Обмотки трансформатора почти полностью изготовлены из меди, в частности из меди высокой проводимости. Медь имеет множество применений в электротехнической промышленности. Помимо превосходных механических свойств, медь обладает самой высокой электропроводностью среди промышленных металлических материалов. Медь имеет важное значение в трансформаторах, поскольку ее хорошие характеристики позволяют уменьшить объем обмотки и минимизировать потери на нагрузке.
1. Потеря нагрузки
Потери нагрузки трансформатора — это часть потерь, вызванных током нагрузки, которая зависит от квадрата тока нагрузки. Ток нагрузки можно разделить на три части:
1) Потери сопротивления в обмоточных проводах и выводах;
2) Вихревые токи потерь обмоточных проводов;
3) Потери от вихревых токов топливных баков и элементов стальных конструкций.
Уменьшение количества витков обмотки, увеличение-площади поперечного сечения провода или сочетание того и другого могут снизить потери на сопротивление. Уменьшение количества витков требует увеличения площади поперечного сечения-железного сердечника, но следствием этого является увеличение веса и потеря железного сердечника. Таким образом, снижение потерь нагрузки можно заменить увеличением потерь на холостом ходу, и наоборот. Увеличение размера каркаса с железным сердечником требует уменьшения высоты обмотки для компенсации импеданса, чтобы сопротивление оставалось постоянным. Хотя частичная компенсация импеданса уменьшит количество витков (исходная цель). Уменьшение осевой высоты обмотки означает уменьшение высоты колонны с железным сердечником, что также может в некоторой степени компенсировать увеличение веса железного сердечника, вызванное увеличением размера корпуса. Таким образом, изменение потерь, соответствующее одному или двум размерам рамы, не является значительным, поэтому можно выбрать оптимальную раму с железным сердечником, отвечающую другим требованиям, таким как фиксированное соотношение потерь нагрузки или требования к высоте транспортировки.
Путь вихревых токов обмоточных проводов очень сложен. Поток рассеяния обмоток трансформатора может вызвать изменение радиального и осевого потока обмоток в любом заданном пространстве и в любой момент. Изменения магнитного потока индуцируют напряжение, которое заставляет ток течь в направлении, перпендикулярном изменению магнитного потока. Увеличение сопротивления пути тока может уменьшить амплитуду тока или этого можно достичь за счет уменьшения общей площади поперечного сечения обмоточных проводов или разделения обмоточных проводов на множество изолированных пучков проводов (аналогично тому, как штабелированные железные сердечники могут уменьшить потери на вихревые токи в железных сердечниках). Первое увеличивает общее сопротивление обмотки, что, в свою очередь, увеличивает резистивные потери. Напротив, если общая площадь поперечного сечения- провода увеличивается для уменьшения резистивных потерь, результатом неизбежно будет увеличение потерь на вихревые токи. Поэтому разрешить это противоречие можно только за счет уменьшения площади поперечного сечения жил проводов и увеличения общего числа жил. Стоимость параллельной намотки проводов высока, поэтому производители надеются ограничить общее количество параллельных жил, а увеличение количества жил приведет к увеличению изоляционного слоя, что приведет к ухудшению рабочего цикла намотки.
Уменьшение размера имеет решающее значение для любого компонента электрооборудования. Особенно это касается обмоток трансформатора. Размер обмотки трансформатора определяет размер трансформатора. Как упоминалось выше, обмотка должна иметь большую-площадь поперечного сечения для достижения приемлемого уровня потерь нагрузки не только потому, что потери являются потерями для пользователей, но и потому, что тепло, выделяемое в результате потерь, должно рассеиваться через каналы охлаждающего масла. Если потери увеличиваются, необходимо предусмотреть больше места для прохода масла, что также увеличит размер обмотки и размер железного сердечника. Увеличение размера железного сердечника приведет к увеличению потерь на холостом ходу железного сердечника. Кроме того, по мере увеличения размера намотки необходимо соответственно увеличивать и масляный бак, что приводит к увеличению расхода масла и постепенно влияет на весь производственный процесс. Напротив, уменьшение размеров обмотки часто приводит к уменьшению габаритов трансформатора, что, в свою очередь, позволяет сэкономить на других аспектах. В качестве материала, который наиболее экономично соответствует вышеуказанным общим стандартам и который можно приобрести на коммерческом рынке, медь с высокой проводимостью, естественно, становится предпочтительным выбором для материалов обмоток трансформатора.
