Алюминий в электротехнике

Силовые трансформаторы

Высокие темпы роста электро вооруженности промышленности и электрификации промышленно развитых стран требуют увеличения выпуска силовых трансформаторов. Трансформаторостросние потребляет большое количество проводниковых материалов, и поэтому широкое использование алюминия и его сплавов вместо меди является актуальной задачей. В нашей стране расход обмоточных проводов для нужд трансформаторостроения в 1965 г. составлял 18% общего их количества для электротехнической промышленности. В течение примерно последних 25 лет во многих странах изготовляются трансформаторы с алюминиевой обмоткой. Первые места при этом занимают страны с развитым производством алюминия.

Армэлектрозаводом в содружестве с Электрозаводом разработана и освоена промышленностью новая серия трансформаторов I и II габаритов мощностью до 560 ква . В 1959—1965 гг. был завершен в основном переход на выпуск трансформаторов новых конструкций. При этом были решены задачи перехода на холоднокатаную сталь и внедрение алюминиевых обмоток. Всесоюзный институт трансформаторостроения создал новую серию трансформаторов III габарита на 10 и 35 кв с применением алюминиевого провода и холоднокатаной стали с регулированием напряжения под нагрузкой и при отключении от сети на мощность 1 000, 1600, 2500, 4000, 5600 и 6300 ква .

В течение 1964 г. и начале 1965 г. на Запорожском трансформаторном заводе (ЗТЗ) освоен промышленный выпуск новой серии трансформаторов мощностью от 1000 до 25 000 ква с применением холоднокатаной стали и алюминиевого обмоточного провода. Новые типы трансформаторов кроме снижения на 20—25% суммарных потерь и уменьшения массы на 10—15% (по сравнению с трансформаторами на горячекатаной стали), имеют ряд конструктивных усовершенствований, направленных на повышение технологичности, надежности и эксплуатационных характеристик.

В ГДР выпускаются трансформаторы с алюминиевыми обмотками мощностью до 40 Мва. В ЧССР все трансформаторы мощностью до 1600 ква уже к 1962 г. изготовлялись исключительно с алюминиевыми обмотками (за исключением поставок на экспорт), одновременно был создан ряд трансформаторов с алюминиевыми обмотками мощностью до 63 Мва. В Румынии в 1961 г. освоена производством единая серия трансформаторов с алюминиевыми обмотками мощностью до 1 600 ква и до 35 кв включительно.

При проектировании трансформаторов с алюминиевыми обмотками во всех странах в Совете Экономической Взаимопомощи принят один подход относительно требований, предъявляемых к этим трансформаторам.

Величины напряжения короткого замыкания ик установленные для трансформаторов с медными обмотками с учетом взаимозаменяемости их трансформаторами с алюминиевыми обмотками, принимаются одинаковыми. Согласно рекомендациям СЭВ были установлены следующие значения ик для трансформаторов мощностью выше 10 000 ква с сердечником из холоднокатаной стали.

Рекомендуется придерживаться низших величин ик . У трансформаторов с компенсирующей обмоткой допускается повышать ик на 5%, у трансформаторов, регулируемых под нагрузкой , — на 10%.

Кроме того, в странах — членах СЭВ приняты одинаковые суммарные потери (в стали и в обмотке), в связи с чем ежегодные эксплуатационные расходы для трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками можно считать равными.

Расчеты и исследования, проведенные в СССР, показали, что в случае выполнения равноценных оптимальных конструкций медных и алюминиевых трансформаторов в последних необходимо сохранить суммарные потери, по изменить отношение потерь короткого замыкания Pк к потерям холостого хода Р 0 в сторону некоторого уменьшения. Потери в стали и масса ее для трансформаторов с алюминиевыми обмотками примерно на 10% больше, чем для медных трансформаторов. Исходя из этого предположения в 1959—1961 гг. в виде временной серии алюминиевых трансформаторов на базе использования горячекатаной электротехнической стали были разработаны трансформаторы типа ТАМ мощностью от 560 до 7 500 ква , напряжением 10 и 35 кв (в настоящее время эти трансформаторы в основном сняты с производства и заменены новой серией с применением холоднокатаной стали). При проектировании указанной серии была поставлена задача создать трансформаторы с алюминиевыми обмотками, которые по своим энергетическим и технико-экономическим показателям и надежности не уступали бы.

