ОБЩАЯ КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА ТРАНСФОРМАТОРА

В соответствии с ГОСТ 16110-82 трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электроэнергии, называется силовым. Если силовой трансформатор предназначен для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы, то он называется силовым трансформатором общего назначения. Силовые трансформаторы, предназначенные для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы, называются трансформаторами специального назначения. К числу таких сетей я приемников относятся подземные шахтные сети и установки, выпрямительные установки, электрические дуговые печи и т. п.

В конструктивном отношении современный силовой масляный трансформатор можно схематически представить состоящим из трех основных систем - магнитной, системы обмоток с их изоляцией и системы охлаждения и вспомогательных систем - устройства регулирования напряжения, измерительных и защитных устройств, арматуры и др. В трансформаторах с воздушным охлаждением, как правило, отсутствуют измерительные и защитные устройства и арматура, а система охлаждения не выделяется в виде отдельных конструктивных единиц.

Конструктивной и механической основой трансформатора является его магнитная система (магнитопровод), которая служит для локализации в ней основного магнитного поля трансформатора. Магнитная система представляет собой комплект пластин или других элементов из электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определенной геометрической форме.

Большинство типов магнитных систем можно четко подразделить на отдельные части. В соответствии с этим делением в магнитной системе различают стержни - те ее части, на которых располагаются основные обмотки трансформатора, служащие непосредственно для преобразования электрической энергии, и ярма - части, не несущие основных обмоток и служащие для замыкания магнитной цепи, а в некоторых типах трансформаторов также для расположения обмоток, имеющих вспомогательное назначение.

Некоторые магнитные системы, например системы тороидальной формы, намотанные в виде кольца из ленты

Рис. 2.1. Плоская шихтованная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками: 1 - ярмо; 2 - стержень; 3 - сечение стержня; 4 - угол магнитной системы

или собранные из плоских круговых колец, отштампованных из тонколистовой стали, не подразделяются на стержни и ярма.

В магнитных системах, разделяющихся на стержни и ярма, при расчете параметров холостого хода трансформатора особо выделяются части, находящиеся в зоне сопряжения стержня и ярма и называемые углами магнитной системы. Понятие «угол» определяется как часть ярма магнитной системы, ограниченная объемом, образованным пересечением боковых поверхностей или их продолжений одного из ярм и одного из стержней. Магнитная система, изображенная на рис. 2.1, имеет шесть углов.

Практикой трансформаторостроения в течение десятилетий были выработаны различные схемы взаимного расположения отдельных частей магнитной системы. По этому признаку все магнитные системы разделяются на плоские - такие, в которых продольные оси всех стержней и ярм располагаются в одной плоскости (рис. 2.1), и пространственные, в которых оси стержней и ярм располагаются не в одной плоскости (см. рис. 2.6).

По взаимному расположению стержней и ярм плоские и пространственные магнитные системы могут также подразделяться на стержневые, броневые и бронестержневые. В течение ряда лет магнитные системы силовых трансформаторов выполнялись и в значительной части выполняются в настоящее время в виде плоских магнитных систем по типу рис. 2.1 путем сборки из плоских пластин электротехнической стали. В изображенной на рис. 2.1 магнитной системе трехфазного силового трансформатора ярма соединяют разные стержни, и каждое ярмо располагается со стороны торцов стержней. Такая магнитная система с торцовыми ярмами называется стержневой.

На рис. 2.2, а и б изображены магнитные системы, у которых каждый стержень имеет боковые ярма, соединяющие два разных конца этого стержня. У трансформаторов с такими магнитными системами боковые поверхности обмоток как бы закрыты броней, отчего магнитные системы этого типа при наличии не менее двух боковых ярм на каждом стержне получили название броневых.

На рис. 2.2, в показан промежуточный бронестержневой тип магнитной системы, у которой не все стержни имеют боковые ярма или каждый стержень имеет не более чем одно боковое ярмо.

Наибольшее распространение в практике трансформаторостроения получили плоские магнитные системы стержневого типа со ступенчатой формой поперечного сечения стержня, вписанной в окружность, и с обмотками в виде круговых цилиндров. Плоские бронестержневые системы и броневые системы по рис. 2.2, б, аналогичные по форме обмоток и сечения стержня системам стержневым, требуют несколько большего расхода электротехнической стали и применяются в некоторых типах трансформаторов большой мощности (более 100000 кВ•А) с целью уменьшения высоты трансформатора, а также в трансформаторах малой мощности (1-3 кВ•А).

