КОНСТРУКТИВНЫЕ ДЕТАЛИ ОБМОТОК И ИХ ИЗОЛЯЦИЯОсновным 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 витковх 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 перехода ми 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, 24мм и выше - также с изоляцией 1,68 (1,83) и 1,92 (2,07), а провод диаметром от 3,75мм 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.
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 пр овода марок ПСД и ПСДК (предпочтительные размеры) (размеры а и б – в мм, сечения - мм2)
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/γа=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 + 2δЭМ + δпрокл + 2δmax + δтехн (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 δТехн=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 δтепл=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; 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 ПО—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 виткон 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 ПО 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
Рис. 5.5. Междуслойная изоляция а –
|
(5.2)