Логичным по мощности трансформаторам с медными обмотками по ГОСТ 401-41 Трансформаторы силовые масляные.

Основные показатели трансформаторов серии ТАМ и ТМ мощностью 750—7 500 ква приведены в табл. 12-1.

Из табл. 12-1 видно, что масса алюминиевого провода составляет 0,6 массы медного.

Применение алюминия для обмоток силовых трансформаторов можно считать полностью оправданным только при условии, что трансформаторы с алюминиевыми обмотками будут не менее надежны и экономичны, чем с медными обмотками. С этой целью плотность тока в алюминиевых проводах снижена приблизительно в 2 раза по сравнению с плотностью для медных, в результате чего термическая устойчивость и перегрузочная способность остаются такими же, как и в медной серии.

В ряде отраслей промышленности в последнее время стали широко применяться токи повышенной частоты. Инженером Е. П. Тюриным проведен сравнительный анализ рабочих свойств трансформаторов повышенной частоты с медными и алюминиевыми обмотками мощностью от 100 до 1000 ква на частоты 100, 200, 300 и 400 гц . Сердечники трансформаторов стержневого типа проектировались из стали ЭЗЗО с толщиной листа. 0,35 мм. Удельные потери в такой стали при различной индукции и частоте приведены в табл. 12-2.

Плотность тока для медных обмоток была принята 3,5—4,0 а/мм2, а для алюминиевых 1,93—2,2 а/мм2, рабочее напряжение 6 300/400 в в трехфазном варианте.

В результате расчетов рекомендованы для трансформаторов повышенной частоты с оптимальной геометрией и одинаковой мощности с медными и алюминиевыми обмотками следующие приближенные соотношения основных параметров (индекс а относится к алюминию, м — к меди):

Расчеты показывают, что применение алюминия для обмоток трансформаторов повышенной частоты целесообразно, так как такие трансформаторы по сравнению с трансформаторами с медными обмотками имеют пониженную плотность теплового потока на поверхность обмоток, меньшие растягивающие напряжения и большее время нагрева обмоток при коротких замыканиях.

Расчеты, проведенные для трансформаторов I и II габаритов (мощность до 560 ква ), показывают, что простая замена медных проводников алюминиевыми того же сечения при сохранении размеров магнитопровода медного трансформатора приводит к снижению мощности трансформатора с алюминиевыми обмотками па 25%. Аналогичные данные приведены в (табл. 12-3).

Благодаря уменьшению сечения стержня магнитопровода и увеличения числа витков обмоток удается сохранить электромагнитные характеристики трансформаторов I и II габаритов с алюминиевыми обмотками на уровне трансформаторов с медными обмотками.

Технико-экономические показатели этих трансформаторов, благодаря применению новых высококачественных изоляционных и активных материалов, в частности холоднокатаной стали, не уступают, а в ряде случаев превосходят показатели трансформаторов с медными обмотками.

во всех вариантах принималось по ГОСТ 401-41).

При этом принималось, что характеристики медного и алюминиевого трансформаторов ввиду различия в качестве проводникового материала могут быть различны.

Сопоставление вариантов производилось по методике срока окупаемости, разработанной применительно к трансформаторам и электрическим машинам проф. Грудинским. Срок окупаемости — 8 лет.

На основании анализа стоимости выполненных конструкций в целом и по узлам были установлены следующие показатели:

в практически возможных пределах.

Путем анализа полученных расчетных данных были установлены следующие зависимости для трансформаторов III габарита.

