, идущими по всей длине обмотки, и связанными с ними горизонтальными прокладками, плотно зажатыми между витками обмотки.

Нижний предел допустимого сечения витка и тока обмотки соответствует силовым трансформаторам с мощностью 160÷1000 кВ·А. При больших мощностях нижним пределом применения винтовой обмотки считается обычно 400–500 А.

По соображениям механической прочности, а также удобства выполнения транспозиций число параллельных проводов принимается обычно не менее четырех.

Наличие масляных каналов между соседними витками обеспечивает высокую электрическую прочность винтовой обмотки, и она находит широкое применение как обмотка НН в трансформаторах с напряжением НН от 230 В до 35 кВ включительно.

В производстве винтовая обмотка существенно дороже многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода.

6.5. Катушечные обмотки

Обмотка, состоящая из ряда последовательно соединенных катушек, намотанных в виде плоских спиралей из одного или более проводов прямоугольного сечения и расположенных в осевом направлении обмотки, с радиальными каналами между всеми или частью катушек называется катушечной обмоткой. Если такая обмотка наматывается непрерывным проводом или несколькими непрерывными параллельными проводами, она называется непрерывной катушечной обмоткой (рис. 39). Катушечная обмотка, собранная из отдельно намотанных катушек, называется дисковой катушечной обмоткой.

Непрерывная катушечная обмотка не имеет обрывов и паек провода. Все переходы из одной катушки в другую осуществляются кратчайшим путем по направлению внутренней или внешней образующей обмотки. Такая обмотка может быть намотана также из двух, трех, а иногда и более параллельных проводов. В этом случае во избежание излишнего увеличения радиального размера обмотки в месте перехода из катушки в катушку каждый из параллельных проводов переходит самостоятельно.

При таком переходе провода меняются местами: наружный провод катушки переходит внутрь, внутренний наружу и т. д. При этом одновременно осуществляется и транспозиция проводов, необходимая для уравнивания полных сопротивлений параллельных проводов. Необходимость транспозиции обусловливается тем, что параллельные провода наматываются на окружностях разных диаметров и находятся в различных зонах поля рассеяния.

62

Для обеспечения надлежащей электрической прочности изоляции при изгибе провода применяют добавочную изоляцию провода в виде оплетки полосками кабельной бумаги, лакоткани или подвязки изоляционных коробочек из электроизоляционного картона.

Непрерывная катушечная обмотка может быть намотана на жестком бумажнобакелитовом цилиндре, на рейках, расположенных по образующим цилиндра. При применении мягких изоляционных цилиндров из электроизоляционного картона обмотка наматывается на станке на рейках, расположенных на временной цилиндрической оправке без изоляционного цилиндра. В этом случае цилиндр наматывается при сборке трансформатора перед насадкой соответствующей обмотки. Для образования радиальных междукатушечных каналов применяются прокладки, штампованные из электроизоляционного картона, как показано на рис. 28 и 29.

Радиальные каналы в обмотке обычно выполняются между всеми катушками, однако в трансформаторах с пониженными потерями короткого замыкания и в алюминиевых обмотках каналы иногда могут быть сделаны через две катушки. В этом случае половина радиальных каналов между катушками заменяется разрезными шайбами по две шайбы толщиной 0,5 мм взамен каждого канала. Пара катушек, разделенных шайбами или радиальным каналом, называется двойной катушкой.

Переход провода из одной катушки в другую в непрерывной катушечной обмотке делается в промежутках между прокладками, образующими радиальные каналы. Число витков в каждой катушке может быть как целым, так и дробным. В последнем случае знаменатель дроби указывает число междукатушечных прокладок (реек) по окружности обмотки. Максимальный радиальный размер обмотки при дробном числе витков определяется числом целых витков плюс один виток.

Возможность намотки в катушке дробного числа витков позволяет легко разместить полученное по расчету число витков по катушкам, однако для упрощения намотки обмотки на станке рекомендуется рассчитывать катушки с целым числом витков. В одной обмотке рекомендуется применять не более четырех типов катушек с разным числом витков, а общее число катушек брать четным.