Рис. 2.2. Броневые (а, 6) и бронестержневая (в) магнитные системы трехфазного (а) и однофазных трансформаторов (б, в):

/ — стержень, 2 — ярмо, 3 — обмотка

В последние годы в силовых трансформаторах мощностью до 6300 кВ•А находят все более широкое применение пространственные магнитные системы по рис. 2.6, а и б и других типов. Броневые магнитные системы по рис. 2.2, а при горизонтальном расположении стержней и ярм с обмотками прямоугольной формы применяются некоторыми иностранными фирмами для трансформаторов, предназначенных для питания электрических печей.

Магнитная система, в которой все стержни имеют одинаковые форму, конструкцию и размеры, а взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам одинаково для всех стержней, называется симметричной (рис. 2.2,6, в и 2.6). При отсутствии одного из этих признаков магнитная система называется несимметричной. Так трехфазная магнитная система, изображенная на рис. 2.1, несимметрична потому, что взаимное расположение ее среднего и крайних стержней по отношению к ярмам различно.

По способу сборки различают: шихтованные магнитные системы, ярма и стержни которых собираются впереплет из плоских пластин как единая цельная конструкция, навитые магнитные системы, все части которых изготовляются путем навивки из ленточной электротехнической стали, а затем скрепляются в единую конструкцию, и стыковые магнитные системы, ярма и стержни или отдельные части которых, собранные и скрепленные раздельно, при сборке системы устанавливаются встык и скрепляются специальными стяжными конструкциями или другими способами. В стыковых магнитных системах могут сочетаться части, собранные только из плоских пластин или из плоских пластин с навитыми частями.

Часто применяемый порядок сборки шихтованной стержневой магнитной системы показан на рис. 2.3, а. Сборка ведется на горизонтальном стенде путем чередования слоя пластин (обычно толщиной в две пластины, редко в три-четыре), разложенных по положению 1, со слоем пластин, разложенных по положению 2. В результате сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами получается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений.

На рис. 2.3, а показана сборка магнитной системы из пластин прямоугольной формы, образующих в углах системы так называемый прямой стык.

Рис. 2 3. Сборка трехфазных магнитных систем:

а — шихтованной из пластин прямоугольной формы; б — разрезной стыковой, навитой из лент, в — стыковой, собираемой из пластин прямоугольной формы

Рис. 2.4. Сборка магнитной системы трехфазного трансформатора мощностью 10000 кВ•А класса

напряжения 110 кВ на специальном стенде

Если концы пластин срезать под углом 45°, то они будут образовывать в углах косой стык. На рис. 2.4 изображена магнитная система трансформатора мощностью 10000 кВ•А класса напряжения 110 кВ в процессе сборки на специальном стенде. Для насадки обмоток на стержни верхнее ярмо шихтованной магнитной системы разбирается по отдельным пластинам, а после насадки обмоток снова собирается. Магнитные системы трансформаторов мощностью до 630 кВ•А включительно, не требующие стяжки стержней бандажами, могут собираться с укладкой пластин стержней внутрь обмоток, уложенных на специальном стенде. После завершения шихтовки и стяжки ярм балками обмотки оказываются размещенными на остове трансформатора.

На рис. 2.3, б показана навитая из ленты холоднокатаной стали разрезная стыковая магнитная система, а на рис. 2.3, в — стыковая система, состоящая из стержней и ярм, раздельно собираемых из плоских пластин.

Развитие производства холоднокатаной рулонной стали позволило найти новый способ изготовления магнитной системы, когда отдельные части системы навиваются из стальной ленты и затем скрепляются в единую конструкцию. Навитые системы могут быть неразрезными (см. рис. 2.6,6), когда обмотки из обмоточного провода или медной или алюминиевой ленты (фольги) наматываются непосредственно на стержни магнитной системы, или стыковыми, когда для насадки обмоток стержни магнитной системы разрезаются резом, перпендикулярным к продольной оси стержня, и навитая магнитная система становится стыковой (рис. 2.3,6).

Плоские стыковые магнитные системы с раздельно собираемыми стержнями и ярмами (рис, 2.3, в) требуют по сравнению с шихтованными более массивного и прочного крепления стержней и ярм и специальных конструкций для стяжки стержней с ярмами в виде металлических башмаков, стяжных шпилек и т.д. Кроме того, в стыковых магнитных системах в целях уменьшения немагнитных зазоров приходится собирать стержни и ярма на специальных магнитных плитах, применять магнитные клеи, обрабатывать стыковые поверхности стержней и ярм и при этом считаться с существенным повышением тока холостого хода по сравнению с током холостого хода для шихтованных и особенно навитых неразрезных магнитных систем. В отечественном трансформаторостроении плоские стыковые магнитные системы применяются в реакторах.

