Студент Бєлкін С.В., асистент Коваленко М.А.
Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»
Розрахунок та порівняння параметрів трансформатора при використанні алюмінієвих та мідних обмоток

Заміна мідних обмоток алюмінієвими повинна містити необхідне технічне та економічне обґрунтування.

Алюміній є основним матеріалом для обмоток сухих трансформаторів потужністю більше 15 кВА. Основною причиною вибору алюмінієвих обмоток є їх низька вартість. Алюміній має велику пластичність і легше піддається зварці. Проте, надійні з'єднання алюмінію вимагають більше знань і досвіду з боку збирачів силових трансформаторів, ніж це потрібно для мідних з'єднань.

Технічні аргументи в електротехнічній промисловості про переваги і недоліки алюмінію в порівнянні з міддю постійно змінюються протягом багатьох років. Основні відмінності між матеріалами мідних та алюмінієвих обмоток характеризуються чотирьма основними властивостями, що приведені в табл. 1.

Таблиця 1 – чотири характерні відмінності між міддю та алюмінієм для трансформатора із заданими параметрами

Параметр	Алюміній	Мідь
Коефіцієнт розширення, при 20 ° с	23	16,6
Теплопровідність, при 20 ° с	126	222
Електропровідність %,  при 20 ° с	61	101
Міцність на розрив, н/мм^2	28-42	40

Коефіцієнт розширення. При зміні температури алюміній розширюється майже на третину більше, ніж мідь. Це розширення, поряд з пластичним характером алюмінію, викликає деякі проблеми для неналежно встановлених болтових з'єднань. Використовуючи чашоподібні або притискні шайби можна забезпечити необхідну еластичність при з’єднанні, без стиснення алюмінію. При використанні належної арматури алюмінієві з’єднання, можуть бути рівними за якістю мідним.

Теплопровідність. Оскільки, теплопровідність міді вище ніж алюмінію то це впливає на зниження температури обмотки трансформатора. Це вірно тільки тоді, коли провідники обмоток з міді та алюмінію однакового розміру, геометрії та форми. Отже, для будь-якого силового трансформатора заданого розміру, теплові характеристики теплопровідності алюмінію можуть бути дуже близькі міді. Для алюмінієвих обмоток для досягнення тієї ж самої електропровідності як у міді, вона повинна бути приблизно на 66 % більше за площею поперечного перерізу.

Електрична провідність. Часто говорять про неповноцінність провідності алюмінію. Алюміній має нижчу провідність ніж мідь, що призводить до більш високих втрат в обмотках трансформаторів. Щоб утримати температуру в певному класі ізоляції, трансформатори з алюмінієвими обмотками розробляють з провідниками більшої площі поперечного перерізу ніж мідь.

Виробники трансформаторів сухого типу для низької напруги змінюють основні розміри магнітного осердя при переході від алюмінію до міді, так що втрати в осерді залишаються приблизно однаковими, незалежно від обмоткового матеріалу. Якщо однакової ефективності можна добитися шляхом зміни розмірів намотувального проводу та основні втрати залишаються тими ж, немає ніяких практичних підстав очікувати , що один дизайн трансформатора , більш ефективний, ніж інші. Різниця у вартості між міддю і алюмінієм часто дозволяє забезпечити алюмінієві провідники більшого перерізу, що призводить до зниження втрат холостого ходу при менших матеріальних затратах, ніж якби були використані мідні провідники.

Механічна міцність. Більш низька міцність на розтягування і межа плинності алюмінію має деякі незручності з приводу його використання при циклічних навантаженнях. Як зазначалося раніше, щоб забезпечити рівні умови трансформаторам з алюмінієвими обмотками необхідно мати обмотки площею поперечного перерізу більше, ніж трансформаторів з мідними обмотками. Використання великих розмірів провідників призводить до показників алюмінієвої обмотки майже рівним мідною. Здатність трансформатора протистояти довготривалим механічним впливам стрибків навантаження більше залежить від відповідного балансу обмотки і кріплення з'єднувальних проводів ніж від вибору провідника.

І мідь і алюміній схильні до окислення або іншим хімічним змінам під впливом атмосфери. Окис алюмінію є дуже хорошим ізолятором, в той час як оксид міді, хоча і не вважається хорошим провідником, але не так "проблематичний" в болтових з'єднаннях. Зачистка контактів разом з якісним з'єднанням дозволяють запобігти окисленню. Ці рекомендації відносяться до будь-якого провідного матеріалу, просто вони більш істотні для алюмінію.

Загалом, болтові з'єднання з алюмінію без покриття з міддю не рекомендуються. Хоча є кілька надійних зварювальних та вибухових технологій для з'єднання цих двох металів, але вони, в даний час, майже не використовуються у виробництві силових трансформаторів . Більшість болтових з'єднань алюмінію з міддю виконані із застосуванням срібла або лудіння. У більшості кабельних з'єднань до трансформаторів з алюмінієвими обмотками використовуються алюмінієві наконечники з покриттям олова. Ці наконечники спеціально призначені для з'єднання мідного дроту з будь-яким металом. Ця практика є загальноприйнятою і показала свою надійність в експлуатації трансформаторів з алюмінієвими обмотками.

Існують кілька аргументів, які сприяють використанню алюмінію. Один з них базується на різних методах виконання мідних і алюмінієвих сполук. Внутрішні з'єднання обмоток трансформатора, виконані міддю, як правило, паяні, тоді як же з'єднання алюмінію зварюються з використанням інертного газу. Технічно, метод паяння робить мідне з'єднання менш провідним ніж мідь. Зварювання алюмінію в інертному газі дає суцільний алюміній, з'єднаний без втрати провідності. Крім того, існують ствердження, що протягом довгого часу мідний окис продовжує формуватися, відшаровуючи зовнішню мідь і в кінцевому рахунку пошкоджуючи весь провідник. З іншого боку, алюмінієвий окис формує стійке, захисне покриття на відкритих металевих поверхнях, перешкоджаючи окисленню вже через кілька мільйонних часток сантиметра. Так, можливі певні проблеми при експлуатації трансформатора в корозійних атмосферних або екстремальних навантажувальних умовах.

Єдина причина, щоб віддати перевагу міді – обмеженість простору. Намотаний міддю трансформатор може бути меншого розміру ніж намотаний алюмінієм.

Література:

1. Васьковський Ю.М. «Польовий аналіз електричних машин»

2. Тихомиров П. М. "Расчет трансформаторов"