ВИНТОВЫЕ ОБМОТКИ

Одноходовой винтовой обмоткой трансформатора назы­вается обмотка, витки которой следуют один за другим в осевом направлении по винтовой линии, а сечение каждого витка образовано сечениями нескольких параллельных про­водов прямоугольного сечения, расположенными в один ряд в радиальном направлении обмотки (рис. 5.25, а). Обычно витки обмотки разделяются радиальными масля­ными или воздушными охлаждающими каналами. В неко­торых обмотках эти каналы могут быть сделаны через два витка. Винтовая одноходовая обмотка может быть намота­на и без радиальных каналов с плотным прилеганием вит­ка к витку.

Обмотка, состоящая из двух (или более) одноходовых обмоток, взаимно расположенных подобно ходам резьбы двухходового (многоходового) винта, назыается двухходо­вой (многоходовой) винтовой обмоткой. Сечение витка при этом образуется общим поперечным сечением проводов всех ходов. Эта обмотка также может быть выполнена с ради­альными каналами между всеми витками и внутри витков между образующими их ходами, или с каналами только между витками и без каналов внутри витков, или совсем без радиальных каналов с плотным прилеганием всех хо­дов.

Винтовая обмотка выполняется только из прямоугольно­го провода. При этом все параллельные провода этой об­мотки обязательно должны иметь равные не только пло­щади, но и размеры поперечного сечения. При несоблюде­нии этого правила становится невозможным уравнивание

Рис. 5.25. Винтовая обмотка:

а – одноходовая их шести витков; б – двухходовая из четырех витков.

сопротивлений параллельных проводов путем их переклад­ки в процессе намотки обмотки.

В ряде случаев, когда сечение витка по расчету получа­ется весьма значительным, могут быть приняты две груп­пы параллельных проводов и обмотка выполнена в виде двухходовой. На рис. 5.25, б изображена двухходовая вин­товая обмотка. Сравнительно редко применяется четырехходовая обмотка.

Обе группы проводов у начала и конца обмотки соеди­няются параллельно. В большинстве случаев в двухходо­вых обмотках радиальные каналы выполняются как меж­ду витками, так и внутри витка между группами проводов (рис. 5.26, б). Иногда для экономии места по высоте обмотки радиальные каналы делаются только между витками и обе группы проводов в каждом витке наматывают­ся вплотную с прокладкой между группами толщиной 0,5— 1,0 мм (см. рис. 5.26, в). Прокладка обеспечивает механи­ческую устойчивость обмотки. Двух- и четырехходовая винтовая обмотка может быть также выполнена совсем без радиальных каналов и без прокладок в витках и между витками (рис. 5.26, г).

Обычно винтовая обмотка наматывается на жестком бумажно-бакелитовом цилиндре на рейках, расположенных по образующим цилиндра. Для мощных трансформаторов

Рис. 5.26. Сечение витка винтовой обмотки:

а – одноходовой; б – двухходовой с каналом между двумя группами проводов; в – двухходовой бех канала внутри витка; г – двухходовой без радиальных каналов.

(более 10 000 кВ*А на один стержень) обмотка может быть намотана на специальной оправке, затем снята с нее и при насадке на стержень изолирована от него мягким цилинд­ром из электроизоляционного картона. Радиальные каналы между витками в обоих случаях образуются междувитковыми прокладками из электроизоляционного картона, на­низываемыми на рейки.

В винтовой обмотке параллельные провода наматывают­ся на цилиндрических поверхностях с разными диаметра­ми. Вследствие этого активные сопротивления параллельных проводов получаются неравными. В трансформаторах с концентрическим расположением обмоток ВН и НН поле рассеяния направлено в осевом направлении обмоток. В радиальном направлении по ширине каждой из обмоток индукция поля рассеяния возрастает по прямой линии от внешнего края обмотки к каналу между обмотками ВН и НН (рис. 5.27). Различное положение проводов в поле

Рис. 5.27. Схема транспозиций параллельных проводов в одноходовой обмотке:

а — четное число проводов; б — нечетное число проводов

рассеяния обмотки приводит к неравенству реактивных, а следовательно, и полных сопротивлений параллельных проводов. Для выравнивания полных сопротивлений проводов во избежание неравномерного распределения тока в винтовой обмотке обязательно должна производиться транспозиция (перекладка) проводов.

В одноходовой обмотке обычно применяют комбинацию двух видов транспозиции— групповую, когда все параллельные провода делятся на две или большее число групп и изменяется взаимное расположение этих групп без изменения расположения проводов в группе, и общую, при которой изменяется взаимное расположение всех проводов. При применении транспозиции этих видов обмотка делится по длине на четыре равных участка, содержащих по 1/4 всех витков обмотки. На границах этих участков производится три транспозиции — две групповые на 1/4 и 3/4 общего числа витков, считая от начала обмотки, и одна общая на 2/4 общего числа витков. В групповых транспозициях все параллельные провода делятся на две равные группы (при нечетном числе проводов одна из групп имеет на один провод больше, чем другая). В общих транспозициях каждый провод перекладывается самостоятельно. Принципиальная схема транспозиции для одноходовой обмотки из шести параллельных проводов показана на рис. 5.27, а. Такой же способ транспозиции может быть применен и при нечетном числе параллельных проводов, например при пяти проводах (рис. 5.27, б).