Витки, служащие для регулирования напряжения в обмотках ВН, должны располагаться в отдельных катушках так, чтобы регулировочные ответвления выполнялись на переходах между катушками, а не от средних витков катушки. Витки с усиленной изоляцией так же размещаются в отдельных катушках, так как это позволяет выполнить усиленную изоляцию провода или оплетки всей катушки снаружи лентой из кабельной бумаги или лакоткани. Усиленная изоляция между слоями (витками) в виде прокладок не применяется.

Катушки с различным числом витков (основные, регулировочные, с усиленной изоляцией) для удобства обозначают различными буквами алфавита.

63

При размещении витков обмотки в катушке необходимо следить за тем, чтобы радиальные размеры катушек различных типов были приблизительно равными. Радиальные размеры наиболее широкой и наиболее узкой катушек должны отличаться не более чем на двойную толщину провода. В тех случаях, когда перемещением витков нельзя добиться равенства катушек, между витками вматывают полоски электроизоляционного картона.

Для того чтобы вести обмотку не прерывая провода (непрерывная катушка) и делать переход провода из катушки в катушку то у внутреннего, то у внешнего края катушки, витки половины катушек (обычно нечетных) после намотки катушки перекладываются так, что внутренний виток оказывается наружным, а наружный – внутренним. Остальные катушки (обычно четные) наматываются без перекладки [7–9].

Вмеханическом отношении непрерывная катушечная обмотка является одной из самых прочных обмоток, применяемых в трансформаторах. С увеличением мощности трансформатора и ростом осевой составляющей механических сил при коротком замыкании растут также радиальный размер катушек обмотки и ее механическая стойкость. Таким образом, условия механической прочности не ставят практически никаких пределов применению обмотки этого типа, и она может применяться на очень большом диапазоне мощности трансформаторов от 160 до 1000000 кВ·А. Обмотка этого типа с успехом применяется также и в широком диапазоне напряжений от 2 до 500 кВ и более.

При достаточно высоких напряжениях усложняется защита обмоток от импульсных атмосферных перенапряжений, вследствие чего обмотку приходится разделять на части, наматываемые непрерывно, и части, состоящие из отдельно наматываемых катушек, а также делать обмотки переплетными [7].

Непрерывная катушечная обмотка может быть применена при всех токах нагрузки, когда при выбранной плотности тока и достаточном числе витков сечение проводника получается равным или большим, чем минимальное по сортаменту сечение прямоугольного медного провода 5,04 мм2 или алюминиевого провода 6,39 мм2. При наименьшей применяемой плотности тока в обмотках это соответствует нижнему пределу рабочего тока обмотки в медном проводе 15–18 А и в алюминиевом проводе 10–13 А.

Плотность теплового потока на поверхности катушечных обмоток обычно допускают не более 1200–1400 Вт/м2.

Впроизводстве непрерывная катушечная обмотка при равных показателях дороже других типов обмотки, поэтому при мощностях до 250 кВ·А предпочитают применять цилиндрические обмотки. Наиболее часто непрерывная катушечная обмотка применяется в масляных силовых трансформаторах в качестве обмотки ВН для трансформаторов с мощностью от 160 до 63 000 кВ·А и выше при токах нагрузки от 10–15 А и выше. Обмотка этого типа находит применение также в качестве обмоток НН при токах от 10 до 300 А. В

64

этом случае для уменьшения осевых механических сил в обмотках трансформаторов мощностью 1000 кВ·А и выше с ПБВ, у которых регулировочная часть обмотки ВН располагается в середине высоты стержня, рекомендуется делать в середине высоты обмотки НН разгон между катушками путем увеличения двух-трех радиальных каналов до 15–20 мм.

6.6. Выбор конструкции обмоток

Выбор типа конструкции обмоток при расчете трансформатора должен производиться с учетом требований описанных в п. 6.1.

Выбор типа обмотки производится на основании следующих параметров: тока нагрузки одного стержня Iс, мощности трансформатора Sн и номинальному напряжению Uном, а также по поперечному сечению витка обмотки П. Мощность Sн и напряжение Uном являются паспортными данными трансформатора. Расчет остальных величин приведен в [6–7].