1. Существует такой диаметр стержня магнитопровода, при котором стоимость активных материалов минимальна, независимо от величины суммарных потерь. Этот же диаметр дает минимальную стоимость активных материалов и для трансформаторов с медными обмотками. Таким образом, размеры диаметров стержня медного и алюминиевого трансформаторов совпадают.

При изменении отношения стоимости 1 кг обмотки и 1 кг магнитопровода от 2 до 5 диаметр, соответствующий минимальной стоимости, практически остается неизменным (диапазон 2—5 захватывает возможные изменения цен в том числе и на трансформаторы с медными обмотками).

Стоимость активных материалов трансформатора с алюминиевыми обмотками оказывается ниже стоимости активных материалов трансформатора с медными обмотками при условии равенства потерь.

Стоимость активных материалов для серий с разным уровнем потерь по отношению к стоимости активных материалов медного трансформатора старой серии показана в табл. 12-4.

Для медного трансформатора

Диаметры, при которых достигается минимум стоимости трансформации и минимум стоимости активных материалов, практически совпадают. Минимум стоимости несколько смещается в сторону уменьшения диаметра при снижении отношения времени потерь к времени включения.

Снижение суммарных затрат для серий с разными уровнями потерь по сравнению с серией по ГОСТ 401-41 приведено в табл. 12-5.

Снижение суммарных потерь до величины 0,75, предусмотренных ГОСТ 401-41, во всех случаях целесообразно. Этот уровеньпотерь и был выбран при расчете трансформаторов III габарита.

  для данного уровня равно:

для серии 10 кв — 3,5, для серии 35 кв — 3,0.

  проводился для значения потерь в стали 2,63 вт /кг при индукции 1,7 тл . Коэффициент заполнения был принят равным 0,9.

Плотность тока в обмотках не превышает при этом 2 а/мм 2 , благодаря чему эти трансформаторы не уступают существующим медным по термической устойчивости и перегрузочной способности. Расчеты показывают также и достаточную динамическую устойчивость.

Сопоставление оптимальных параметров трансформаторов IV габарита, 35 кв , с медными и алюминиевыми обмотками показывает следующее-

Оптимальный уровень потерь трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками одинаков и составляет 0,75 суммарных потерь по ГОСТ 401-41, т. е. такой же, как и для трансформаторов III габарита.

Диаметры сердечников, соответствующие минимуму полных затрат для трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками, одинаковы.

Полные затраты для трансформаторов с алюминиевыми обмотками на 3—4% больше, чем для трансформаторов с медными обмотками.

Стоимости трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками одинаковы.

Потери в стали и масса стали у трансформаторов с алюминиевыми обмотками примерно на 10% больше, чем с медными.

Масса алюминиевых обмоток составляет примерно 0,6 массы медных.

Высота окна алюминиевых трансформаторов составляет примерно 1,2 высоты окна медных, межосевое расстояние 1,08.

Выводы по пунктам 1—7 относятся применительно к случаю использования алюминиевого провода марки AM (мягкого отожженного) с пределом прочности 7,5 кгс/мм 2 и удельным сопротивлением 0,0295 ом-мм2/м.

Расчеты показывают, что оптимальные варианты таких алюминиевых трансформаторов не имеют равных с медными запасов динамической прочности.

Увеличение запаса динамической прочности можно добиться за счет снижения плотности тока, т. е. дополнительного расхода материалов или за счет применения легированного алюминиевого провода с повышенной механической прочностью, однако этот провод имеет более высокое удельное сопротивление. В связи с этим было произведено сопоставление равноценных по динамической прочности вариантов, но с применением разных проводов.

В случае снижения плотности тока в проводе AM потребуется дополнительное вложение алюминия примерно на 30%, стали — на 7%; стоимость трансформатора увеличивается на 18%. Суммарные затраты возрастают незначительно (на 1,0—1,5%), уровень потерь составит 0,7.