Для получения правильной транспозиции, дающей действительное выравнивание сопротивлений проводов, необходимо группировать провода так, чтобы в обеих групповых транспозициях в одни и те же группы соединялись одни и те же проводники, как это показано на рис. 5.27. Чтобы проверить правильность схемы транспозиций, достаточно для каждого провода просуммировать номера мест, которые он занимает в витке на всех четырех участках обмотки. Так по рис. 5.27, а для провода 1, выделенного жирной линией, эта сумма дает 1+4+3+6=14, по рис. 5.27, б для соответствующего провода 1+4+2+5=12. В правильно транспонированной обмотке такие суммы для всех параллельных проводов должны получаться равными между собой. Нетрудно убедиться, что в схемах транспозиций обмоток, изображенных на рис. 5.27, это правило соблюдается.

Необходимо заметить, что такая транспозиция является совершенной только для четырех параллельных проводов. При большем числе проводов эта транспозиция не является полностью совершенной, однако у силовых трансформаторов общего назначения дает почти равномерное распределение тока между параллельными проводами и относительно малые добавочные потери.

При числе параллельных проводов обмотки от 12—15 и больше применяются и более сложные схемы транспозиций [6].

Внешний вид общей и групповой транспозиции показан на рис. 5.28. Как видно из рисунка, каждая такая транспозиция увеличивает осевой размер обмотки на высоту витка и радиального канала. Таким образом, общий осевой размер (высота) обмотки при двух групповых и одной общей транспозициях увеличивается на высоту трех витков и трех каналов. Следует также помнить, что за счет совпадения на одной образующей начала и конца обмотки осевой размер увеличивается еще на высоту одного витка и одного канала.

В двухходовой винтовой обмотке в каждом ее ходу могут быть также сделаны групповые и общие транспозиции. Однако в такой обмотке можно применить и другой, более совершенный вид транспозиции. Сечение витка такой обмотки, изображенное на рис. 5.29, состоит из двух групп проводов. Идея транспозиции заключается в постепенном круговом перемещении проводов в сечении витка по мере намотки обмотки так, чтобы каждый провод побывал во всех возможных положениях, проходя в них равные отрезки (выражаемые обычно в числе витков). В отличие от групповой и общей транспозиций, сосредоточенных в трех точках обмотки, такую транспозицию можно назвать равномерно распределенной. Обычно в двухходовой обмотке число транспозиций делают равным числу параллельных проводов или их удвоенному числу. На рис. 5.29 показана схема равномерно распределенной транспозиции в двухходовой обмотке из восьми параллельных проводов. Во избежание усложнения чертежа на схеме показано перемещение только двух проводов — 1 и 5.

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

Рис.5.28. Увеличение высоты одноходовой обмотки при транспозиции обмотки из четырех проводов:

а – групповая транспозиция; б – общая транспозиция

Рис.5.29. Схема равномерно распределенной транспозиции в двухходовой обмотке из восьми параллельных проводов

По схеме рис. 5.29 нетрудно убедиться в том, что при таком распределении транспозиций каждый провод по мере прохождения по длине обмотки пройдет каждое из n_в возможных положений в сечении витка на 1/n_в общей длины обмотки.

Практически равномерно распределенная транспозиция выполняется так, как показано на рис. 5.30. Верхний провод 4 левой группы отгибается вправо и становится верх ним проводом правой группы.

Рис. 5.30. Выполнение равномерно распределенной транспозиции

Одновременно нижний провод 8 правой группы переходит нижним проводом в левую группу. Провода левой группы 1, 2 и 3 поднимаются на одно положение вверх, а провода 5, 6 и 7 правой опускаются на одно положение вниз.

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. Другое преимущество равномерно распределенной 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 одну толщину провода.

В четырехходовой обмотке равномерно распределенная транспозиция выполняется самостоятельно в каждой паре ходов. Поэтому трехходовая винтовая обмотка с такой транспозицией обычно не применяется, но винтовая обмотка с любым числом ходов может быть выполнена из транспонированного провода (см. § 5.2). При этом отпадает необходимость в дополнительной транспозиции параллельных проводников, помимо той, которая сделана в самом проводе.

Плотность тока в обмотках силовых трансформаторов, выпускаемых в последние годы с относительно малыми потерями короткого замыкания, составляет в медных обмотках около 2·10⁶ - 3·10⁶ (иногда до 3,5·10⁶) и в алюминиевых 1,2·10⁶ - 2·10⁶А/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. 5.8, 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 жесткость обмотки усиливается рейками, идущими по всей длине обмотки, и связанными с ними горизонтальными прокладками, плотно зажатыми между витками обмотки.

В трансформаторах с ПБВ часто регулировочные витки обмотки ВН располагаются в середине ее высоты, что при работе обмотки ВН на низших ступенях регулирования напряжения приводит к возникновению в зоне отключенных витков поперечного магнитного поля и значительных осевых сил при коротком замыкании (см. § 7.3). Винтовая обмотка позволяет существенно ограничить эти силы путем разгона витков в середине ее высоты в зоне размещения отключаемых регулировочных витков обмотки ВН. Разгон витков применяется в трансформаторах с мощностью S≥1000 кВ·А и достигается путем увеличения двух-трех радиальных каналов в середине высоты обмотки НН до 15—20мм. Достаточную механическую прочность обмотка получает только при некотором минимальном сечении витка, не менее 75—100мм², что соответствует току около 300А для медных и 150—200А для алюминиевых обмоток.

Этот нижний предел допустимого сечения витка и тока обмотки соответствует силовым трансформаторам с мощностью S = 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 230В до 35кВ включительно.

На стороне ВН винтовая обмотка совершенно не нашла применения ввиду неудобства выполнения ответвлений для регулирования напряжения.

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

Винтовая обмотка используется также в качестве обмотки НН в сухих трансформаторах с естественным воздушным охлаждением при мощностях от 250 до 1600 кВ·А и выборе размеров радиальных и осевых воздушных каналов в соответствии с требованием табл. 9.26 и 9.2в.