Стыковые магнитные системы могут собираться также из разрезанных навитых частей (рис. 2.3, б) или из навитых частей и частей, собранных из плоских пластин. Примером последнего варианта служит магнитная система по рис. 2.6, а, у которой стержни собраны из плоских пластин, а ярма навиты из холоднокатаной стальной ленты.

Выбор того или иного типа магнитной системы связан с выбором схемы магнитной цепи трансформатора, наиболее подходящей для заданных условий. Собранные впереплет плоские шихтованные магнитные системы благодаря простой и дешевой конструкции крепления и стяжки, а также относительной простоте сборки получили наиболее широкое распространение. В отечественном трансформаторостроении эти системы применяются для большинства силовых трансформаторов до самых мощных включительно.

На рис. 2.5 показаны различные схемы взаимного расположения стержней и ярм плоских шихтованных и плоской навитой магнитных систем. Трехфазная магнитная система по рис. 2.5, д получила наибольшее распространение для силовых трансформаторов мощностью от 6,3 до 100000 кВ•А. При этой схеме магнитный поток ярма равен потоку стержня Ф_я=Ф_с и площадь поперечного сечения ярма должна быть равна или больше площади поперечного сечения стержня.

С дальнейшим ростом мощности и размеров трансформатора обычно переходят на бронестержневые магнитные системы с разветвленными ярмами: однофазные по рис. 2.5, б и трехфазные по рис. 2.5, е. Магнитный поток ярма в однофазной магнитной системе при этом равен половине потока стержня Фя =Фс/2, в трехфазной Фя=Фс Ö3. Это обстоятельство позволяет уменьшить сечение, а следовательно, и высоту ярма и общую высоту трансформатора, что важно для трансформаторов большой мощности, размеры которых по высоте жестко ограничиваются условиями транспортировки по железной дороге.

При мощности однофазного трансформатора 133000 кВ•А и более, когда одно только разветвление ярм недостаточно снижает высоту трансформатора, прибегают к «расщеплению» мощности между двумя или тремя отдельными стержнями, например по схеме рис. 2.5, г. Для этих схем сечение ярма также может быть взято равным половине сечения стержня, так как магнитный поток ярма в однофазной магнитной системе равен Фс/2. Применяя бронестержневые магнитные системы с разветвленными ярмами и «расщеплением» мощности между отдельными стержнями, добиваются существенного снижения высоты трансформатора за счет увеличения длины и некоторого увеличения массы активных материалов — меди и стали.

Рис. 2.5. Различные схемы плоской магнитной системы трансформатора;

однофазные: а — стержневой; б — броневой; в и г — бронестержневые с расщеплением мощности между стержнями; трехфазные; д — стержневой; е — бронестержневой; ж — броневой; з — навитой стержневой

В схеме плоской навитой магнитной системы по рис. 2.5,з магнитный поток каждого стержня является геометрической суммой потоков двух навитых колец. Например, поток фазы А можно представить в виде суммы:

.

Поскольку три кольца этой магнитной системы навиваются раздельно, а для удобства сборки между ними должен соблюдаться небольшой технологический зазор, переход магнитного потока из одного кольца в другое затруднен и фактическая индукция в каждом кольце должна быть в 2/ Ö3 = 1,155 раза больше общей расчетной индукции в стержне. Подобное сложение потоков стержней и ярм в схеме по рис. 2.5, е не приводит к увеличению индукции потому, что в каждом стержне оба частичных потока складываются в одних и тех же пластинах.

В последние годы в трансформаторах мощностью до 6300 кВ•А все более широкое применение находят пространственные магнитные системы различных конструкций. На рис. 2.6 показаны методы образования таких систем. Комбинированная стыковая магнитная система по рис. 2,6, а составляется из стержней, собранных из плоских пластин.

Магнитный поток в ярме такой системы Фя =Фс/ 3, и площадь поперечного сечения ярма может быть в 3 раз меньше площади поперечного сечения стержня. С учетом уменьшения площади сечения, а также увеличения общей длины ярма эта система, как показали исследования, дает возможность уменьшить массу активной стали и потери холостого хода примерно на 9 -10 % при увеличении тока холостого хода на 50 - 90 % для трансформаторов мощностью 630 - 160 кВ•А и на 90 - 140% для трансформаторов мощностью 100 - 25 кВ•А по сравнению с плоской шихтованной системой.