Потери на вихревые токи в топливных баках и внутренних компонентах стальных конструкций, таких как зажимы с железным сердечником, вызваны магнитным потоком утечки, а контроль потерь на вихревые токи в основном включает в себя контроль магнитного потока утечки.
В 1960-е годы был период быстрого роста цен на медь, и люди пытались заменить медь алюминием, который был намного дешевле меди, в различных электрических устройствах. Действительно, в тот период использование алюминия для изготовления кабелей было очень распространено, и с тех пор планировалось продолжать его использование. Однако, хотя некоторые очень большие обмотки трансформаторов изготавливаются из алюминиевых проводов, что в основном поощряется производителями алюминия, практика показала, что использование алюминиевых материалов в больших силовых трансформаторах имеет много недостатков.
Алюминий подходит только для некоторых аспектов трансформаторов, наиболее заметными из которых являются обмотки из фольги, которые требуют герметизации смолой. При этом коэффициент теплового расширения алюминия ближе к смоле, чем к меди. Поэтому смола редко трескается при нагрузке.
Ресурсы добычи меди богаты по всему миру. Выдающимся преимуществом меди является то, что ее легко перерабатывать. Его легко извлекать и перерабатывать из отходов, предотвращая ненужную разработку минеральных ресурсов. Медь с высокой проводимостью имеет широкий спектр применения в электротехнической промышленности. Можно перечислить большое количество различных типов меди, но большинство электротехнических предприятий выбирают электролитически прочную медь (Cu-ETP-2) или медь CH-ETP1 более высокого качества. Первая представляет собой медь с высокой проводимостью (содержащую кислород-), прошедшую электролитическое рафинирование для уменьшения примесей, с общим уровнем примесей ниже 0,03%. В Великобритании Cu-ETP-2 – это литая медь, а C101 — кованая медь. Этот тип меди легко поддается обработке, придавая ему различные формы, и может подвергаться горячей или холодной обработке. В процессе горячей обработки нелегко расколоться, поскольку элементы свинца и висмута, вызывающие трещины, ограничены в определенном диапазоне; Последний Cu-ETP-1 — литая медь, а C100 — кованая медь. Эти два материала используются производственными предприятиями из-за их преимуществ, заключающихся в возможности обработки на современных высокоскоростных прокатных и волочильных станках, а также возможности отжига в режиме онлайн. Эта медь является отличным сырьем для изготовления различных эмалированных проводов. В процессе производства этих эмалированных проводов необходим постоянный низкотемпературный отжиг для обеспечения хороших свойств при повторной обработке.
2. Процесс производства меди высокой проводимости.
Как уже говорилось выше, медь добывают и рафинируют во многих странах мира. Литые медные изделия металлургических заводов бывают различной формы, в зависимости от типа полуфабриката, подлежащего дальнейшей обработке. Катодная электролитическая медь представляет собой продукт электролитического рафинирования меди. Перед использованием его необходимо переплавить, а затем отлить в разные «формы плавильного изделия». Заготовку применяют для горячего прессования, медные слитки – для прокатки медных пластин, прутки – для прокатки медных стержней, медные прутки – для протягивания медных проволок. Изменение размера электролитической меди определяется плавильным заводом. В общем, он пластинчатый-образный, размерами 1200мм*900мм и весом 100-300кг.
Диаметр медных слитков обычно составляет 200 мм, а длина не превышает 750 мм, чтобы их можно было поместить в коробку горячего прессования. После общего горячего прессования медные слитки (или медные блоки) необходимо вытянуть до необходимого размера с помощью многопроходного волочильного станка, который можно прессовать в медные пластины, медные листы, медные полосы и медную фольгу. В настоящее время почти все медные слитки отливаются непрерывно. Обычно горячая прокатка осуществляется толщиной от 150 мм до 9 мм, после чего следует холодная прокатка.
