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 катушечная обмотка наматывается непрерывным проводом или несколькими непрерывными параллельными проводами, она называется непрерывной катушечной обмоткой (рис. 5.31).

Рис. 5.31. Непрерывная катушечная обмотка

Рис. 5.32. Переход между катушками с транспозицией трех параллельных проводов

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 так, как изображено на рис. 5.32. 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.

Вследствие значительного угла изгиба провода на ребро в местах перехода из одной катушки в другую, изоляция проводов может быть повреждена. Поэтому для обеспечения надлежащей электрической прочности обычно применяют в местах перехода добавочную изоляцию провода в виде оплетки полосками кабельной бумаги или лакоткани или подвязки изоляционных коробочек из электроизоляционного картона.

Непрерывная катушечная обмотка может быть намотана на жестком бумажно-бакелитовом 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. 5.9 и 5.10.

Радиальные каналы в обмотке обычно выполняются между всеми катушками, однако в трансформаторах с пониженными потерями короткого замыкания и в алюминиевых обмотках (§ 5.2 и 5.7) иногда каналы 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, указываемое в расчетной записке, может быть как целым, так и дробным. В последнем случае знаменатель дроби указывает число междукатушечных прокладок (реек) по окружности обмотки. Так, при 16 прокладках (рейках) в обмотке правильным будет указание намотать в катушке, например, 8⁴/₁₆ витка, а не 8¹/₄ витка. При намотке такой обмотки на станке наматывают восемь полных витков, а потом отсчитывают четыре промежутка между прокладками и делают переход на следующую катушку.

Максимальный радиальный размер обмотки при дробном числе витков определяется числом целых витков плюс один виток. В разобранном примере максимальный радиальный размер равен 8+1=9 толщинам провода с изоляцией.

Рис. 5.33. Двойная катушка катушечной обмотки

Возможность намотки в катушке дробного числа витков всегда 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.

Иногда по условиям сборки или изоляции обмоток, например в обмотках на 220 кВ и более, непрерывная намотка катушечных обмоток неудобна. В этом случае обмотка изготавливается в виде комплекта двойных катушек (рис. 5.33).

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. Также в отдельных катушках должны размещаться входные витки с усиленной изоляцией, которая может быть выполнена в виде усиленной изоляции провода или оплетки всей катушки снаружи лентой из кабельной бумаги или лакоткани. Усиленная изоляция между слоями (витками) в виде прокладок, как правило, не применяется.

Катушки с различным числом витков — основные, регулировочные, с усиленной изоляцией — принято для удобства обозначать различными буквами алфавита.

При размещении витков обмотки в катушки необходимо следить за тем, чтобы радиальные размеры катушек различных типов были приблизительно равными. Рекомендуется это размещение производить так, чтобы радиальные размеры наиболее широкой и наиболее узкой катушек обмотки стержня, в том числе и регулировочных, и с усиленной изоляцией, отличались не более чем на двойную толщину провода. В тех случаях, когда этого нельзя добиться простым перемещением витков, например в регулировочных катушках, допускается выравнивание радиального размера отдельных катушек путем вматывания между их витками полосок электроизоляционного картона.

Намотка непрерывной катушечной обмотки из прямоугольного провода имеет свои особенности. Для того чтобы вести обмотку, не прерывая провода 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 [5].

В механическом 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 2-3 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 на части, состоящие из отдельно наматываемых катушек. С этой целью часть обмотки может быть сделана также переплетенной, когда порядок последовательного соединения витков отличается от последовательности их размещения в катушках, например, когда в двух соседних катушках соединяются последовательно сначала все нечетные витки, а затем последовательно с ними все четные. Возможны и другие способы получения переплетенной обмотки (см. § 4.5).

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 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 и в алюминиевом проводе 10—13 А.

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

В производстве непрерывная катушечная обмотка при равном числе витков и сечении витка несколько сложнее и дороже, чем одно- и двухслойная цилиндрическая из прямоугольного провода или многослойная цилиндрическая из круглого или прямоугольного провода. Поэтому в трансформаторах с мощностью на один стержень до 250 кВ·А предпочитают применять цилиндрические обмотки из круглого провода. В трансформаторах большей мощности, где требования механической прочности играют решающую роль, непрерывная катушечная обмотка является наиболее употребительной наряду с многослойной цилиндрической из прямоугольного провода. Благодаря высокой механической прочности, легкости распределения витков обмотки по катушкам, удобству выполнения регулировочных ответвлений, сравнительной простоте намотки, отсутствию паек между катушками и простоте установки на стержне трансформатора непрерывная катушечная обмотка находит широкое применение в масляных силовых трансформаторах в качестве обмотки ВН для трансформаторов с мощностью от 160 до 63000 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—15 до 300 А. В 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.

Непрерывная катушечная обмотка из прямоугольного провода находит также применение в качестве обмотки ВН в сухих трансформаторах с естественным воздушным охлаждением при мощностях от 250 до 1600 кВ·А при выборе размеров радиальных и осевых воздушных каналов в соответствии с требованиями табл. 9.26 и 9.2в.