Медь или Алюминий, вечный вопрос, какой материал обмоток выбрать?
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети, и дальнейшее
развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических сетей, а, следовательно,
энергетики страны.
Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии
их производства, и снижения потерь энергии при их работе в сети. Снижение потерь особенно важны в
распределительных трансформаторах, в которых расходуется значительная часть материалов, и возникает
существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка.
Коэффициент полезного действия трансформаторов очень велик и для большинства их составляет 98-99 % и более,
однако необходимость многократной трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов с общей
мощностью, в несколько раз превышающей мощность генераторов, приводит к тому, что общие потери энергии во всем
парке трансформаторов достигают существенных значений. Так в середине 50-х годов на потери в трансформаторах
расходовалось до 6 % всей энергии, выработанной электростанциями. В сериях трансформаторов, выпускавшихся в
последующие годы, потери холостого хода снижены до 50 % и потери короткого замыкания на 20-25 %, однако
вследствие увеличения числа ступеней трансформации в сетях, роста общей мощности трансформаторного парка,
общие потери в парке трансформаторов уменьшились в меньшей степени. Поэтому одной из важнейших задач в
настоящее время является задача существенного уменьшения потерь энергии в трансформаторах, т. е. потерь
холостого хода и потерь короткого замыкания.
Уменьшение потерь короткого замыкания достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения
массы металла в обмотках. В значительной мере это стало возможным после замены медного проводника
алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16 000 кВт.
С переходом от медного проводника к алюминиевому, большего сечения также улучшилась теплоотдача, за счет
большей охлаждающей поверхности проводника и самих характеристик алюминия, который обладает гораздо большей
теплоотдачей по сравнению с медью.
Дальнейшее расширение применения алюминия в трансформаторах больших мощностей показало увеличение
механической прочности обмоток при коротком замыкании, за счет увеличения сечения проводника. Возможность
замены меди алюминием в обмотках некоторых типов трансформаторов общего и специального назначения еще не
исчерпана.
Уменьшение потерь холостого хода достигается главным образом путем все более широкого применения
холоднокатаной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами - низкими и особо низкими
удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Применение этой стали, обладающей
анизотропией магнитных свойств и очень чувствительной к механическим воздействиям при обработке - продольной и
поперечной резке рулона на пластины, к толчкам и ударам при транспортировке пластин, к ударам, изгибам и сжатию
пластин при сборке магнитной системы и остова, сочетается с существенным изменением конструкций магнитных
систем, а также с новой прогрессивной технологией заготовки и обработки пластин и сборки магнитной системы и
остова.
Новые конструкции магнитных систем характеризуются применением косых стыков пластин в углах системы, стяжкой
стержней и ярм кольцевыми бандажами вместо сквозных шпилек в старых конструкциях и многоступенчатой формой
сечения ярма в плоских магнитных системах. Находят применение стыковые пространственные магнитные системы со
стержнями, собранными из плоских пластин, и с ярмами, навитыми из ленты холоднокатаной стали, а также магнитные
системы, собранные только из навитых элементов. Эти конструкции позволяют уменьшить расход активной стали и
потери холостого хода.
Уменьшение расхода электротехнической стали при стабильности допустимой индукции достигается в настоящее
время за счет изменения конструкции магнитной системы путем перехода от плоских к пространственным магнитным
системам.
Материал обмоток
Металл обмоток медь - в течение долгого времени не подвергался изменению. Низкое удельное электрическое
сопротивление, легкость обработки (намотки, пайки), удовлетворительная стойкость по отношению к коррозии и
достаточная механическая прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток
трансформаторов в течение ряда десятилетий. Несмотря на это, относительно малое мировое распространение
природных запасов медных руд заставило искать пути замены меди другим металлом, и в первую очередь алюминием,
более широко распространенным в природе.
Замена медного обмоточного провода в обмотках силовых трансформаторов алюминиевым проводом затрудняется,
прежде всего, тем, что удельное электрическое сопротивление алюминия существенно (примерно в 1,6 раза) больше
удельного сопротивления меди. Поэтому применение алюминия неизбежно привело к увеличению сечения проводника.
Увеличение чисел витков и сечений витков алюминиевых обмоток по сравнению с эквивалентными медными обмотками
приводит к увеличению стоимости работы по намотке обмоток и значительному увеличению расхода некоторых
изоляционных материалов - бумажно-бакелитовых цилиндров (примерно на 30—25%), электроизоляционного картона и
пропиточного лака (примерно 50—60%). При большей высоте магнитной системы увеличиваются также высота бака и
масса масла. Но данные затраты компенсируется уменьшением массы и стоимости алюминиевого проводника.