После определения средней плотности тока Jср и сечения витка П для каждой из обмоток можно произвести выбор типа конструкции обмотки, пользуясь указаниями, сделанными в предыдущих параграфах и сведениями, представленными в [7, табл. 5.8]. При выборе конструкции обмоток ВН следует учитывать также и возможность получения наиболее удобной схемы регулирования напряжения обмотки ВН в соответствии с указаниями, данными в [7].

На расчет обмоток существенно влияет правильный выбор размеров провода. При использовании провода прямоугольного сечения желательно применять наиболее крупные сечения провода, что упрощает намотку обмотки на станке и позволяет получить наиболее компактное ее размещение на магнитной системе. Однако применение наиболее крупных размеров провода ограничивается условиями охлаждения обмотки и допустимыми добавочными потерями от вихревых токов, вызываемых полем рассеяния. Выбор размеров поперечного сечения провода, связанный с плотностью теплового потока на охлаждаемой поверхности обмотки q, представлен в [7].

7. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ

7.1. Необходимость регулирования

Любой современный потребитель электрической энергии (промышленное предприятие, жилой дом) требует получения электроэнергии в достаточном количестве и хорошего качества. Под качеством электрической энергии понимается ее частота, симметрия и величина подводимого к потребителю трехфазного напряжения [34].

65

Допустим, что к сети с напряжением 6,3 кВ подключены несколько трансформаторов с вторичными напряжениями 220 В. В ночные часы, когда не работает большинство заводов и потребляемая ими мощность обычно невелика, в сети 6,3 кВ проходит небольшой ток, не вызывающий заметного падения напряжения.

В дневное время вторичный ток трансформаторов растет за счет включения в работу большей части промышленных предприятий. Растет соответственно и первичный ток трансформаторов. Складываясь, эти токи образуют в сети 6,3 кВ ток, во много раз больший, чем в ночные часы суток. Действительное напряжение сети снижается, а с ним и напряжение на вторичной обмотке трансформаторов.

Для экономичной и безаварийной работы любого потребителя необходимо, чтобы отклонения фактической величины подводимого к нему напряжения были не менее установленных [34; 35]. Так, для электродвигателей напряжение на зажимах не должно отличаться от номинального более чем на 5–10 %. При снижении напряжения, например на 10 %, уменьшится скорость вращения двигателя, и возрастут токи ротора и статора, что приведет к перегреву обмоток двигателя и сокращению срока службы его изоляции. Весьма чувствительны к отклонениям напряжения осветительные установки, для которых допустимое отклонение напряжения составляет ±5 % для жилых помещений и от 2,5 до 5 % для общественных зданий и производственных помещений. При понижении напряжения резко ухудшается освещаемость, а при повышении, например на 10 %, срок службы ламп сокращается примерно втрое. Для некоторых дуговых электропечей снижение напряжения на 8 % заставляет прекращать плавку стали, т. е. является аварийным.

Таким образом, колебания напряжения приводят к значительному ущербу, и нужно стремиться сделать их минимальными. Однако выполнить это очень непросто, так как причинами колебаний напряжения являются неизбежные изменения (включения и отклонения) нагрузки и переменные режимы работы потребителей электроэнергии. Колебания напряжения являются в принципе неизбежными, поэтому для поддержания уровня напряжения постоянным требуется постоянное его регулирование. Различают два способа регулирования напряжения: местное и централизованное.

Под местным регулированием понимают регулирование напряжения непосредственно на месте потребления, т. е. его стабилизацию на заданном уровне у каждого отдельного потребителя (например, стабилизаторы для телевизоров) или сразу для группы потребителей (например, для одного или нескольких домов). В последнем случае в какой-то точке сети устанавливают трансформатор с устройством для регулирования напряжения. Это устройство включают, когда у всех потребителей, питаемых от этого трансформатора, надо поддержать напряжение на определенном уровне (например, 220 В).

66

В [4] предусмотрены два вида регулирования напряжения силового трансформатора: а) регулирование напряжения переключением ответвлений обмотки без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток трансформатора от сети; б) регулирование напряжения без перерыва нагрузки (РПН) и без отключения обмоток трансформатора от сети.