Если принять, что удельное сопротивление легированного провода на 10% больше, чем у провода марки AM, то оптимальный вариант трансформатора будет иметь уровень потерь около 0,8 предусмотренного ГОСТ 401-41. Если предположить, что стоимости легированного алюминия и провода марки AM равны, то увеличения стоимости трансформатора не произойдет, но суммарные затраты будут на 2—2,5% больше, чем при снижении плотности тока в трансформаторе с проводом марки AM.

Таким образом, оба варианта (со снижением плотности тока и с применением легированного алюминиевого провода) конкурентоспособны и при создании трансформатора следует стремиться к тому, чтобы при применении провода марки AM за счет конструктивных мер максимально сблизить динамически устойчивый и оптимальный варианты.

Имеющиеся данные позволяют сравнить технико-экономические показатели трансформаторов с алюминиевыми и медными обмотками в довольно широком диапазоне мощностей от 6,3 ква до 63 Мва и проследить подход к проектированию и изготовлению этих трансформаторов в разных странах.

В Польше были проведены расчеты сухих трансформаторов мощностью 6,3 ква на горячекатаной стали с удельными потерями 1,3 вт /кг при индукции 1 тл . При этом потери в медных и алюминиевых трансформаторах приняты одинаковыми.

Результаты расчетов приведены в табл. 12-6.

В табл. 12-6 не приводятся стоимости конструкции и кожухов, так как в алюминиевом и медном трансформаторах они практически одинаковы.

В табл. 12-7 приведены сравнительные данные двух трансформаторов мощностью 160 ква с медной и алюминиевой обмотками, изготовленных в Польше. При изготовлении была применена холоднокатаная сталь с удельными потерями 0,8 вт /кг.

Из табл. 12-7 видно, что в рационально спроектированном трансформаторе с алюминиевой обмоткой можно достигнуть таких же потерь (холостого хода и пол нагрузкой) и напряжения короткого замыкания, что и

в трансформаторе с медной обмоткой, при этом количество электротехнической стали остается почти без изменений

В табл. 12-8 приведено сравнение трансформаторов мощностью 250 ква , изготовляемых в Румынии, а в табл. 12-9 — сравнение трансформаторов мощностью 400 ква , изготовляемых в Польше. Трансформатор на 400 ква изготовлен с применением холоднокатаной стали с удельными потерями 0,8 вт /кг при индукции 1 тл .

Из табл. 12-9 видно, что алюминиевый трансформатор примерно на 6% дешевле медного (при увеличении зарплаты па 14%).

Сравнение сухих трансформаторов мощностью 500 ква из стали с удельными потерями 0,9 вт /кг при индукции 1 тл , изготовляемых в Польше, приведено в табл. 12-10.

Выше были рассмотрены технико-экономические показатели некоторых трансформаторов с алюминиевыми обмотками, охватывающие ряд мощностей, входящих в I и II габариты серии трансформаторов, выпускаемых в СССР . В отечественных трансформаторах с алюминиевыми обмотками серии ТСМА I и II габаритов по сравнению с серией ТСМ (медные обмотки) расход проводов уменьшился в среднем на 20%, суммарная масса активных материалов снизилась приблизительно на 8% при практически одинаковой массе активной стали. Из-за увеличения расхода конструкционной стали, трансформаторного масла и электроизоляционных материалов общая масса трансформаторов с алюминиевой обмоткой на 4—5% больше, чем с медной обмоткой.

С I960 по 1964 гг. Армэлектрозаводом было выпущено 25000 трансформаторов мощностью 180 и 320 ква с алюминиевыми обмотками и при этом сэкономлено меди более 4 000 т.

