Исполнение элементов и габариты трансформаторов

Магнитная система трансформаторов. Магнитные системы или магнитопроводы предназначены для улучшения магнитной связи первичной и вторичной обмоток, что обеспе­чивается их малым магнитным сопротивлением.

Магнитные системы однофазных и трехфазных транс­форматоров несколько отличаются друг от друга. В зависи­мости от конфигурации магнитной системы различают транс­форматоры стержневые (рис. 2.2,а), броневые (рис. 2.2,б) и тороидальные (рис. 2.2,в).

Рис. 2.2. Стержневые, броневые и тороидальные однофазные трансформаторы: 1 — стержень; 2 — ярмо; 3 — первичная; 4 — вторичная обмотки; 5 — тороидальный магнитопровод

Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещаются обмотки. Часть магнитопровода, на которой об­мотки отсутствуют, называют ярмом.

Трансформаторы однофазные большой и средней мощно­сти и все трехфазные трансформаторы обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и мень­шую массу, чем броневые.

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают из изолированных листов элек­тротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм при частоте 50 Гц. Для снижения потерь в стали при изготовлении элект­ротехнической стали исполь­зуют в качестве главной леги­рующей присадки кремний. Содержание кремния в элект­ротехнической стали, состав­ляет 0,8...4,8%. Чем больше содержание кремния, тем ниже потери. Однако добавка крем­ния повышает твердость и хрупкость стали, что затруд­няет ее обработку. Поэтому высоколегированную сталь с содержанием кремния 3,8...4,8% применяют только при изготовлении трансформаторов.

Рис. 2.3. Трехфазный трансформатор:

7 — первичная и 2 — вторичная обмотки; 3 — стержень; 4 — ярмо

При изготовлении трансформаторов широко применяют анизотропную холоднокатаную сталь. Магнитные свойства этой стали резко улучшаются при совпадении направлений прокатки металла и магнитного потока трансформатора. При этом потери в стали на перемагничивание уменьшаются в два – три раза, а магнитная проницаемость и индукция насыщения возрастают. Однако использование холоднокатаной стали ус­ложняет конструкцию и технологию изготовления магнитопроводов, так как при этом требуется исключить прохождение магнитного потока поперек направления прокатки или, по крайней мере, уменьшить длину участков, на которых это явле­ние имеет место.

По способу сборки магнитопровода из листов различают стыковые и шихтованные магнитопроводы.

В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают и скрепляют раздельно, а затем устанавливают в стык и со­единяют между собой.

В шихтованных магнитопроводах ярма и стержни собира­ют как цельную конструкцию с взаимным перекрытием листов в месте стыка. Для этого листы в двух соседних слоях распо­лагают так, как показано на рис. 2.4,а и б, т. е. листы каждого последующего слоя перекрывают стык в листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление в месте сочленения. После сборки магнитопровода листы верхнего ярма вынимают, на стержни устанавливают катушки и листы ярма снова ставят на место.

Шихтованные магнитопроводы имеют значительно мень­шее магнитное сопротивление, чем стыковые, поэтому в транс­форматорах большой и средней мощности последние приме­няют очень редко.

Рис. 2.4. Расположение листов стержней (1, 2) и ярма (3, 4, 5) в соседних слоях магнитопровода трехфазного трансформатора:

а — первый слой; б — второй слой и т. д.

Стержни магнитопровода в силовых трансформаторах сравнительно небольшой мощности имеют прямоугольное или крестовидное сечение, а в мощных — ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис. 2.5). Такая форма обеспечива­ет получение требуемого поперечного сечения стержня при минимальном диаметре, что позволяет уменьшить длину вит­ков обмоток и расход обмоточных проводов.

Рис. 2.5. Формы сечения стержней трансформаторов

При большом сечении стержней масляных трансформато­ров их собирают из отдельных стальных пакетов, между кото­рыми создают продольные каналы шириной 5...6 мм, а в неко­торых конструкциях и поперечный канал для циркуляции ох­лаждающей жидкости. Ярмо, соединяющее стержни, выполня­ют прямоугольного или ступенчатого сечения на 2...5% больше сечения стержней. Это уменьшает индукцию в стали ярма и потери мощности в ней.

Стяжку листов стержней в силовых трансформаторах не­большой и средней мощности осуществляют при помощи де­ревянных или пластмассовых планок, устанавливаемых между стальным стержнем и жестким изоляционным цилиндром, на котором намотана обмотка НН.

В некоторых трансформаторах стержни стягивают банда­жами из стеклоленты или стальной ленты. Чтобы стальные бандажи не образовали короткозамкнутых витков, их разреза­ют и стягивают при помощи изоляционных пряжек. Имеются также конструкции магнитопроводов, в которых стержни стя­гивают стальными шпильками, изолированными относительно стержней трубками из изоляционного материала.

При работе силовых трансформаторов магнитопровод и другие стальные части находятся в сильном электрическом поле, вследствие чего они могут приобрести значительный электрический заряд. Чтобы снять этот заряд, магнитопровод заземляют с помощью медных лент.

