ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ОБМОТКИ ИЗ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПРОВОДА
Простой цилиндрической называется обмотка, сечение витка которой состоит из сечений одного или нескольких параллельных проводов, а витки и все их параллельные провода расположены в один ряд без интервалов на цилиндрической поверхности в ее осевом направлении.
Обмотка, состоящая из двух или большего числа концентрически расположенных простых цилиндрических обмоток (слоев), называется двухслойной или многослойной цилиндрической обмоткой (рис. 5.12).
Любая цилиндрическая обмотка может быть намотана из круглого или прямоугольного провода, однако обмотки с одним—тремя слоями для силовых трансформаторов в большинстве случаев выполняются из прямоугольного провода. На рис. 5.13 показана однослойная цилиндрическая параллельная обмотка из трех параллельных прямоугольных проводов с семью витками и с высотой витка hв. Ввиду того что намотка витков ведется по винтовой линии и начала первого витка слоя и его последнего витка оказываются на одной образующей цилиндра, общая высота обмотки / определяется высотой не семи витков, а на один больше. Это правило справедливо для всех цилиндрических обмоток. Для выравнивания торцовых поверхностей обмотки к верхнему и нижнему виткам каждого слоя прикрепляется опорное разрезное кольцо, вырезанное из бумажно-бакелитового цилиндра (рис. 5.14). Крепление такого кольца к обмотке осуществляется путем подвязки хлопчатобумажной лентой. Концы ленты, охватывающей кольцо, пропускаются между несколькими крайними витками обмоток.
При таком закреплении концов ленты, естественно, несколько увеличивается осевой размер обмотки. Кроме того, приходится считаться с возможностью некоторого увеличения осевого размера вследствие неплотности намотки провода и возможных отклонений действительной толщины изоляции от расчетной. В сумме все возможные отклонения действительного осевого размера для обмоток с осевым размером от 0,2 до 1,0 м обычно составляют от 5 до 15 мм.
Рис. 5.12 Цилиндрическая обмотка:
а – простая из шести витков; б – двухслойная из 12 витков
Рис. 5.13. Цилиндрическая обмотка из семи витков
Рис. 5.14. Опорное кольцо обмотки:
а – разрезное кольцо из бумажно-бакелитового цилиндра; б – плоская развертка опорного кольца
Поэтому при расчете осевого размера такой обмотки расчетную сумму высот проводов принимают на 5—15 мм меньше заданного осевого размера. В этом случае, когда в процессе намотки обнаруживается, что запас по высоте 5—15 мм оказывается частично или полностью излишним, в обмотку для заполнения высоты параллельно с проводом вматываются полоски электроизоляционного картона. Таким образом делается «разгон» обмотки так, чтобы общий осевой размер l был непременно выдержан. Полоски картона при этом наматываются на ребро и для удобства намотки снабжаются треугольными просечками (рис. 5.15).
В некоторых случаях, когда сортамент прямоугольного провода не позволяет получить плотного заполнения высоты обмотки проводами витков, может быть применен разгон более чем на 15 мм.
Рис. 5.15. Цилиндрическая обмотка с разгоном по высоте
Рис. 5.16. Способы намотки: а - намотка плашмя; б - намотка на ребро; в – неправильная намотка
Намотка провода может производиться плашмя (рис. 5.16, а) или на ребро (рис. 5.16, б). В первом случае больший размер провода b располагается в осевом направлении, во втором — в радиальном. Намотка на ребро несколько труднее намотки плашмя, потому что привод пружинит и стремится повернуться вокруг оси так, как это показано на рис. 5.16, в. Кроме того, при намотке на ребро увеличиваются добавочные потери в обмотке, поэтому рекомендуется избегать намотки на ребро, а в случае применения ее употреблять провод с соотношением сторон поперечного сечения 1,3<b/а<3.
Цилиндрическая обмотка может быть намотана из нескольких параллельных проводов с одинаковой площадью и одинаковыми размерами поперечного сечения.
В трехфазных трансформаторах мощностью 25—630 кВА цилиндрическая обмотка чаще всего наматывается в два слоя. При мощности 10—16 кВ-А иногда удается выполнить обмотку в один слой. Сравнительно редко применяется обмотка в три слоя. Во всех случаях для обеспечения нормального охлаждения каждый слой такой обмотки должен хотя бы с одной стороны омываться маслом.