Сравнение некоторых технико-экономических показателей трансформаторов мощностью 630 и 1600 ква с алюминиевыми и медными обмотками, изготовляемыми в Румынии, приведены в табл. 12-11. По расчетам румынских специалистов следует, что для новых серий трансформаторов с алюминиевой обмоткой мощностью до 1 600 ква включительно конструкционный материал примерно на 15% легче и, следовательно, дешевле, чем у трансформаторов с медью. У трансформаторов с алюминием (в среднем на 1 ква ) стоимость сердечника составляет 33% общей стоимости материалов трансформатора, обмотки — 31%, масла — 23%, конструктивных частей — 8%. Снижение общей стоимости материалов по сравнению с трансформаторами, имеющими медную обмотку, составляет почти 22%.

Технико-экономические показатели отечественных трансформаторов новой серии III габарита с переключением ответвлений без возбуждения и трансформаторов, изготовляющихся до 1964 г., приведены в табл. 12-12.

Новые типы трансформаторов с алюминиевыми обмотками при использовании холоднокатаной рулонной стали толщиной 0,35 мм с жаростойким покрытием марки ЭЗЗОАП но своим энергетическим показателям находятся на уровне лучших образцов трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками, изготовляемых крупными зарубежными предприятиями, и лишь незначительно уступают им по общей массе, в основном за счет массы трансформаторного масла.

В ЧССР ряд лет выпускаются трансформаторы 10 000 ива и более с обмотками из алюминия.

В табл. 12-13 показано сравнение трансформаторов 10, 16 и 25 Мва с главными обмотками из алюминия и регулировочными ответвлениями из меди.

В табл. 12-14 приведены данные трансформаторов мощностью 10 Мва, 30/6,3 кв с сердечником из стали с удельными потерями 1,3 вт /кг при индукции 1 тл , рассчитанные польскими специалистами. Из сравнения можно заключить, что алюминиевый трансформатор дешевле медного, но трудоемкость его изготовления выше, чем у медного.

Отечественной промышленностью выпускаются силовые трансформаторы с алюминиевыми обмотками мощностью до 25 Мва.

Расчеты показывают, что если полные затраты для трансформаторов III габарита с алюминиевыми и медными обмотками совпадают, то для трансформаторов IV габарита с алюминиевыми обмотками они па 3—4% больше, чем для трансформаторов с медными.

В ЧССР с 1959 г. выпускаются трансформаторы с алюминиевыми обмотками мощностью 63 Мва для работы в блоке с генератором 50—55 Мва (табл. 12-15) . Основной проблемой при разработке таких трансформаторов было обеспечение стойкости обмотки при коротких замыканиях и соединение выводов, так как от этого зависит надежность трансформаторов в эксплуатации. Чехословацкие специалисты считают, что как с экономической, так и с эксплуатационной точки зрения трансформаторы с алюминиевыми обмотками выгодны до самых максимальных величин мощности и напряжения и ограничение типовой мощности должно быть связано с допустимыми для железнодорожного транспорта габаритами или весом.

При расчете, конструировании и изготовлении трансформаторов с алюминиевыми обмотками следует учитывать некоторые конструктивные особенности, отличающие эти трансформаторы от трансформаторов с медными обмотками.

Так, для трансформаторов I и II габарита мощностью от 20 до 560 ква во избежание затрат в производстве при переходе от медных обмоток к алюминиевым стремились сохранить размеры трансформатора в плане. При этом разница между. трансформаторами с алюминиевыми и медными обмотками получается только в их высоте. Такой подход дал возможность внедрить серию трансформаторов с алюминиевыми обмотками с минимальными капиталовложениями при максимальной унификации их с трансформаторами, имеющими медную обмотку.

Трансформаторы III и IV габаритов с алюминиевыми обмотками выполняются без отверстий в активной стали магнитопроводов. Применяются съемные фарфоровые изоляторы, а на трансформаторах IV габарита устанавливаются встроенные трансформаторы тока. Крепление переключателей ПБВ перенесено на активные части. Проведенные конструктивные мероприятия позволили отменить обязательную ревизию активных частей трансформаторов III и IV габаритов на месте монтажа,

Для трансформаторов мощностью от 25 Мва и выше основное внимание следует уделить расчету и экспериментальной проверке механических напряжений в обмотке в режиме короткого замыкания.