Рис. 2.6. Пространственные магнитные системы: а — стыковая со стержнями, собранными из плоских

пластин, и навитыми ярмами; б — навитая неразрезная, состоящая из трех навитых колец

стин различной ширины, но одинаковой длины, и из ярм, навитых из ленточной стали. Обмотки на эту систему устанавливаются при ее сборке из отдельных частей.

Магнитный поток в ярме такой системы Ф_я =Ф_с/ 3, и площадь поперечного сечения ярма может быть в 3 раз меньше площади поперечного сечения стержня. С учетом уменьшения площади сечения, а также увеличения общей длины ярма эта система, как показали исследования, дает возможность уменьшить массу активной стали и потери холостого хода примерно на 9 -10 % при увеличении тока холостого хода на 50 - 90 % для трансформаторов мощностью 630 - 160 кВ•А и на 90 - 140% для трансформаторов мощностью 100 - 25 кВ•А по сравнению с плоской шихтованной системой.

Навитая неразрезная трехфазная магнитная система по рис. 2.6,б состоит из трех навитых колец. Сечение каждого кольца вписано в полуокружность. Современное специальное оборудование позволяет наматывать кольца такой формы из ленты холоднокатаной стали переменной ширины при безотходном раскрое стали и высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. После намотки кольца отжигаются в течение 20 - 24 ч при температуре 800 °С, а затем скрепляются в единую систему при помощи бандажей из стеклоленты. Эта система дает возможность некоторой экономии стали (5 - 7 %) и уменьшения потерь холостого хода при существенном (в 2 - 3 раза) уменьшении тока холостого хода. Обмотки наматываются после сборки системы непосредственно на ее стержни на специальном станке. В последнее время применение этой системы ограничивалось трансформаторами мощностью до 630 кВ•А. В магнитной системе по рис. 2.6, б с раздельно намотанными кольцами индукция в каждом кольце, как и в системе по рис. 2.5,з, в 2 / 3 раза больше общей расчетной индукции в стержне. Геометрическое сложение магнитных потоков стержней и ярм в системе по рис. 2.6, а с пластинами, расположенными, как показано на этом рисунке, не приводит к увеличению индукции, так же как и в системе по рис. 2.5, е.

После завершения сборки магнитной системы ее стержни, как правило, спрессовываются и стягиваются бандажами из стеклоленты. В трансформаторах мощностью не более 630 кВ•А при диаметре стержня не более 0,22 м в плоских шихтованных системах возможна опрессовка стержня после насадки обмоток путем расклинивания с внутренней обмоткой. Ярма плоских систем обычно спрессовываются ярмовыми балками, а ярма пространственных систем — специальными стяжными конструкциями.

Магнитная система со всеми узлами и деталями, которые служат для соединения ее отдельных частей в единую конструкцию, называется остовом трансформатора. На остове в, процессе дальнейшей сборки устанавливаются обмотки и крепятся отводы, т. е. проводники, предназначенные для соединения обмоток трансформатора с переключателями, вводами и другими токоведущими частями.

Конструкция остова должна обеспечивать надежное скрепление и механическую жесткость магнитной системы, собранной из тонких пластин стали толщиной 0,35 - 0,27 мм, масса которой достигает десятков тонн. При этом в процессе эксплуатации остов трансформатора должен выдерживать механические силы, возникающие между обмотками при коротком замыкании, достигающие, даже в трансформаторах мощностью 1000 - 6300 кВ•А, миллионов ньютонов и существенно возрастающие с возрастанием номинальной мощности трансформатора.

Рис. 2.7. Остов трехфазного трансформатора мощностью 25000 кВ•А класса напряжения 110 кВ

На рис. 2.7 изображен остов трехфазного трансформатора мощностью 25000 кВ•А класса напряжения 110 кВ. Стержни плоской шихтованной магнитной системы стянуты бандажами из стеклоленты. Многоступенчатые ярма запрессованы между стальными ярмовыми балками, стянутыми стальными полубандажами. Концы шпилек полубандажей с гайками выведены на наружные стороны ярмо-вых балок и изолированы от них, чтобы избежать образования короткозамкнутых витков вокруг ярма. Верхние и нижние ярмовые балки соединены вертикальными шпильками.

Основным элементом обмотки трансформатора является виток — электрический проводник или несколько параллельно соединяемых проводников, однократно охватывающих часть магнитной системы. Ток витка совместно с токами других витков и других частей трансформатора, в которых возникает электрический ток, создает магнитное поле трансформатора. Под воздействием этого поля в каждом витке наводится ЭДС.

