Из какого материала изготавливают обмотки трансформатора

Материалы, применяемые в обмоточно-изоляционном производстве — Производство обмоток и изоляции силовых трансформаторов

Материалы, применяемые в обмоточном производстве и требования к ним

В обмоточно-изоляционном производстве трансформаторостроительных заводов применяют большое количество различных материалов. Их можно классифицировать следующим образом: проводниковые, электроизоляционные и вспомогательные материалы. К каждому материалу предъявляют требования, определенные стандартами или техническими условиями. В качестве проводников тока в обмотках трансформаторов в большинстве случаев применяется чистая электролитическая медь (99,95% чистой меди), обладающая высокой электрической проводимостью, большой эластичностью и достаточной механической прочностью. Удельное электрическое сопротивление электролитической меди р=0,01724 мкОм-м, плотность у=8300 кг/м3, температура плавления 1065—1080°С. Медь является дефицитным материалом, поэтому для обмоток трансформаторов малой и средней мощности часто применяют алюминий, удельное сопротивление которого р=0,029 мкОм-м, т. е. в 1,65 раза больше удельного сопротивления меди, плотность алюминия у=2600 кг/м3. Алюминий дешевле меди, но худшая электрическая проводимость по сравнению с медью требует применения больших сечений проводов. Предел прочности при растяжении алюминиевых проводов в 3,5 раза меньше, чем медных [20]. Это ограничивает возможности применения алюминиевых проводов в мощных трансформаторах.

К обмоточным проводам предъявляют следующие технические требования:
Наложение изоляции должно быть плотным и равномерным. Наружная лента (из кабельной бумаги) и внутренняя (из телефонной или кабельной бумаги) должны быть наложены с перекрытием не более 50%, а остальные в каждом слое — встык или с зазором до 2 мм между витками с обязательным смещением на половину шага относительно соседних слоев. Шаг обмотки бумажных лент для прямоугольных проводов должен быть не более 30 мм для сечения до 75 мм2 и 35 мм — для 75 мм2 и выше. В проводах не должно появляться трещин бумаги и оголенных мест при изгибе на 180° провода широкой стороной, а также узкой стороной для проводов с отношением сторон не более 1 :2 на стержень диаметром 160 мм. Намотка провода на барабаны должна быть ровной, без перехлестывания. Расстояние от верхнего слоя намотки до края щеки барабана должно быть не менее 25 мм. Электрическое сопротивление провода постоянному току, отнесенное к 1 мм2 поперечного сечения и 1 м длины при 20°С, должно быть для медных проводов не более 0,01784 Ом, алюминиевых — не более 0,029 Ом. Материалы, применяемые для изготовления проводов, должны соответствовать стандартам.

Провода прямоугольного сечения не должны иметь острых углов (заусенцев), повреждающих (надрезающих изнутри) бумажную изоляцию. Хранение и транспортирование провода должны производиться только в горизонтальном положении оси барабана. Стремление к повышению надежности и экономичности трансформаторов заставляет обратить особое внимание на характеристики и качество обмоточных проводов, поскольку обмотки в трансформаторе являются наиболее ответственным элементом. Их качество в значительной мере определяет надежность всего трансформатора.

Для обмоток нормальных силовых трансформаторов применяют медный и алюминиевый изолированный провод круглого и прямоугольного сечений по ГОСТ 16512-70, 16513-70, 7019-71 и специальным ТУ кабельной промышленности.

Различают следующие марки обмоточных проводов:
Медные обмоточные провода ГОСТ 16512-70, 7019-71, 16513-70
ПВО — провод, изолированный одним слоем хлопчатобумажной пряжи;
ПБД — провод, изолированный двумя слоями хлопчатобумажной пряжи;
ПЭБО — провод, изолированный эмалью и одним слоем хлопчатобумажной пряжи;
ПЭЛБО — провод, изолированный .маслостойкой эмалью и одним слоем хлопчатобумажной пряжи;
ПБУ— провод, изолированный лептами высоковольтной кабельной уплотненной бумаги;
ПБ — провод, изолированный лентами кабельной или (и) телефонной бумаги;
ПСД — провод, изолированный двумя слоями стекловолокнистой изоляции (этот провод используют для сухих трансформаторов).
Алюминиевые обмоточные провода ГОСТ 16512-70ш 16513-70
АПБД — провод, изолированный двумя слоями хлопчатобумажной пряжи;
АПБУ — провод, изолированный лентами кабельной высоковольтной уплотненной бумаги;
АПБ — провод, изолированный лентами кабельной или телефонной бумаги.