При переходе на алюминиевые обмотки пришлось решить ряд задач технологического характера, связанных с
технологией намотки алюминиевых обмоток, пайкой и сваркой алюминия. В настоящее время все новые серии
трансформаторов общего назначения мощностью до 16000 кВт включительно проектируются с алюминиевыми
обмотками. В большинстве масляных трансформаторов применяется обмоточный провод марки ПБ (АПБ для
алюминия) с изоляцией из кабельной бумаги класса нагревостойкости А (предельно допустимая температура 105 °С)
общей толщиной 0,45—0,50 мм на две стороны. Применение провода более высоких классов нагревостойкости (Е, В, F
и т.д.), допускающих более высокие предельные температуры, в масляных трансформаторах смысла не имеет, потому
что допустимая температура обмоток определяется не только классом изоляции обмоток, но также и допустимой
температурой масла, в котором находится обмотка.
Основным направлением прогресса в производстве изоляционных материалов в настоящее время является получение
новых материалов с повышенными нагревостойкостью и механической прочностью. Существенных достижений в
повышении электрической прочности изоляционных материалов, применяемых в масляных трансформаторах, не
наблюдается.
Изоляция NOMEX - Класс H (180°С) заводы РУССКИЙ ТРАНСФРМАТОР; МЭТЗ им Козлова; Укрэлектроаппарат.
Применение медных проводов с изоляцией, имеющей повышенную
нагревостойкость, имеет смысл в сухих трансформаторах с обмотками из
картона с пропиткой типа NOMEX с классом изоляции H (180°С), в которых за
счет повышения температуры обмоток, возможно, допустить более высокие
плотности тока и компактную конструкцию трансформатора. Медь держит
большую температуру и имеет большую теплоемкость по сравнению с
алюминием, т.е. она медленнее нагревается в результате перегрузки, чем
алюминий, но поскольку имеет, меньшую теплоотдачу дольше держит
температуру. Поскольку обмотка типа NOMEX сама имеет высокий класс
нагревостойкости высокая температура проводника не является проблемой для
данного типа трансформатора. И напротив применение алюминиевого
проводника в такой конструкции нежелательна, поскольку обмотка не
герметична и при контакте с окружающей средой алюминий окисляется. Кроме
того применение алюминия в такой конструкции не удешевит трансформатор.
Хоть алюминиевый проводник стоит гораздо дешевле, сечение его будет больше, т.е. количество самого алюминия
увеличится, кроме того сам процесс изготовления алюминиевой обмотки дороже. Также измениться конструкция
магнитопровода который составляет до 50% общей стоимости трансформатора, он будет выше и шире, т.е. добавиться
удельный вес трансформаторной стали, которая дороже алюминия. По итогам таких изменений экономии не будет.
Литая изоляция - Класс F (155°С) заводы SCHNEIDER ELECTRIC; SIEMENS; TMC; ABB; BEZ; AREVA
C развитием прогресса наибольшее распространение среди сухих
трансформаторов получили трансформаторы с литой изоляцией. Основой для
этого послужила абсолютная защита обмоток трансформатора от любых
воздействий окружающей среды, и большая способность к перегрузкам.
Обмотки такого трансформатора выполнены из алюминиевой ленты, залитой в
вакууме в эпоксидную смолу с присадками из кварцевого песка.
Применение алюминиевого проводника в такой конструкции обусловлено
коэффициентом теплового расширения алюминия, который практически равен
коэффициенту теплового расширения смолы, из которой состоит литая обмотка.
Сама обмотка такого трансформатора кроме изоляции несет в себе
функционал теплообменника, который находится в прямом контакте с
проводником обмотки, причем вся температура проводника равномерно распределяется по всей обмотке, и в
результате контакта всей наружной поверхности обмотки с окружающей средой, по принципу естественной конвекции
происходит теплообмен. Для ускорения такого теплообмена проектом может быть предусмотрена система
принудительной вентиляции AF40. Поскольку мощность трансформатора ограничена температурой обмотки, ускорение
теплообмена системой AF дает возможность перегрузки трансформатора до 40% от номинальной мощности.
Почему алюминий?