Обмоткой называется совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведенные в витках, с целью получения высшего, среднего или низшего напряжения трансформатора или с другой целью.

Обмотки высшего, среднего и низшего напряжения предназначаются для преобразования электрической энергии и являются основными обмотками. Кроме них, в силовом трансформаторе могут быть и вспомогательные обмотки, предназначенные для компенсации отдельных частей магнитного поля, дополнительного подмагничивания отдельных частей магнитной .системы и других целей.

В течение нескольких десятилетий обмотки трансформаторов изготовлялись из медного провода. В последние 25 лет в обмотках трансформаторов общего назначения мощностью до 16000 - 25000 кВ•А все большее применение находит алюминиевый провод. Обмотки трансформаторов мощностью до 630 - 1000 кВ•А и более могут изготовляться также из медной или алюминиевой ленты или фольги.

Обмотки трансформаторов различают по назначению, способу взаимного расположения и форме.

В двухобмоточном трансформаторе, имеющем две электрически не связанные между собой обмотки, различают обмотку высшего напряжения (ВН), присоединяемую к сети более высокого напряжения, и обмотку низшего напряжения (НН), присоединяемую к сети более низкого напряжения. В трехобмоточном трансформаторе, имеющем три электрически не связанные между собой обмотки, различают обмотку высшего напряжения (ВН), обмотку среднего напряжения (СН) и обмотку низшего напряжения (НН).

В трехфазном и многофазном трансформаторе под обмоткой подразумевают совокупность соединяемых между собой обмоток одного напряжения всех фаз, а в однофазном — обмоток всех его стержней. Иногда, если это не вызывает неправильного понимания, под словом «обмотка» подразумевают обмотку одной фазы или одного стержня трансформатора.

По способу расположения их на стержне обмотки трансформаторов подразделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрическими обмотки называются в том случае, когда обмотки НН и ВН (а в трехобмоточных трансформаторах и обмотки СН) выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически одна относительно другой (рис. 2.8, а). Высоты (осевые размеры) обеих обмоток, как правило, делаются одинаковыми. При выполнении обмоток ВН и НН с различными высотами приходится считаться со значительным возрастанием осевых механических сил, возникающих в обмотках при коротком замыкании трансформатора, тем больших, чем больше разность высот обмоток. При концентрическом расположении обмотка НН обычно располагается внутри, а обмотка ВН — снаружи. При расположении обмотки ВН снаружи упрощается вывод от нее ответвлений для регулирования напряжения, а также

уменьшаются размеры внутренних изоляционных каналов между внутренней обмоткой и стержнем.

Рис. 2.8. Концентрические (а) и чередующиеся (б) обмотки двухобмоточного трансформатора

Обмотки называются чередующимися, если обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров с одинаковыми или почти одинаковыми средними диаметрами и располагаются на стержне одна над другой в осевом направлении стержня (рис. 2.8,6). При этом стараются для уменьшения возникающих при коротком замыкании осевых механических сил разделить обе обмотки не в ущерб конструктивным соображениям на возможно большее число чередующихся групп. Изменение числа групп позволяет также в широких пределах изменять реактивную составляющую напряжения короткого замыкания — увеличивающуюся с уменьшением числа групп и уменьшающуюся с его увеличением. Для уменьшения радиальных механических сил стараются выдержать для обеих обмоток одинаковые внутренние диаметры и радиальные размеры.

В чередующейся обмотке приходится рассчитывать по испытательному напряжению обмотки ВН несколько промежутков — горизонтальных каналов между обмотками ВН и НН. Число этих промежутков растет с ростом числа групп, на которые разбита обмотка. Поэтому чередующиеся обмотки обладают меньшей компактностью, чем концентрические. К недостаткам чередующихся обмоток следует отнести также значительное число паек соединений каждой из обмоток в процессе сборки трансформатора, тогда как большинство конструкций концентрических обмоток допускает изготовление всей обмотки ВН или НН на один стержень непосредственно на обмоточном станке, одним проводом или группой проводов без применения пайки.

В настоящее время подавляющее большинство всех силовых трансформаторов общего назначения и специальных выполняется с концентрическими обмотками. Чередующиеся обмотки иногда находят применение в специальных типах трансформаторов, предназначенных для питания электропечей. В таких трансформаторах с весьма значительными токами на стороне НН решающим обстоятельством является удобство параллельного соединения ряда групп обмотки НН снаружи обмотки, а изоляционные промежутки при относительно малом напряжении ВН обычно невелики. Чередующиеся обмотки иногда применяются также для сухих трансформаторов как обеспечивающие лучший доступ охлаждающего воздуха к обмоткам как высшего, так и низшего напряжения.