Номинальная диаметральная (удвоенная) толщина изоляции круглых проводов может быть следующей: 0,3; 0,72; 0,96; 1,20 мм.

Номинальная удвоенная толщина изоляции для проводов марок ПБ и АПБ: 0,45; 0,55; 0,72; 0,96; 1,20; 1,36; 1,68; 1,92, а для марок ПБУ и АПБУ: 2,0; 2,48; 2,96; 3,6; 4,08; 4,4 мм.

Изготовление обмоток ВН мощных силовых трансформаторов вызвало потребность в обмоточных проводах с изоляцией повышенной электрической прочности. Для их изоляции применяют уплотненную кабельную бумагу марки КВУ толщиной не более 0,08 мм. Таким проводам присвоена марка ПБУ (ГОСТ 16512-70).

Увеличение витковой изоляции провода приводит к уменьшению коэффициента заполнения окна магнитной системы медью и вследствие этого к снижению технико-экономических показателей трансформаторов. Кроме того, провод с большой толщиной витковой изоляции нетехнологичен и не обеспечивает плотной намотки обмотки.

За рубежом в качестве витковой изоляции проводов наряду с применением лучших сортов кабельной бумаги стали применять синтетические изоляционные материалы: лавсановую (териленовую) пленку, поливинилхлоридную изоляцию и др.

При применении в обмотке проводов большой толщины (3— 5 мм) и большого числа элементарных проводников в витке (более 100) очень важно ограничить добавочные потери, вызываемые магнитным полем рассеяния и циркулирующими токами.

Кабельная промышленность освоила производство транспонированных проводов, и они успешно применяются для намотки обмоток мощных трансформаторов.

Транспонированный провод (рис. 1) состоит из нечетного числа прямоугольных эмалированных проводников, расположенных в два ряда и транспонированных. Между рядами проводов проложена изоляция из кабельной бумаги толщиной 0,12 мм. Для изготовления транспонированных проводов применяются провода марки ПЭМП — провода медные прямоугольные эмалированные высокопрочные.

Транспозиция провода выполняется по принципу круговой перестановки по прямоугольному контуру. Поверх транспонированных эмалевых проводников накладывается общая бумажная изоляция из кабельной бумаги марки КМ-120 толщиной 0,12 мм — для проводов марки ПТБ или из кабельной бумаги марки КВУ толщиной 0,08 мм — для проводов марки ПТБУ-С (провод транспонированный из элементарных эмалированных проводников в общей бумажной изоляции специальный).

Номинальная удвоенная толщина бумажной изоляции для транспонированных проводов 0,95—1,35 мм.

Рис. 1. Транспонированный провод марки ПТБ.

По сравнению с обычными обмоточными проводами марки ПБ транспонированные провода марки ПТБ имеют ряд преимуществ: снижается трудоемкость изготовления обмоток, так как в процессе намотки обмоток отпадает необходимость транспонирования отдельных проводников;
значительно повышается коэффициент заполнения сечения обмотки медью благодаря замене бумажной изоляции каждого проводника эмалевой изоляцией толщиной 0,06—0,14 мм на обе стороны;
уменьшаются размеры обмоток, что ведет к уменьшению вложения материалов, снижает габариты и массу трансформатора;
снижаются добавочные потери от полей рассеяния благодаря более совершенной транспозиции и применению меньших сечений элементарных проводников;
уменьшаются производственные площади, необходимые для размещения стоек с барабанами обмоточного провода;
повышается электродинамическая стойкость трансформаторов при коротком замыкании благодаря большей механической прочности обмоток из транспонированного провода.