Рекомендуется принимать величину допустимого напряжения на растяжение алюминия не выше 250 кгс/см 2 . При расчете тока короткого замыкания следует пересчитать общую мощность короткого замыкания системы к зажимам трансформатора. Расчет режима короткого замыкания следует производить с учетом взаимного смещения обмоток в осевом направлении на 1 % общей длины обмотки. Расчет следует производить для всех вариантов включения обмоток, т. е. для регулируемых трансформаторов при всех вариантах включения ответвлений.

Для трансформаторов мощностью 25 Мва и выше с алюминиевыми обмотками, как показали расчеты чехословацких специалистов, не нужно изменять принятое для медных обмоток отношение длины стержня к диаметру описывающей окружности. Снижение напряжения короткого замыкания у алюминиевых обмоток из-за меньшего количества витков компенсируется увеличением объема и радиальной ширины в связи с меньшей плотностью тока.

При изготовлении трансформатора с алюминиевыми обмотками мощностью 63 Мва была принята конструкция магнитопровода, бака, охладителей и циркуляционных насосов такая же, как и для трансформатора с медными обмотками. Изоляционные расстояния концевых витков ярма и канала в радиальном и осевом направлениях были уменьшены. Чтобы не нарушить циркуляцию масла в каналах из-за уменьшения их сечения при пропитке, более выгодно применение непропитанных обмоток.

Технология изготовления трансформаторов с алюминиевыми и медными обмотками почти одинакова. Разница состоит лишь в более трудоемком выполнении сварки и пайки алюминиевых и медно-алюминиевых соединений.

Для крупных трансформаторов технология изготовления обмоток имеет повышенную трудоемкость вследствие большого количества наматываемых параллельных проводов и транспозиций.

Основной предпосылкой того, что трансформаторы с алюминиевой обмоткой будут конкурентоспособны с трансформаторами, имеющими медные обмотки, является применение электротехнических сталей с низкими удельными потерями типа ЭЗЗО, ЭЗЗОА, ЭЗЗОАП по ГОСТ 802-58. В отечественных трансформаторах всех габаритов с алюминиевыми обмотками применяются стали этих марок. Особенно важно применять холоднокатаные стали с низкими удельными потерями для трансформаторов с алюминиевыми обмотками мощностью свыше 25 Мва, так как усилия короткого замыкания пропорциональны квадрату намагничивающей силы и выгодно обойтись меньшим количеством витков, т. е. увеличить магнитный поток через стержень, а это возможно путем увеличения сечения стержня или повышения индукции.

Потери в железе при этом должны быть минимальны. Конструкция магнитопровода должна обеспечивать минимальное нарушение структуры стали и максимальное совпадение магнитного потока с ориентацией прокатки листов. Механическая прочность применяемых в настоящее время алюминиевых проводов не удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям, поэтому большой интерес представляет вопрос о разработке дешевых алюминиевых сплавов повышенной механической прочности, не уступающих алюминию по электропроводности.

Перспективным также является применение для обмотки трансформаторов алюминиевой фольги, обеспечивающей хороший теплообмен и высокий коэффициент заполнения.

По данным американских фирм, освоивших выпуск трансформаторов с обмотками из фольги, применение в трансформаторах в качестве материала для обмоток алюминиевой оксидированной фольги взамен проводов позволит повысить коэффициент заполнения объема обмотки до .0,4—0,45 вместо 0,3—0,35 (при применении проводов). При этом исключается необходимость увеличения габаритов магнитопровода, что ведет к снижению суммарных потерь, массы и габаритов.

При равных потерях короткого замыкания применение алюминиевой оксидированной фольги. позволит снизить расход алюминия на 5—10%, а также дополнительно снизить потери холостого хода из-за меньших габаритов обмоток, а следовательно, и магнитопровода. Кроме того, обмотки из фольги динамически более устойчивы к коротким замыканиям, чем обмотки из проводов