Конструкція обмоток трансформаторів повинна задовольняти умовам високої електричної і механічної міцності, а також нагревостойкости. Крім того, технологія виготовлення обмоток повинна бути по можливості простий і недорогий, а електричні втрати в обмотках повинні знаходитися у встановлених межах. Конструкції обмоток залежно від номінального струму і номінальної напруги обмотки вельми різноманітні.
Обмотки виготовляються з мідного. а останнім часом часто також з алюмінієвого дроту. Щільність струму в мідних обмотках масляних трансформаторів знаходиться в межах 2 - 4,5 А / мм, а в сухих трансформаторах 1,2 - 3,0 А / мм. Верхні межі відносяться до більш потужних трансформаторів. У алюмінієвих обмотках щільність струму на 40 - 45% менше. Для виготовлення обмоток застосовуються круглі дроти перетином 0,02 - 10 мм ² і прямокутні перерізом 6 - 60 мм ². У багатьох випадках витки і котушки обмоток намотуються з певного числа паралельних провідників.
Малюнок 1. Концентричні (а) і чергуються (б) обмотки
Обмотки масляних трансформаторів виготовляються з проводів з емалевою і бавовняної ізоляцією (круглі перетину) і з проводів, ізольованих двома шарами кабельної папери або бавовняною пряжею (прямокутні перетини). У сухих силових трансформаторах застосовуються дроти з ізоляції з скловолокна.
За способом розташування на стрижнях і по взаємному розташуванню обмоток вищої напруги ВН і нижчої напруги НН обмотки поділяються на концентричні (рисунок 1, а) і чергуються (рисунок 1, б). У першому випадку обмотки ВН і НН розташовані щодо один одного і навколо стрижня концентрично, причому ближче до стрижня зазвичай знаходиться обмотка НН. так як ізоляція обмотки від стрижня при цьому полегшується. У чергуються обмотках котушки ВН і НН чергуються уздовж стрижня по висоті. Чергуються обмотки мають більш повну електромагнітну зв'язок, однак вони складніше у виготовленні і в разі високих напруг ізоляція обмоток один від одного ускладнюється. Тому в силових трансформаторах зазвичай застосовуються концентричні обмотки. різновиди яких коротко розглядаються нижче.
Малюнок 2. Багатошарова циліндрична обмотка
Малюнок 3. Багатошарова циліндрична катушечная обмотка
Багатошарові циліндричні обмотки
Багатошарові циліндричні обмотки (рисунок 2) виготовляються з круглих або прямокутних провідників, які розміщуються уздовж стрижня в кілька шарів, причому між шарами прокладається ізоляція з кабельного паперу. При великому числі шарів обмотка підрозділяється на дві концентричні котушки, між якими залишається канал для охолодження. Ці обмотки застосовуються при потужностях на стрижень Sст ≤ 200 кВ × А, при струмі на обмотку стрижня Iст ≤ 135 А і напрузі Uл.н ≤ 35 кВ.
Багатошарові циліндричні котушкові обмотки
Багатошарові циліндричні котушкові обмотки (рисунок 3) намотуються з круглого дроти і складаються з багатошарових дискових котушок, розташованих уздовж стрижня. Між котушками (через кожну котушку або через дві-три котушки) можуть бути залишені радіальні канали для охолодження. Такі обмотки застосовуються на стороні вищої напруги при Sст ≤ 335 кВ × А, Iст ≤ 45 А і Uл.н ≤ 35 кВ.
Малюнок 4. Двухслойная циліндрична обмотка
Малюнок 5. Гвинтові обмотка
Одношарові і двошарові циліндричні обмотки
Одношарові і двошарові циліндричні обмотки (рисунок 4) намотуються з одного або декількох (до чотирьох) паралельних прямокутних провідників і застосовуються при Sст ≤ 200 кВ × А, Iст ≤ 800 А і Uл.н ≤ 6 кВ.
гвинтові обмотки
Гвинтові обмотки (рисунок 5) намотуються з ряду паралельних прямокутних провідників (від 4 до 20), прилеглих один до одного в радіальному напрямку. При великій кількості паралельні провідники можуть розташовуватися також в кожному витку в кілька шарів в аксіальному напрямку або ж обмотка виконується багатоходової, тобто паралельні провідники розбиваються на 2 - 4 групи і кожна група утворює самостійний гвинтовий хід обмотки.
Малюнок 6. Схеми часткової транспозиції паралельних провідників
Коли в радіальному напрямку поруч розташовується кілька паралельних провідників, то струм розподіляється між ними нерівномірно, що викликає збільшення втрат. Причиною нерівномірного розподілу струму є те, що такі елементарні витки, що складаються з одного паралельного провідника, зчіплюються з різними за значенням магнітними потоками і в них индуктируются різні електрорушійні сили (е. Д. С.). Така різниця в потокосцепления обумовлена магнітними потоками розсіювання, які проходять в просторі, займаному обмотками. Іншими словами, можна сказати, що причиною збільшення втрат є вихрові струми. індуковані магнітним полем в провідниках обмотки і викликають явище поверхневого ефекту. Внаслідок цього активний опір обмотки збільшується.
Для забезпечення досить рівномірного розподілу струму між провідниками необхідно провести транспозицию (перекладку) паралельних провідників, що утворюють виток (рисунок 6). При повній транспозиції кожен провідник займає в радіальному напрямку по черзі всі положення, можливі в межах одного витка. Часто проводиться тільки часткова транспозиція провідників. Транспозиція здійснюється в декількох місцях по висоті стрижня.
Гвинтовими виконуються обмотки нижчої напруги при Sст ≥ 45 кВ × А, Iст ≥ 300 А.
Безперервна спіральна катушечная обмотка
Безперервна спіральна катушечная обмотка (рисунок 7) виконується з прямокутного проводу і складається з декількох десятків дископодібних котушок, причому котушки намотуються по спіралі і з'єднуються один з одним без пайки. Якщо виток складається з декількох паралельних провідників, то проводиться їх транспозиція. Такі обмотки застосовуються при Sст ≥ 60 кВ × А, Iст ≥ 20 А, Uл.н ≥ 2 кВ.
Малюнок 7. Безперервна спіральна катушечная обмотка
Останні два типи обмоток є в механічному відношенні найбільш стійкими і здатні витримувати значні осьові зусилля, так як складаються з дископодібних елементів, що мають в радіальному напрямку достатні розміри.
Радіальні і осьові канали між котушками і шарами обмотки утворюються шляхом установки прокладок і рейок, склеєних і спресованих з електротехнічного картону. При невеликих потужностях і невисоких напругах циліндричні обмотки надягають на стрижень муздрамтеатру і кріпляться щодо його дерев'яними клинами і планками, які грають також роль ізоляції. В інших випадках застосовуються м'які ізоляційні циліндри з листів електротехнічного картону або жорсткі циліндри з рулонного електротехнічного картону на бакелітовій лаку.
Зовнішня і внутрішня обмотки також кріпляться відносно один одного за допомогою рейок. Ізоляція між обмоткою і ярмом виконується з кілець, шайб і прокладок, виготовлених з електротехнічного картону. При високій напрузі в разі потреби між обмотками і баком трансформатора ставляться ізоляційні бар'єри з електротехнічного картону.
У вельми потужних трансформаторах застосовуються також більш складні види обмоток.
Джерело: Вольдек А. І. "Електричні машини. Підручник для технічних навчальних закладів" - 3-е видання, перероблене - Ленінград: Енергія, 1978 - 832с.