Постоянно растущая потребность в трансформаторах больших мощностей и сверхвысоких напряжений вызывает необходимость применения проводов максимальных размеров как по высоте, так и по ширине, что приводит к большому увеличению добавочных потерь в обмотках и к чрезмерному нагреву у крайних катушек потоками рассеяния. Для снижения потерь успешно применяют специальные медные обмоточные провода марок ПБП и ПБПУ. Эти так называемые подразделенные провода (рис. 2) состоят из двух или трех элементарных проводников (жил) с бумажной изоляцией отдельного проводника толщиной 0,4 мм и удвоенной суммарно номинальной толщиной дополнительной поясной изоляции, равной 1,35; 1,68; 1,92; 2,48; 2,96 мм. Разделение проводника приводит к значительному (на 20—30%) снижению добавочных потерь от поперечных полей рассеяния, благодаря чему уменьшаются перегревы в крайних катушках обмотки. В настоящее время в обмотках НН трансформаторов большой мощности широко применяется транспонированный подразделенный провод марки ППТБ.

Рис. 2. Подразделенный провод.

а, б — марки ПБП двухжильный (тип А) и трехжильный (тип Д); в — марки ППТБ (транспортированный подразделенный).

Одной из причин повреждения мощных трансформаторов в эксплуатации является потеря устойчивости обмоток, сжимаемых радиальным усилием, вследствие недостаточной прочности обмоточных проводов. Разработка и исследование материалов с повышенной прочностью проводятся в СССР и за рубежом. Имеется перспектива получения в обозримом будущем медного сплава, обладающего при относительно небольшом (около 5%) увеличении удельного сопротивления существенно более высокими, чем у меди (в 1,5— 2 раза), механическими характеристиками [21].

Увеличения электродинамической стойкости обмоток можно достичь склейкой витков проводов между собой. Поэтому необходимы обмоточные провода (в том числе и транспонированные) с термореактивным изоляционным покрытием, которое, полимеризуясь при сушке обмотки, склеивает ее витки (провода). Выпуск в достаточном количестве прямоугольных эмалированных проводов позволит заменить обмоточные провода с бумажной изоляцией в обмотках трансформаторов напряжением до 330 кВ включительно.

Фольга и лента. В последние годы за рубежом и в нашей стране в качестве проводникового материала для обмоток трансформаторов малой мощности (до 630 кВ-А) широко применяются медная и алюминиевая фольга и лента. Переход от алюминиевых проводов на фольгу и ленту позволяет резко повысить коэффициент заполнения объема обмотки активным проводником, в результате чего уменьшаются потери короткого замыкания на 14%, массы конструкционной стали, трансформаторного масла и трансформатора в целом на 5—10%. Медную фольгу для электротехнической промышленности по ТУ КП-033-66 изготавливают из меди марки не ниже Ml по ГОСТ 859-66 с удельным электрическим сопротивлением р0,180 мкОм-м и с допуском по толщине ±3%. Толщина фольги 0,035—0,065 мм, ширина рулона — 700, 850 и 1000 мм. Ленту изготавливают толщиной 0,100; 0,080; 0,075; 0,050; 0,035 мм.

Алюминиевая фольга и лента, предназначенные для обмоток трансформаторов, изготовляются из алюминия марки АЕ ГОСТ 11069-74 и имеют удельное электрическое сопротивление 0,028 мкОм-м для марки А7Е. Толщина фольги 0,020—0,2 мм, толщина ленты 0,22—2,0 мм. Допуск на толщину ±3%. Такие фольга и лента пока еще не освоены нашей промышленностью, поэтому для изготовления обмоток временно применяется алюминиевая фольга для технических целей, выпускаемая по ГОСТ 618-73, а лента по ГОСТ 13726-68.

Источник

Выбор материала обмоток трансформатора — медь или алюминий

4 мая 2014 Сухие трансформаторы,Технологии

В трансформаторах обмотки служат для преобразования электрической энергии. Изменяя напряжение и силу тока, они сохраняют передаваемую мощность. Вместе с обмотками в преобразовании энергии участвует набор из металлических пластин, который играет роль магнитопровода.