Критерием для определения числа поверхностей слоя, омываемых маслом, служит плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности слоя q, Вт/м2, т. е. потери в обмотке, отнесенные к единице площади поверхности. Вопрос о числе поверхностей слоя (одна или две), охлаждаемых маслом, решается в зависимости от материала обмотки (медь или алюминий), плотности тока в обмотке и радиального размера провода согласно с указаниями § 5.7. Плотность теплового потока в обмотках этого типа обычно не превышает 800—1000 Вт/м2 при медном проводе и 600— 800 Вт/м2 при алюминиевом.
При выполнении обмотки в два слоя витки обоих слоев соединяются, как правило, последовательно. При их параллельном соединении активные и реактивные сопротивления этих слоев различаются и токи нагрузки в них не будут одинаковыми, что вызовет увеличение потерь в обмотке. Такое соединение не приведет к увеличению потерь, если выполнить транспозицию витков между солями.
При последовательном соединении слоев общее число витков обмотки может быть как четным, так и нечетным. В обоих случаях число витков каждого слоя делается равным половине числа витков всей обмотки. При общем нечетном числе витков число витков каждого слоя получается дробным, кратным половине витка. В этом случае переход из одного слоя в другой располагается со сдвигом 180° по окружности обмотки по отношению к расположению начала и конца обмотки. Полное число витков обмотки одного стержня всегда должно быть целым числом.
В двухслойной обмотке с последовательным соединением слоев напряжение между двумя крайними витками двух слоев, т. е. между началом и концом обмотки, равно полному напряжению обмотки одного стержня. Изоляция между такими витками, а значит, и изоляция между слоями обмотки должна быть рассчитана по полному напряжению обмотки одного стержня. При рабочих напряжениях до 1 кВ эта изоляция легко осуществляется масляным каналом шириной 4—8 мм или цилиндрической прокладкой между слоями из электроизоляционного картона. При рабочих напряжениях обмотки 3 и 6 кВ необходим масляный канал с барьером из двух слоев электроизоляционного картона общей толщиной 2 мм. Масляный канал между слоями образуется при помощи реек (см. рис. 5.8, а или б). При напряжениях более высоких, чем 6 кВ, вследствие усложнения междуслойной изоляции двухслойная цилиндрическая обмотка в трансформаторах мощностью 25—630 кВА обычно не применяется.
Механическая стойкость цилиндрической обмотки, представляющей в сечении каждого слоя, как это видно из рис. 5.13, высокую колонку с относительно малым поперечным размером и относительно неплотной намоткой, при осевых силах, возникающих при коротких замыканиях, невелика. Вследствие этого применение одно- и двухслойных цилиндрических обмоток ограничивается обычно трансформаторами мощностью не более 630 кВА. Также по соображениям механической прочности ограничивается и применение большого числа параллельных проводов. С увеличением числа параллельных проводов увеличивается высота витка, измеренная в осевом напряжении, а вместе с тем и угол наклона провода к плоскости поперечного сечения обмотки, что при значительных осевых силах, возникающих при коротких замыканиях, может привести к «сползанию» витков. Обычно по этим соображениям не рекомендуется брать число параллельных проводов более четырех—шести при намотке плашмя и шести—восьми при намотке на ребро.
Предельный ток в обмотке одного стержня, на который может быть рассчитана такая обмотка при максимально возможном числе параллельных проводов, ограничивается сечением применяемого прямоугольного провода и обычно принимаемой плотностью тока l = 2,3*10δ-3,5*10δ А/м2— для медных и J = 1,5*10δ-2,5*10δ А/м2 — для алюминиевых обмоток. Такие обмотки применяются для токов в обмотке одного стержня не свыше 800 А из медного провода и не свыше 600—650 А из алюминиевого провода.
В производстве при намотке на обмоточном станке двухслойная цилиндрическая обмотка является более простой и дешевой, чем винтовая или непрерывная катушечная, но существенно уступает по этим показателям многослойной цилиндрической обмотке, наматываемой из алюминиевой или медной ленты.
Цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода может применяться при сечении витка не менее 5,04 мм2, равном минимальному сечению медного прямоугольного провода по сортаменту, что при наименьшей плотности тока в медном проводе соответствует нижнему пределу рабочего тока обмотки 15—18А, алюминиевом проводе с минимальным сечением 6,39 мм2 10—13 А. В соответствии со всеми приведенными соображениями одно- и двухслойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода с успехом широко применяется как обмотка НН трех- и однофазных масляных силовых трансформаторов с мощностью на один стержень S'<=250 кВА при напряжении обмотки не выше 6 кВ. Этот тип обмотки может также применяться в качестве обмотки ВН при напряжении в пределах до 6 кВ.
В силовых трансформаторах мощностью от 1000кВ*А и выше все более широкое распространение получает многослойная цилиндрическая обмотка из провода прямоугольного сечения с последовательным соединением слоев (рис. 5.17). Этот тип обмотки отличается от простой цилиндрической обмотки числом слоев, и замечания, сделанные ранее относительно числа параллельных проводов и их размещения в слое, относительно опорных колец, разгона витков и др., в основном остаются справедливыми и для каждого слоя многослойной обмотки. Так же как и в простой, в многослойной цилиндрической обмотке все параллельные провода должны иметь одинаковые размеры и площадь поперечного сечения.
Рис. 5.17. Многослойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода:
1 - междуслойная изоляция из кабельной бумаги; 2 – бумажно-бакелитовое опорное кольцо; 3 – рейка, образующая охлаждающий канал.
В этой обмотке не применяется намотка на ребро, поскольку добавочные потери возрастают пропорционально второй степени числа слоев и четвертой степени радиального размера провода.
Направление намотки слоев многослойной обмотки различно. Все нечетные слои, считая изнутри, имеют одно направление намотки, обычно левое, все четные — другое, обычно правое. Напряжение между первым витком какого-либо слоя и последним витком следующего слоя равно сумме рабочих напряжений двух слоев и при рабочем напряжении обмотки 35 кВ может достигать 5000—6000 В. В качестве междуслойной изоляции обычно применяется кабельная бумага, намотанная в несколько слоев. Для предотвращения разряда между соседними слоями ширина полосы кабельной бумаги должна быть больше высоты обмотки на 20—50 мм. Междуслойную изоляцию можно принять по табл. 4.7. Каждый слой обмотки внизу и вверху должен иметь опорные кольца, вырезанные из бумажно-бакелитового цилиндра (см. рис. 5.14, а). Эти кольца прикрепляются к крайним виткам соответствующего слоя обмотки хлопчатобумажной лентой. Для получения достаточной поверхности охлаждения в этих обмотках предусматриваются один или два осевых канала между слоями. Ширина каждого канала около 1/100 высоты обмотки. Критерием для выбора числа каналов служит плотность теплового потока (потерь в обмотке) на охлаждаемой поверхности. С учетом перепада температуры при движении тепла внутри обмотки плотность теплового потока на ее поверхности рекомендуется допускать не более 1200—1400 Вт/м2.
Многослойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода находит применение в качестве обмоток ВН и НН трансформаторов мощностью от 630 до 40 000—80 000 кВА классов напряжения 10 и 35 кВ. Ее широкое распространение определяется возможностью обеспечить более плотное заполнение окна магнитной системы, использовать более эффективную теплоотдачу от обмотки к маслу в вертикальных каналах по сравнению с горизонтальными каналами и получить более технологичную конструкцию по сравнению с обмотками других типов. Эта обмотка при воздействии импульсных перенапряжений также имеет более высокую электрическую прочность по сравнению с катушечными обмотками.
Для защиты от грозовых перенапряжений многослойная цилиндрическая обмотка при классе напряжения 35 кВ может быть дополнительно защищена электрическим экраном. Экран — незамкнутый цилиндр из немагнитного металла толщиной 0,2—0,5 мм — располагается под внутренним слоем по всей высоте обмотки и электрически соединяется с ее линейным концом (см. § 4.5).