Обмотки трансформаторов. В современных транс­форматорах первичную и вторичную обмотки размещают для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой на одних и тех же стержнях магнитопровода.

На стержне магнитопровода обе обмотки размещают дву­мя способами: концентрически — одну поверх другой, или в виде нескольких дисковых катушек, чередующихся по высо­те стержня. В первом случае обмотки называют концентри­ческими, во втором — чередующимися (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Концентрические (а) и чередующиеся (б) обмотки силовых трансформаторов:

1 — обмотка НН; 2 — обмотка ВН; 3 — стержень; 4 — ярмо

В силовых трансформаторах применяют, как правило, кон­центрические обмотки, причем ближе к стержням располагают обмотку НН, требующую меньшей изоляции относительно ос­това трансформатора, а снаружи — обмотку ВН.

Для уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток иногда применяют двойные концентрические (рас­щепленные) обмотки, в которых обмотку НН делят на две части с одинаковым числом витков. Аналогично может быть выполнена и обмотка ВН.

В чередующихся обмотках (рис. 2.6,б) всю обмотку под­разделяют на симметричные группы, состоящие из одной или нескольких катушек ВН и расположенных по обе стороны от них двух или нескольких катушек НН. Чередующиеся обмотки применяют редко и в основном для специальных трансформа­торов.

Обмотки трансформаторов изготовляют из медных или алюминиевых проводов. Поперечное сечение алюминиевого провода берется примерно на 70% больше, чем медного из-за большего удельного электрического сопротивления алюми­ния, поэтому габариты и масса трансформатора с алюмини­евыми обмотками больше, чем у трансформатора той же мощ­ности с медными обмотками. При сравнительно небольших мощностях и токах обмотки выполняют из изолированного провода круглого сечения. При больших мощностях применя­ют изолированный провод прямоугольного сечения.

Изоляция и вводы. Изоляция обмоток трансформатора от заземленных частей и изоляция между обмотками обеспе­чивается выбором величины изоляционных промежутков, кото­рые в масляных трансформаторах выполняют также роль ох­лаждающих каналов. Изоляция между катушками, слоями и витками обмоток обеспечивается применением соответству­ющих изоляционных материалов (электрокартона, лакоткани, стеклоткани, и др.). Для предотвращения пробоя изоляции при воздействии на обмотку коротких импульсов перенапряжений, в высоковольтных трансформаторах между обмотками допол­нительно ставят жесткие бумажно-бакелитовые цилиндры или мягкие цилиндры из электрокартона, которые во избежание возможности электрического разряда имеют по высоте боль­шие размеры, чем обмотки. Обмотки ВН различных фаз изоли­руют междуфазной перегородкой.

Обмотки современных сухих трансформаторов с литой изоляцией выполняют концентрическими. Предварительно обмотки помещают в цилиндрические формы и заливают жид­ким разогретым компаундом.

В целях получения высокой электрической прочности ком­паунда (отсутствие воздушных пузырьков, раковин и т. д.) за­ливка производят под давлением, в условиях вакуума. Обмотки ВН и НН имеют форму гильз. Выводы концов обмотки НН выполняют шинами, расположенными на торце гильзы, выводы обмотки ВН устраивают на боковой поверхности (см. рис. 2.1,б).

Для выведения наружу концов обмоток трансформаторов, охлаждаемых маслом или негорючим жидким диэлектриком, используют вводы — проходные фарфоровые изоляторы с токоведущими стержнями. Вводы трансформаторов, уста­навливаемых внутри помещений, имеют гладкую наружную поверхность, а вводы трансформаторов, предназначенных для наружной установки, снабжены ребрами, число которых зави­сит от напряжения трансформатора. При наличии ребер уве­личивается расстояние между токоведущим стержнем и корпу­сом по поверхности и уменьшается вероятность поверхност­ного разряда при неблагоприятных условиях.

Габариты трансформаторов. Силовые трансформаторы в зависимости от мощности и класса напряжения под­разделяются на восемь габаритов:

I габарит включает трансформаторы мощностью до 100 кВА классов напряжений до 35 кВ;

II — от 100 до 1000 кВА классов напряжений до 35 кВ;

III — от 1000 до 6300 кВА классов напряжений до 35 кВ;

IV — свыше 6300 кВА классов напряжений до 35 кВ;

V — до 32 000 кВА классов напряжений до 110 кВ;

VI — свыше 32 000 до 80 000 кВА классов напряжений до 330 кВ;

VII— свыше 80 000 до 200 000 кВА классов напряжений до 330 кВ;

VIII — свыше 200000 кВА классов напряжений более 330 кВ.

Трансформаторы малой мощности имеют большое коли­чество серий и типоразмеров. Промышленностью выпускается ряд унифицированных однофазных и трехфазных трансфор­маторов мощностью от 0,063 до 4 кВА.