Трансформаторные обмотки изготавливаются из проводников, покрытых слоем изоляции, который также удерживает провода в определенном положении и создает канал охлаждения. Различные конструкции обмоток предусматривают нейтральные и линейные ответвления, а также отводы для регулировки. Во время работ, связанных с конструированием обмоток, рассчитываются такие параметры:

• допустимое значение превышения температуры при номинальной мощности и рабочей нагрузке;
• электрическая прочность при повышенном напряжении;
• механическая прочность во время короткого замыкания.

Для изготовления обмоток преобразователей чаще всего используется медный провод. Это делается из-за того, что медь имеет малое электрическое сопротивление и высокую электропроводность. Благодаря своей гибкости и механической прочности, она хорошо обрабатывается и плохо поддается коррозии.

Однако медь – это достаточно ценный и дефицитный металл. Высокая стоимость меди связана с небольшими мировыми запасами ее руды. Из-за этого стоимость металла постоянно увеличивается, так что производители трансформаторов вынуждены искать ему замену. На сегодняшний день лучшей альтернативой меди является алюминий. Его запасы значительно превосходят медные, и в природе он встречается намного чаще.

Однако алюминий имеет меньшую электропроводность. Также он менее гибок и уступает меди в пределе прочности. Его редко применяют в обмотках мощных трансформаторов. Кроме того, достаточно сложно в техническом плане делать внутренние соединения обмоток при помощи сварки. Выполнение этой операции требует от работников, соединяющих обмотки, соответствующих знаний и умений, большого опыта и определенных навыков. В случае когда соединяются медные проводники, все обстоит гораздо проще.

Сравнительные характеристики металлов

УТВЕРЖДЕНИЕ	ПРАВДА	МИФ
Оконечные заделки намотанных алюминием трансформаторов несовместимы с медной линией и силовыми кабелями.	Х
Оконцевание выводов должным образом – более сложная задача для намотанных алюминием трансформаторов.	Х
Соединения с линией и нагрузкой трансформаторов с медными обмотками более надежны, чем у трансформаторов с алюминиевыми обмотками.	Х
Трансформаторы с алюминиевыми обмотками весят легче, чем аналогичные с медными обмотками.	Х
Намотанные медью обмотки низкого напряжения трансформаторов лучше подходят для «ударных» нагрузок, потому что у меди более высокая прочность на растяжение чем у алюминия.	Х
Трансформаторы с алюминиевыми обмотками имеют более высокие потери, чем аналогичные с медными обмотками.	Х

Споры о том, какой металл лучше использовать для трансформаторных обмоток, не прекращаются на протяжении многих лет. Оппоненты, приводящие различные технические аргументы в пользу разных металлов, постоянно меняют свои взгляды. Большая часть из всех аргументов не столь существенна, а некоторые из, так называемых фактов, являются откровенной дезинформацией.

Чтобы правильно выбрать материал для обмотки преобразователя, следует произвести сравнительный анализ рабочих параметров алюминия и меди, и определить степень их различия. Внимание обращают на те параметры, которые вызывают наибольшее беспокойство, поскольку являются наиболее важными в работе преобразующего устройства.

Характерные различия между медью и алюминием

Параметр	Алюминий	Медь
Температурный коэффициент линейного расширения, х10 -6 /°С	21-23	16,4-16,6
Теплопроводность, Вт/м∙°С	218	406
Удельное сопротивление, Ом∙мм 2 /м	0,026-0,028	0,017-0,018
Предел прочности на разрыв, Н/мм 2 (мягкие марки)	79-108	197-276

Коэффициент расширения

Когда нагревается алюминий, он имеет расширение на 30% больше, чем медь. Если алюминиевые наконечники соединяются при помощи болта и гайки, под прижимную гайку нужно обязательно подкладывать пружинистую шайбу. В этом случае контактное соединение не будет ослабляться в то время, когда напряжение отключено, и наконечники остывают, уменьшая при этом свои размеры.