При использовании РПН регулирование напряжения может быть автоматическим, без отключения трансформатора от сети. При этом потребитель даже не чувствует, что в трансформаторе происходят какие-то изменения. Однако РПН требует применения сложных и дорогих переключающих устройств. Использование ПБВ требует отключения от сети всех обмоток трансформатора, после чего происходит регулирование напряжения. После переключения трансформатор вновь включается в работу. При этом способе потребителя на ка- кое-то время вообще отключают от сети. Особенно неудобно это там, где нагрузка меняется часто. Зато устройства ПБВ просты по конструкции и относительно дешевы.

Под централизованным регулированием понимают регулирование напряжения непосредственно на шинах генераторов электростанций при помощи изменения их возбуждения. Централизованное регулирование осуществляют обычно как «встречное», т. е. таким образом, чтобы оно заранее «встречало» колебания напряжения, вызванные нагрузкой. Так, в период наибольших нагрузок у генераторов поднимают напряжение выше номинального, чтобы компенсировать повышенные потери напряжения в сети и поддержать его у потребителя близким к поминальному. И наоборот, когда нагрузка снижается, уменьшают возбуждение у генераторов и соответственно напряжение в сети.

7.2. Регулирование напряжения без возбуждения

Наибольшее распространение на практике получило регулирование напряжения при помощи изменения ступенями числа витков одной из обмоток. Подавляющее большинство трансформаторов строят с регулированием числа витков в обмотке ВН. Дело в том, что по обмотке НН протекает большой ток, следовательно, переключающее устройство должно быть рассчитано на этот ток, т. е. оно неизбежно будет громоздким. В обмотке ВН ток в десятки раз меньше, поэтому, переключающее устройство может быть сравнительно небольшим и легким, хотя его и придется изолировать от заземленных частей трансформатора.

При изменении числа витков, например, первичной обмотки меняется величина магнитного потока, вследствие чего увеличивается (или уменьшается) напряжение во вторичной обмотке трансформатора. Так, если напряжение питающей сети (первичное) постоянно, а вторичное упало, то для его восстановления надо увеличить магнитный поток. Это достигается уменьшением числа витков W1 первичной обмотки.

67

Действительно, при постоянном U1 ЭДС Е1 также неизменна. Из выражения E1 = 4,44 fÔ0maxW1 следует, что увеличить магнитный поток при неизменной Е1 можно, только уменьшив число витков первичной обмотки. Если же первичное напряжение упало, то соответственно упадет и величина Ф0. Для сохранения постоянной величины вторичного напряжения надо восстановить прежнее значение магнитного потока. Этого можно достигнуть также уменьшением числа витков первичной обмотки.

Принцип регулирования как раз и заключается в изменении определенными ступенями числа витков в обмотке трансформатора, что обеспечивает необходимые величины магнитного потока и напряжения. На практике в обмотке ВН трансформатора делают ряд ответвлений, каждое из которых соответствует заданному числу последовательно включенных витков обмотки (рис. 40).

Рис. 40. Принцип регулирования величины магнитного потока и напряжения путем изменения числа витков в обмотке

Согласно [33; 36] трансформаторы до 0,2 МВ·А имеют на обмотке, как правило, пять ответвлений (рис. 40, а), из которых среднее (Х3) соответствует нормальному напряжению сети, а другие – напряжениям, отличающимся от него на ±5 % (±2×2,5 %). Так, если напряжению 6,3 кВ соответствует 1000 витков в обмотке ВН (ответвление Х3), то напряжению 6,615 кВ (ответвление Х1), большему на 5 %, соответствует 1050 витков, а напряжению 5,985 кВ (ответвление Х5), меньшему на 5 %, – 950 витков. Напряжение регулируется ступенями по 157,5 В. В обмотке ему соответствует 25 последовательно включенных витков.

Отключать витки можно как на конце обмотки, так и в ее середине. Однако при отключении витков с края обмотки возможно такое положение, когда обмотка становится как бы короче. Это случается особенно при работе на ответвлении Х5 (рис. 40, а). Различие в высотах обмоток, как известно, приводит к увеличению осевых усилий. Поэтому обычно ответвления выполняют в середине обмотки (рис. 40, б). При небольших мощностях применяют оборотную схему (рис. 40, в).