Рис. 2.9. Расположение обмоток на стержне: a — трехобмоточиый трансформатор; б — трехобмоточный автотрансформатор; в— двойная концентрическая обмотка ВН; г — трансформатор с расщепленными обмотками

В трехобмоточных трансформаторах обмотка СН обычно располагается между обмотками НН и ВН (рис. 2.9, в). Для некоторых типов трансформаторов предусмотрена также возможность размещения обмотки СН непосредственно на стержне со следующим расположением обмоток, считая изнутри наружу: СН—НН—ВН. Как правило, все три обмотки трехобмоточного трансформатора рассчитываются на одинаковую номинальную мощность. При различии номинальных мощностей трех обмоток номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора считается большая из них.

Силовые автотрансформаторы, как правило, выпускаются трехобмоточными. Обмотки ВН и СН соединены по автотрансформаторной схеме в звезду, имеют общую часть ХА_т (рис. 2.9, б) и последовательно соединенную с ней часть А_тА. Обмотка СН стержня образуется частью ХА_т, обмотка ВН - соединением частей ХА_т и А_тА. Напряжение ВН может быть получено на выводах АХ, напряжение СН - на выводах А_тХ. С обмоткой НН, соединяемой обычно в треугольник, эти две обмотки связаны индуктивно.

В двухобмоточных трансформаторах большой мощности иногда находит применение двойная концентрическая обмотка ВН, при которой уменьшаются индукция поля рассеяния и добавочные потери в обмотках Обмотка ВН при этом разделяется на две цилиндрические части, располагаемые внутри и снаружи обмотки НН (рис. 2 9, в).

В двухобмоточных трансформаторах мощностью 25000 кВ•А и выше широкое применение находят расщепленные обмотки. При этом обмотка НН разделяется на две гальванически не связанные части равной мощности с одинаковыми или различными напряжениями. Обмотка ВН также разделяется на две параллельно соединенные части так, чтобы напряжения короткого замыкания двух частей обмотки НН по отношению к обмотке ВН были практически равны (рис. 2.9,г). Расщепление обмоток имеет целью уменьшение токов короткого замыкания.

По форме выполнения обмотки трансформаторов разделяются на круглые и прямоугольные. Обмотки круглой формы выполняются в виде круговых цилиндров, сплошных или собранных из отдельных катушек, и в поперечном сечении имеют форму кольца. Обмотки прямоугольной формы в поперечном сечении имеют форму прямоугольной рамки с закругленными углами. Преимуществом такого типа обмотки является возможность наилучшего заполнения пространства внутри обмотки активной сталью стержня. Основными недостатками являются: пониженная электрическая прочность изоляции провода в углах катушки, легко повреждающейся при перегибе провода на окружности малого радиуса; усложнение прессовки стержня магнитной системы; малая механическая прочность обмотки такого типа при коротком замыкании. При коротком замыкании прямоугольная обмотка под воздействием возникающих в ней механических сил стремится принять круглую форму, что ведет к повреждению изоляции и разрушению обмотки.

В настоящее время большинство трансформаторов выпускается с обмотками круглой формы, более простыми в конструктивном и более прочными в механическом и электрическом отношениях. Прямоугольные обмотки применяются в редких случаях для специальных трансформаторов, выполняемых с магнитными системами броневого типа.

Обмотки трансформатора должны быть надежно изолированы одна от другой и от всех заземленных частей конструкции трансформатора - магнитной системы и деталей крепления остова, стенок бака, в котором установлен трансформатор, или защитного кожуха и др. Эта изоляция создается путем сочетания изоляционных деталей, изготовленных из твердых диэлектриков - электроизоляционного картона, бумажно-бакелитовых изделий, дерева и т. д. с промежутками, заполненными основной изолирующей средой - жидким или газообразным диэлектриком или твердым диэлектрическим компаундом.

После установки или намотки непосредственно на стержни остова трансформатора его обмоток на остове устанавливается конструкция для размещения и укрепления отводов, т.е. проводников, соединяющих обмотки трансформатора с вводами, переключателями и другими токоведущими частями, монтируются отводы и устройство регулирования напряжения. Полученная в результате этого монтажа единая конструкция, включающая в собранном виде остов трансформатора, обмотки с их изоляцией, отводы, части устройства регулирования, а также все детали, служащие для их механического соединения, называется активной частью трансформатора (рис. 2.10).