1. Использование медных проводников в такой конструкции нежелательно, поскольку коэффициент расширения меди
сильно отличается от коэффициента расширения смолы и при работе трансформатора из-за разности расширений
литая обмотка получает механическое напряжение. В результате таких напряжений в изоляции образуются
микротрещины, которые в процессе эксплуатации увеличиваются, разрушая обмотку трансформатора.
2. Кроме того использование меди в такой конструкции технически не обоснованно, поскольку способность меди
держать высокую температуру не может быть реализована т.к. рабочая температура трансформатора ограничена не
способностью проводника держать температуру а классом нагревостойкости изоляции F(155°C).
3. Основным критерием для нормальной работы трансформатора с литой обмоткой является наличие быстрого
теплообмена, который также замедляется с применением меди, поскольку медь имеет меньшую теплоотдачу, по
сравнению с алюминием. Также алюминиевый проводник имеет большее сечение, и соответственно большую
поверхность охлаждения, что гораздо важнее в литой обмотке, поскольку проводник абсолютно герметичен и
единственная возможность отдать тепло заключается в прямом контакте большой площади проводника с
теплопроводным материалом из которого состоит литая обмотка.
Если нельзя, но очень хочется именно медь, и именно в литой обмотке, то для "избранных" все таки можно!!!!
Вы заказываете медный трансформатор с литой изоляцией, изготовитель рад стараться, и для Вас делает исключения
в виде следующего:
1. Для предотвращения разрушения литой изоляции, медная обмотка обматывается стекловолокном, которое
компенсирует, расширение меди не передавая механическое напряжение на литую изоляцию. В результате такой
конструкции проводник в обмотке получается, изолирован от самой литой изоляции, поскольку стеклоткань сама
является изолятором, и температура такого проводника не передается на литую обмотку, т.е. теплообмен нарушен. В
результате такого эффекта нагретая внутри обмотка до любой температуры остается практически холодной снаружи,
т.е. эффект "термоса". Поскольку теплообмена нет, охлаждение такой обмотки снаружи равносильно охлаждению
горячего чая в закрытом термосе.
2. Для исключения любого даже самого минимального нагрева, изготовитель вынужден проектировать "холодный"
трансформатор, т.е. трансформатор имеющий запас по мощности 30-40% от требуемого номинала. Холодный
трансформатор на 1000 кВа имеет сечение проводника как 1400 кВа. Это делается для исключения любой возможности
нагрузки трансформатора выше 60%, чтобы медный проводник был холодным, поскольку он лишен возможности отдать
полученное тепло, а перегрузка трансформатора с литой обмоткой в условиях ограниченного теплообмена - фатальна.
Кроме того затрудняется контроль температуры проводника, поскольку наружная температура обмоток не отражает
действительные значения температуры обмотки внутри, и следовательно полноценная защита такого трансформатора
исключена.
Если Вы все-таки стали "счастливым" обладателем медного трансформатора! То, кроме того, что он дорогой, что еще?
1. Трансформатор с медными обмотками - это плюс! Хотя за такие деньги, это вопрос риторический....
2. Трансформатор большего размера, несмотря на медный проводник внутри - плюс это или минус ???? решать Вам
3. Вы получили трансформатор 1000кВа с потерями равными трансформатору 1500кВа.... "Почему, спросите Вы, ведь он же медный?"
Да он медный и потери в обмотке практически равны 0, но основные потери образуются в магнитопроводе, а в этой
части ваш медный такой же как и все, только больше.
Если ваш счетчик стоит на стороне НН, то мы Вас поздравляем, вы отомстили энергетикам за "Все! Все! Все!".
Но если счетчик ваш как у большинства на стороне ВН, то разница в потерях 1000 и 1500кВа - это ВАШ "БОНУС" за ваши
деньги.
Есть только один вопрос, почему если вам нужна медь, вы не выбираете ее в конструкции, которая для нее создана?
Поставьте NOMEX, это конечно эконом класс, который скоро уйдет в историю, но тем не менее это медь, и вполне
возможно даже дешевле литого алюминиевого варианта.
Парадоксальная российская тенденция.... абсолютно все хотят Schneider Electric, SIEMENS, TMС, BEZ, ABB, т.е.
бесспорно доверяют этим производителям, но при этом абсолютно все убеждены что сами знают из чего следует
делать хороший трансформатор.
Может лучше спросить изготовителя, почему они делают для всего мира
алюминиевый, и только по спец-заказу для России медный?