68

Ответвления в конце обмотки ВН встречаются редко – главным образом у трансформаторов малой мощности, где механические усилия незначительны, а выполнение ответвлений в середине обмотки конструктивно затруднено.

Замыкая ответвления А2–А3, А3–А4, А4–А5 и т. д. (рис. 40, б), включают в работу одновременно все или часть витков обмотки ВН. По схеме, показанной на рис. 40, б, напряжение регулируют в пределах ±5 % двумя ступенями по 2,5 % в каждой. По схеме, показанной на рис. 40, в напряжение регулируют также в пределах ±5 %, но тремя ступенями

(0; 5 %; –5 %).

Ответвления замыкаются специальным устройством – переключателем (рис. 41), который соединяет их в определенном порядке,

включая в работу то или иное число витков. На каждую фазу устанавливают по одному переключателю, при этом вал, вращающий контактные кольца переключателей по всем фазам одновременно, связан посредством штанги с рукояткой на крышке бака трансформатора.

7.3. Регулирование напряжения под нагрузкой

Регулирование напряжения трансформаторов способом РПН производится в принципе так же, как и способом ПБВ, но число ответвлений обмотки, т. е. число регулировочных ступеней, обычно бывает больше, а диапазон регулирования – шире. Для трансформаторов мощностью 63÷630 кВ·А стандартом установлен диапазон регулирования напряжения относительно номинального ±10 % ступенями по 1,67 % (±6×1,67 %) [36]. Для трансформаторов мощностью 1000÷80000 кВ·А разрешается иметь различные диапазоны регулирования: ±9, ±10, ±12 %. Существуют серии трансформаторов с еще бóльшим диапазоном: ±16, ±22, ±36 %. Еще более «глубокое» регулирование требуется для некоторых специальных трансформаторов, например, электропечных, где отношение пределов регулирования напряжения обмотки НН нередко составляет 1:2, 1:3 и даже 1:5.

Рассмотрим наиболее распространенную схему работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором (рис. 42) [37]. Переключающее устройство имеет следующие основные части: избиратель ответвлений, контактор, токоограничивающий реактор, привод устройства. В схеме имеется два отводящих (токосъемных) контакта из-

69

бирателя П1 и П2, два контактора К1 и К2, токоограничивающий реактор Р (Iн – номинальный ток трансформатора).

Рис. 42. Схема работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором

На рис. 42, а оба отводящих контакта установлены на одном ответвлении обмотки. Такое положение контактов называют «два вместе». Номинальный ток нагрузки делится поровну между двумя половинами переключающего устройства. При необходимости перейти на другое ответвление (ступень) обмотки привод в первую очередь размыкает контакты контактора К2 (рис. 42, б). Эти контакты разрывают цепь, равный половине номинального, и между ними возникает электрическая дуга. После гашения дуги весь ток проходит только через вторую (верхнюю) половину переключающего устройства. Отводящий контакт избирателя (П2) при отсутствии тока (цепь разорвана) переходит на другое ответвление обмотки, после чего контакты К2 вновь замыкаются (рис. 42, в). Такое положение переключающего устройства обычно называют положением «мост». Как и в положении «два вместе», номинальный ток нагрузки делится пополам между каждой половиной переключающего устройства. Однако в положении «мост» кроме нагрузочного тока возникает циркулирующий ток, замыкающийся внутри контура, образованного частью обмотки трансформатора и реактором (рис. 42, в). Величина циркулирующего тока ограничивается сопротивлением контура – в основном сопротивлением реактора. Обычно сопротивление реактора подбирают так, чтобы величина циркулирующего тока была равна половине номинального. В этом случае ток, проходящий через отводящие контакты П1 и П2, не будет больше номинального, и нет опасности их чрезмерного нагрева.

Далее размыкаются контакты К1, разрывающие номинальный ток (рис. 42, г). После гашения дуги весь ток проходит уже через другую половину переключающего устройства. Отводящий контакт П1 избирателя при отсутствии тока переходит на ответвление, где уже стоит контакт П2, контакт К2 вновь замыкается и переключение заканчивается.

Из рассмотрения работы переключающего устройства РПН можно сделать следующие выводы:

– контакты контактора К1 и К2 замыкают и размыкают ток, т. е. подвергаются воздействию электрической дуги;

70