Особое значение для многослойных цилиндрических обмоток из прямоугольного провода, предназначенных для трансформаторов мощностью от 630 до 80 000 кВА, имеет обеспечение достаточной механической прочности этих обмоток при коротком замыкании трансформатора. Это достигается плотной намоткой каждого слоя обмотки с механическим осевым поджимом. Рекомендуется после намотки и сушки опрессовать обмотку на прессе с силой, близкой к расчетной осевой силе при коротком замыкании. Обмотки, намотанные и обработанные по такой технологии, обычно хорошо выдерживают полное короткое замыкание трансформатора. Увеличение механической прочности может дать вакуумная пропитка обмотки лаком после намотки и сушки с последующим запеканием лака. Некоторые иностранные фирмы применяют также склеивание витков каждого слоя и слоев между собой специальной пастой, наносимой при намотке обмотки.
Рис. 5.18. Многослойная цилиндрическая обмотка НН из алюминиевой ленты:
1 – алюминиевая лента; 2 – междуслойная изоляция из кабельной бумаги; 3 – бортик из электроизоляционного картона.
Многослойная цилиндрическая обмотка может быть намотана также из неизолированной алюминиевой или медной ленты. Этот тип обмотки находит применение в трансформаторах мощностью до 1000 кВА при классе напряжения не выше 1 кВ. Каждый слой обмотки состоит из одного витка, высота которого (ширина ленты) равна высоте обмотки. Изоляция между витками образуется одним-двумя слоями кабельной бумаги, ширина полосы которой на 16—24 мм больше ширины ленты. Для образования жесткой торцовой опорной изоляции на краях полосы бумаги приклеивается бортик — полоска электроизоляционного картона с толщиной, равной толщине ленты, и шириной от 8 до 12 мм (рис. 5.18).
Этот тип обмотки из более дешевого проводникового материала, с меньшим количеством изоляционных материалов, чем другие типы обмоток, дает более высокий коэффициент заполнения окна магнитной системы активным материалом и значительно проще и дешевле в изготовлении на станке.
Обмотки этого типа, намотанные из алюминиевой ленты, обладают высокой теплопроводностью в осевом и радиальном направлениях, что приводит к более равномерному распределению температуры по высоте и ширине обмотки и снижению температуры наиболее нагретой точки обмотки по сравнению с обмотками, намотанными из изолированного провода. Медная лента в трансформаторах мощностью до 1000 кВА обычно не применяется.
Обмоточный станок, предназначенный для намотки обмоток этого типа, должен быть оборудован устройствами для установки рулона ленты, рулона кабельной бумаги, рулончиков узкой полосы картона для бортиков, а также устройством для сварки начала и конца ленты с алюминиевыми шинами отводов. При продольной резке ленты стандартной ширины для получения ленты с шириной, равной высоте витка (обмотки), не должно быть заусенцев, которые могут нарушить междувитковую изоляцию. Заусенцы должны быть тщательно удалены.
Существенным недостатком обмотки, намотанной из алюминиевой ленты, является ее меньшая механическая прочность при воздействии радиальных сил при коротком замыкании трансформатора по сравнению с обмотками, намотанными из изолированного провода. Под воздействием этих сил обмотка может потерять механическую стойкость (см. § 7.3). В целях достижения необходимой механической стойкости обмотку этого типа рекомендуется наматывать из отожженной алюминиевой ленты по ГОСТ 13726-78, изготовляемой из алюминия марок А6 или А5 с химическим составом по ГОСТ 11069-74.
Обмотки ВН классов напряжения 6, 10 и 35 кВ трансформаторов мощностью до 1000 кВА имеют не менее 200 витков и не могут быть намотаны в виде одной катушки с высотой витка, равной высоте всей обмотки. Материалом такой обмотки может служить уже не лента, а фольга— материал с толщиной не более 0,2 мм.
Отводы от обмотки НН, намотанной из алюминиевой ленты, могут быть выполнены в виде шин, надежно привариваемых к торцам ленты (рис. 5.19, а). При более тонкой фольге отводы от обмотки ВН можно выполнить с меньшей надежностью, например с отгибом конца ленты фольги по рис. 5.19, б.
Рис. 5.19. Образование отвода от обмотки из ленты или фольги:
а – алюминиевая шина, прикрепленная точечной сваркой; б – образование отвода путем отворота ленты (фольги).
Необходимость разделения обмотки ВН на катушки, соединяемые при помощи пайки, и трудность крепления отводов к катушкам из фольги с толщиной 0,1—0,2 мм приводят к тому, что часто предпочитают обмотку НН выполнить из ленты, а обмотку ВН из провода.
Дата добавления: 2015-01-02; просмотров: 3584;