После горячей прокатки медные пластины превращаются в заготовки медной проволоки, которые необходимо отливать горизонтально, чтобы на поверхности появился оксидный слой. Теперь можно непрерывно отливать вертикально с помощью подвешенной на оборудовании пилы, чтобы отрезать их на определенную длину, но в настоящее время такая практика используется редко.
Заготовка из медной проволоки представляет собой медный материал, свернутый в спираль диаметром 6–35 мм (обычно 9 мм), который можно растянуть для изготовления медной проволоки. Некоторое время вес прокатанных заготовок из медной проволоки был ограничен 100 кг, что соответствует весу партии медных пластин, прокатанных в заготовки из медной проволоки. Поэтому, прежде чем отправлять заготовку из медной проволоки на машину непрерывного волочения проволоки, следует использовать дуговую сварку для сварки дисков вместе.
В настоящее время электролитическая медь плавится непрерывно в вертикальной печи, а затем, под строгим контролем концентрации кислорода, направляется расплавленная медь в форму непрерывного формования. Сырьевые материалы, сформированные в форме, затем непосредственно вводятся в многопортовый стан горячей прокатки. Полученные таким образом заготовки медной проволоки могут весить несколько тонн каждая пластина. Чтобы облегчить последующую волочение проволоки, эти заготовки медной проволоки необходимо отправить на высокоскоростной-прокатный стан, который проводит ступенчатый отжиг прокатанных заготовок тонкой медной проволоки со скоростью производственной линии посредством резистивного нагрева. Этот метод заменяет предыдущий метод периодического отжига и показал значительную экономическую выгоду, но для него требуется медь неизменно высокого-качества.
3. Электрические и термические свойства меди.
Медь является не только хорошим проводником электричества, но и хорошим проводником тепла. Стандартом для оценки других проводников является «Международный стандарт на отожженную медь», опубликованный в 1913 году, в котором говорится, что медь имеет проводимость 100%.
4. Медный сплав с высокой проводимостью.
Существует множество медных сплавов и медных сплавов с высокой проводимостью, каждый из которых имеет свое особое применение в различных типах силовых устройств. Большинство элементов имеют определенную растворимость в меди. И эти нерастворимые вещества почти не влияют на проводимость, и их часто добавляют для улучшения механической обработки и других свойств меди с высокой проводимостью.
На сегодняшний день наиболее полезным сплавом для конструкторов трансформаторов является серебро-медь. Добавление серебра в чистую медь значительно повысит температуру ее размягчения и практически не повлияет на проводимость. Минимальное количество серебра, добавляемого в обычные серебряно-медные сплавы, составляет 0,01 %, что может обеспечить необходимую механическую прочность медных обмоток трансформатора, выдерживать силы короткого-замыкания, создаваемые внешними неисправностями и короткими замыканиями во время работы, а также улучшать другие механические свойства меди, особенно сопротивление утечки. Недостатком этого материала является то, что после добавления серебра его твердость увеличивается, что затрудняет намотку, поэтому его использование ограничивается трансформаторами очень большой мощности, требующими чрезвычайно высокой механической прочности.
Более подробную информацию о электротехнической меди, включая ее извлечение, а также ее электрические и механические свойства, можно получить из буклета «Медь с высокой проводимостью», выпущенного Британской ассоциацией развития меди. Предыдущие описания меди были основаны на этой брошюре.
5. Медный обмоточный провод.
Медная проволока, используемая в обмотках трансформатора, почти полностью представляет собой медную проволоку-или медную полосу прямоугольного поперечного сечения в соответствии с европейским стандартом EN13601:2002 «Медь и медный диэлектрик, золото, медный стержень и медная проволока для общего электротехнического использования». Помимо указания требований к чистоте, округлению, удельному сопротивлению и запасу размеров для медных проводников, в приложении также перечислены рекомендуемые размеры. Обмотка из круглого медного провода имеет меньший рабочий цикл и меньшую механическую стабильность по сравнению с обмоткой из плоского медного провода. Круглый медный провод обычно используется только в небольших распределительных трансформаторах среднего напряжения, а круглый провод имеет форму эмалированного провода. Обмотки специального типа должны быть намотаны медным проводом круглого сечения.