Во время работы трансформатора в его обмотках, магнитной системе и некоторых других частях происходят потери энергии, выделяющиеся в виде тепла. При продолжительном режиме работы все выделяющееся тепло должно полностью отводиться в окружающую среду. В большинстве современных силовых трансформаторов отвод тепла от обмоток и магнитной системы осуществляется через теплоноситель - жидкий или газообразный диэлектрик, заполняющий бак, в котором установлен трансформатор (при газообразном диэлектрике бак должен быть герметичным). Воздушные сухие трансформаторы могут иметь защитный кожух, но не имеют бака. Основной изолирующей и охлаждающей средой в них служит свободно проникающий к активной части атмосферный воздух.

Рис 2.10. Активная часть трехфазного масляного трансформатора мощностью 1000 кВ× А класса напряжения 35 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой

Жидкий или газообразный теплоноситель, чаще всего трансформаторное масло, омывающее обмотки и магнитную систему трансформатора, нагреваясь у их поверхностей, интенсивно отводит путем конвекции все выделяющиеся в них тепло и передает его стенкам бака Внешняя поверхность стенок бака, омываемая воздухом, отдает тепло путем конвекции и излучения. Такая система отвода тепла позволяет допустить высокие электромагнитные нагрузки активных материалов — металла обмоток и стали магнитной системы и получить трансформатор с малой массой этих материалов

Масляный бак с гладкими стенками имеет относительно малую омываемую воздухом внешнюю поверхность, которой оказывается достаточно для отвода тепла потерь при допустимых превышениях температуры обмоток, магнитной системы и масла в верхней части бака над температурой охлаждающей среды лишь в трансформаторах мощностью до 25—40 кВ×А. С ростом мощности и потерь трансформатора для обеспечения его нормального охлаждения приходится искусственно развивать внешнюю поверхность бака путем установки ребер, труб, навесных радиаторов (рис. 2.11) и других элементов, отдающих тепло при естественной конвекции воздуха. У трансформаторов мощностью 10000— 16000 кВ•А и более поверхность бака оказывается недостаточной для размещения навесных радиаторов, работающих при естественной циркуляции масла и воздуха Поэтому начиная с этих мощностей обычно усиливают охлаждение, применяя искусственное форсирование движения воздуха у внешних поверхностей радиаторов при помощи вентиляторов или масла у внутренних их поверхностей при помощи насосов либо же совмещают эти два метода.

Форсированное движение масла особенно эффективно увеличивает теплоотдачу, если поступающее из охладителя масло специальными устройствами направляется непосредственно к обмоткам и магнитной системе. При мощностях 80000—100000 кВ А и более используются компактные охладители, собираемые из оребренных труб, рассчитанные на теплоотдачу от 50 до 200 кВт с каждого охладителя и продуваемые в горизонтальном направлении мощными вентиляторами (см рис 1.2) Применяется также охлаждение масла в водяных охладителях.

Рис. 2.11 Трехфазный масляный трансформатор мощностью 1600 кВ А класса напряжения 35 кВ, переключаемый без возбуждения

Рис. 2.12. Трехфазный сухой трансформатор мощностью 1000 кВ•А класса напряжения 10 кВ

с открытыми дверцами кожуха

Для заполнения бака трансформатора маслом до самой крышки при всех возможных в эксплуатации колебаниях температуры и объема масла над крышкой устанавливается расширитель — стальной бачок, сообщающийся с основным баком трубопроводом. Объем расширителя (обычно 8—10 % объема масла в баке) выбирается таким, чтобы при любых колебаниях температуры и объема масла его верхний уровень оставался в пределах расширителя. Установка расширителя, ранее называвшегося консерватором, способствует также сохранению (консервации) масла, так как позволяет свести к минимуму поверхность соприкосновения (зеркало) масла с воздухом. Если внутренний объем расширителя сообщается с окружающим воздухом, то на пути движения воздуха устанавливается фильтр, заполненный сорбентом — веществом, поглощающим влагу из воздуха, поступающего в расширитель. Для более надежного предохранения масла от окисления его поверхность в расширителе часто изолируют от окружающего трансформатор воздуха подушкой из инертного газа (азота) и расширитель герметизируют наглухо или при помощи гибкой растягивающейся мембраны (пленки).

На крышке бака устанавливаются вводы, служащие для присоединения внешней сети к обмоткам трансформатора; на крышке и частично на стенках бака устанавливаются также различные устройства и приспособления, служащие для защиты трансформатора и измерения температуры масла, для наблюдения и ухода за маслом и подъема трансформатора.