Вывод: Чтобы качество соединения алюминиевых кабелей не уступало качеству медных контактов, необходимо использовать должную арматуру.

Теплопроводность

Медь намного лучше проводит тепло, чем алюминий. Поэтому если разные металлы обмоток в трансформаторах имеют одинаковое сечение, то изделие из меди охлаждается гораздо лучше, чем из алюминия. Чтобы добиться одинаковой электропроводности, а значит одной и той же отдачи тепла, алюминиевый провод в преобразователе должен иметь сечение на 60% больше медного.

Проектировщики, разрабатывая пакет документов для производства трансформаторов, учитывают особенности материала, конструкцию, а также суммарную площадь охлаждающейся поверхности обмотки.

Вывод: Все трансформаторы, невзирая на то, из какого металла выполнены их обмотки, имеют очень сходные тепловые характеристики.

Электропроводность

Вследствие того, что алюминий имеет электрическую проводимость на 60% меньше чем медь, в обмотках из алюминия более высокие потери. Разработчики преобразователей с алюминиевыми обмотками в проектной документации закладывают сечения проводников, которые превышают значения для аналогичных изделий из меди. Это уравнивает потерю энергии в изделиях, имеющих в обмотках различные материалы.

Вместе с тем производители имеют определенные рамки, ограничивающие выбор сечения провода. Поэтому иногда получается, что медная обмотка в трансформаторе имеет более значительные потери, чем аналогичное изделие из алюминия. Это происходит из-за того, что производители по тем или иным причинам в качестве обмотки использовали медный провод, сечение которого не соответствует расчетной норме.

Что же касается сухих трансформаторов, то вне зависимости от металла обмотки у них потери в сердечнике, набранном из металлических пластин, остаются неизменны. Добиться более высокой эффективности работы преобразователя можно только путем изменения сечения обмоточного провода. Это и является основным критерием, который указывает на более высокую степень результативности того или иного устройства.

Вывод: Благодаря тому, что алюминиевый провод стоит намного дешевле, за те же деньги им можно намотать обмотку, имеющую большее сечение. Это приведет к значительному снижению энергетических потерь во время работы преобразователя. В некоторых случаях такие обмотки намного эффективней медных.

Предел прочности металлов

Алюминий для своего разрыва требует на 40% меньше усилий, чем медь. У производителей электротехнических изделий этот факт вызывает определенное беспокойство, поскольку большинство выпускаемых ими товаров часто подвергается циклическим нагрузкам. Это связано с большими пусковыми токами, которые возникают при запуске некоторых электрических силовых аппаратов. Мощные электромагнитные силы, возникающие при таких токах, вызывают усиленное движение молекул в проводниках, что приводит к смещению обмоток в изделиях.

Сравнительный анализ технических показателей различных проводников делается исходя из площади их поперечного сечения. На основании данных анализа одинаковая электропроводность в трансформаторах с разными обмотками обеспечивается следующим образом. В изделиях с алюминиевой обмоткой площадь сечения провода должна быть больше на 60%, чем в аналогичном устройстве, имеющем обмотку из меди. В этом случае технические показатели изделий, сделанных из различных материалов, будут примерно одинаковы.

Вывод: Трансформатор не может получить механическое повреждение из-за резкого изменения нагрузки, поскольку сечение обмотки подобрано таким образом, чтобы имелся необходимый запас прочности. Повреждения могут случиться только вследствие ненадежного крепления в местах соединения проводов.

Внешние подключения трансформаторов

В настоящее время использование меди в трансформаторных обмотках вызвано стремлением производить более качественные и надежные преобразующие устройства. Известно, что как алюминий, так и медь легко поддаются разрушающему воздействию окружающей среды. Из-за этого в металлах происходит коррозия, окисление и другие химические изменения.

Поверхность алюминиевого провода, покрытая окисью, становится изолятором и не пропускает электрический ток. Из-за этого своевременная очистка алюминиевых контактов имеет большое значение и должна производиться регулярно, в строгом соответствии с графиком проведения профилактических работ.