Трансформаторное масло одновременно является хорошим изоляционным материалом, позволяющим получить высокую электрическую прочность трансформатора при малых изоляционных промежутках, компактной конструкции обмоток и магнитной системы.

Основной недостаток масляных трансформаторов заключается в том, что масло является горючим материалом, и установка таких трансформаторов во многих случаях требует специальных мер пожарной безопасности. Помимо масляных находят также применение воздушные сухие силовые трансформаторы, т.е. трансформаторы с естествен-ным воздушным охлаждением. У этих трансформаторов масляный бак заменяется легким защитным кожухом. Отсутствие масла в значительной мере повышает пожарную безопасность, а применение в качестве твердой изоляции обмоток стекловолокна или асбеста и кремнийорганических материалов позволяет получить практически пожаробезопасную установку (рис. 2.12).

Это свойство сухих трансформаторов позволяет применять иx с большим успехом для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим обстоятельством, как, например, в установках высотных зданий, некоторых производственных цехов, лабораторий и т.д.

Воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах приходится все изоляционные промежутки и охлаждающие каналы делать большими, а электромагнитные нагрузки активных материалов допускать меньшими, чем в масляных трансформаторах. Вследствие этого масса и стоимость активных материалов в сухих трансформаторах оказываются существенно выше, чем в масляных.

Понижение плотности тока в обмотках воздушных сухих трансформаторов позволяет уменьшить потери короткого замыкания в трансформаторах класса напряжения 10 кВ мощностью 400 - 1600 кВ•А на 3-4 до 6-8 % по сравнению с масляными. Потери и ток холостого хода в этих трансформаторах выше, чем в масляных. Воздушные сухие трансформаторы с изоляцией классов нагревостойкости В, Н вследствие высокой стоимости изоляционных материалов (стекловолокно, стеклотекстолит, кремнийорганические лаки и т.д.) существенно дороже масляных. Благодаря отсутствию масла и замене тяжелого бака легким кожухом общая масса сухого трансформатора при мощностях до 400 кВ•А составляет не более 125 -130%, а при мощностях 630 - 1600 кВ•А - от 110 до 90% массы идентичного масляного трансформатора. Практически напряжения обмоток ВН воздушных сухих трансформаторов ограничиваются верхним пределом 10-15 кВ, а мощность — значениями 1600—2500 кВ•А. Такие трансформаторы большей мощности с более высокими напряжениями выпускаются сравнительно редко.

К сухим относятся также и герметичные трансформаторы, баки которых заполнены газом, являющимся изолирующей средой и теплоносителем. Такие трансформаторы, например, заполненные газообразной шестифтористой серой (элегазом), при форсированном движении теплоносителя в баке, могут иметь по сравнению с масляными меньшую общую массу и, будучи пожаробезопасными, могут быть использованы для установки на электрическом или теплоэлектрическом подвижном составе.

Сухие трансформаторы выпускаются также с литой изоляцией. У этих трансформаторов, предназначенных главным образом для работы на наружных установках в сельских сетях, магнитная система и обмотки заливаются электроизоляционным компаундом, который после отвердения служит изолирующей средой и теплоносителем.

Методика и последовательность расчета сухих и масляных трансформаторов принципиально одинаковы. Некоторые особенности расчета сухих трансформаторов — допустимые нагрузки активных материалов, допустимые изоляционные расстояния, нагрев обмоток и т.д. — отражены в следующих главах.

Иногда в целях обеспечения пожарной безопасности трансформаторы заполняют негорючей и не окисляющейся жидкостью - совтолом, представляющим смесь совола (полихлордифенил) с трихлорбензолом. Добавка трихлорбензола позволяет получить понижение вязкости и температуры застывания смеси Для стран с умеренным климатом наилучшим соотношением считается 65 % совола и 35 % трихлорбензола; для условий тропического климата — соответственно 90 и 10%.

В практике зарубежных фирм аналогичные жидкости называются клофен, пиранол, пирохлор и т. п.

Электрическая прочность совтола близка к прочности трансформаторного масла. Условия теплоотдачи в трансформаторах, залитых совтолом, практически не отличаются от условий теплопередачи в масляных трансформаторах. Применение совтола ограничивается более высокой по сравнению с маслом стоимостью, большим расходом этой жидкости вследствие высокой плотности (около 1500 кг/м³), токсичностью паров совтола, действующих раздражающим образом на слизистые оболочки и кожу человека, и способностью совтола выделять токсичные газообразные вещества при воздействии электрической дуги. В некоторых странах применение подобных жидких диэлектриков запрещено