Окисленная же медь утрачивает свою электропроводность значительно меньше, поскольку появляющиеся на ней сульфиды и оксиды, конечно, не в той мере в какой бы хотелось, но все же имеют некоторую электропроводность. Все это хорошо знает персонал, который обслуживает трансформаторные подстанции. Поэтому специально обученная бригада электриков регулярно производит плановую проверку болтовых соединений рабочего оборудования.

Кроме того, существует проблема подключения алюминиевых обмоток преобразователя к медным проводам внешней электрической сети. Напрямую соединять алюминиевые и медные наконечники болтами нельзя. Дело в том, что металлы имеют различную электропроводность, из-за чего места соединений постоянно перегреваются, и соединенные поверхности разрушаются. Разработанные специально для этого сварочные технологии оказались малоэффективными, поэтому для сваривания кабелей из разного металла их не применяют.

Для соединения медных и алюминиевых кабелей сейчас используют луженые наконечники, покрытые тонким слоем олова либо серебра. При соединении алюминиевых обмоток трансформаторов с медными сетевыми кабелями наконечники покрывают оловом. Серебро используется в электронике, где требуется более высокое качество соединения деталей. Практика таких соединений общепринята. Надежность соединений подтверждается большими сроками бесперебойной работы оборудования.

Различные провода также часто соединяют при помощи специальных металлических клемм. Такая клемма сделана в виде прямоугольной рамки, в которую вставляются два соединяемых проводника. На одной плоскости клеммы имеются отверстия с резьбой. После того как проводники вставлены в рамку, они фиксируются винтами, которые закручиваются в резьбу.

Внутреннее соединение трансформаторных обмоток

Соединение медных обмоток преобразователей осуществляется методом спаивания. Тугоплавкий припой, используемый при этом, несколько снижает электропроводность спаянного участка. На этом участке все время выделяется окись меди, из-за которой отслаивается наружный слой, что ведет к повреждению всего проводника. Это является существенным недостатком такого метода соединения.

В алюминиевых же соединениях используется метод сваривания проводов при помощи инертного газа. В них окись алюминия образует стойкое защитное покрытие, которое предохраняет контакт от негативного воздействия окружающей среды. Кроме того, в этом методе соединения проводников большим преимуществом является то, что во время работы устройства на сваренных участках отсутствует потеря электропроводности.

Время эксплуатации трансформаторов в определенной мере связано с теми условиями, в которых они работают. Сюда относятся негативные воздействия окружающей среды, экстремальные нагрузки и другие неблагоприятные условия. Однако люди, пользующиеся электроэнергией не должны беспокоиться по этому поводу. Как показала практика преобразователи, имеющие различные обмотки, способны работать многие годы без особых проблем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трансформатор с той или иной обмоткой в основном выбирается исходя из личных предпочтений. Более высокая стоимость изделия, имеющего медную обмотку, требует технического обоснования тех дополнительных материальных затрат, которые возникнут во время его приобретения. Сегодня все отзывы, основанные на опыте практического использования оборудования, не указывают на какие-либо явные преимущества в работе тех или иных устройств.

Единственным превосходством медной обмотки можно считать то, что катушка, намотанная медным проводом, имеет значительно меньшие габариты. Это позволяет делать трансформаторы с такой обмоткой более компактными, что позволяет несколько сэкономить то пространство, в котором они находятся.

Однако подавляющее большинство закрытых преобразователей выпускается в стандартных корпусах, имеющих одни размеры, которые подходят и для медных и для алюминиевых катушек. Так что здесь преимущество меди не имеет никакого значения. Поэтому спрос на трансформаторы с алюминиевой обмоткой сейчас намного выше.

Стоимость металлов постоянно увеличивается, а поскольку цена меди в несколько раз превышает цену алюминия, то и стоимость изделия с медной обмоткой намного дороже. Из-за этого многие покупатели предпочитают не переплачивать за медь, а покупать изделия с алюминиевыми обмотками. В дальнейшем они стараются следить за надежностью электрических соединений, и уделять должное внимание профилактическому обслуживанию оборудования.

Источник