Transformatory z uzwojeniem aluminiowym

Nr 38 E L E K T R Y K A 11 1961

J E R Z Y SZMIT

Zakłady K o n s t r u k c y j n o Doświ a d c z a l n e Przem. M a s z y n E l e k t r y c z n y c h , Katowice

T R A N S F O R M A T O R Y Z U Z W O J E N I E M A L U M I N I O W Y M

S t r e s z c z e n i e . T r a d y c y j n e r o z w i ą z a n i e k o n s t rukcyj­

ne t r a nsformatora z u z w o j e n i e m aluminiowym. T r a n s f o r ­ mator o w y m i a r a c h d o s t o s o w a n y c h do u z w o j e ń alumi n i o ­ wych. Możl i w o ś ć s k o n s t r u o w a n i a transfor m a t o r a z u z w o ­ jeniem a l u m i n i o w y m o n a p i ę c i u zwarcia i stratach ta­

kich, jak w t r a n s f o r m a t o r z e z u z w o j e n i e m miedzianym.

1. Wstęp. P r z e s ł a n k i ogólne i h i s toria zagadnienia Z astosowanie a l u m i n i u m zamiast mie d z i do wykonania uzwojeń powraca w c i ą ż od sz e r e g u lat jako zagadnienie konstrukcyjne. P r z e s ł a n k ą o g ó l n ą jest tu znaczne r o z p o w ­ szechnienie g l i n u jako pierwi a s t k a : w skorupie ziemskiej glin stanowi ok. 8,1%, m iedź tylko 0,01%. U nas dochodzi jeszcze zagadnienie d ewizowe: m i e d ź kupujemy na zachodzie za wolne dewizy, boksyt o t r z y m u j e m y z Węgi e r drogą trans­

akcji wymiennych. I s t n i e j ą j e d n a k ró w n i e ż poważne tru­

dności na tej drodze: są to t r u d n o ś c i natury techno l o g i c z ­ nej związane z w y k o n a n i e m p o ł ą c z e ń w u z w o j e n i a c h a l umi­

niowych oraz związane z w z r o s t e m k osztów wy t w a r z a n i a trans­

formatorów.

Na szerszą skalę r o z p o c z ę t o s t o sowanie a l u m i n i u m w na­

szym przemyśle w czasie okupacji: przyjęta wó w c z a s m e t o ­ da nie była s z c z ę ś l i w ą i s p o w o d o w a ł a pewne zdysk r e d y t o w a ­ nie całego z a g a d n i e n i a na d ł u ż s z y okres czasu. Obecnie należy już z r e w i d o w a ć u t a r t e poglądy.

2. T r a d y c y j n e r o z w i ą z a n i e k o n s t r u k c y j n e t r a n s f o r m a t o r a

Stosowane dotąd w w i elu k r a j a c h r o z w i ą z a n i e t r a d y c y j ­ ne pol e g a na n a w i n i ę c i u u z w o j e n i a a l u m i n i o w e g o na r d z e ­ n i u z w y m i a r o w a n y m dla u z w o j e ń m i e d z i a n y c h bez zmiany s tr u m i e n i a magnetycznego: n a p i ę c i a r o b o c z e o r a z p r z e k r o ­ je obu u z w o j e ń p o z o s t a j ą bez zmiany, nie u l e g a j ą r ó w ­ nież zmianie straty w żelazie. Straty w u z w o j e n i a c h p o ­ z os t a ć m u s z ą r ównież bez zmiany jeśli t r a n s f o r m a t o r nie ma się n a d miernie nagrzewać: oznacza to k o n i e c z n o ś ć ob­

n i ż e n i a mocy znamionowej t r a n s f o r m a t o r a o d p o w i e d n i o do m n i e j s z e j p r z e w o d n o ś c i aluminium. S t o s u n e k mocy przy u z w o j e n i u a l u m i n i o w y m i m i e d z i a n y m m ożna o k r e ś l i ć w p r z y b l i ż e n i u jak następuje

Ponieważ stosunek mocy z n a m i o n o w y c h t r a n s f o r m a t o r ó w w z n o r m a l i z o w a n y m szeregu mocy R

10

0

8

to k o n i e czność zmniejszenia mocy znamionowej o

1

W y k o n a n y w ten sposób t r a n s f o r m a t o r a l u m i n i o w y ma w p o r ó w n a n i u z t r a n s f o r m a t o r e m m i e d z i a n y m tej samej mocy n a s t ę p u j ą c e własności:

Straty jałowe i o b c iążeniowe p o w i ę k s z o n e w stosunku:

tj. o 18%

Nakład żelaza c z y n n e g o i m a t e r i a ł ó w k o n s t r u k c y j n y c h r o ś n i e rów n i e ż o 18%, nakład r o b o c i z n y o ok.

12

1 kg a l u m i n i u m zastępuje przy tym

N a p i ę c i e zwarcia t r a n s f o r m a t o r a a l u m i n i o w e g o jest r ó w n e 0,8 n a p i ę c i a zwarcia t r a n s f o r m a t o r a m i e d z i a n e g o .

W y n i k a stąd, że param e t r y e k s p l o a t a c y j n e t a k i e g o t r a n s f o r m a t o r a z u z w o j e n i e m a l u m i n i o w y m są mniej k o r z y ­ stne niż t r a n s f o r m a t o r a miedzianego: poza tym m o ż n a w y ­ kazać, że jest on r ó w n i e ż mniej o dDornv na zwarcia.

z u z w o j e n i e m a l u m i n i o w y m

( 1 , 2 5

) 3 / 4

2

2 , 1 8

= 2,18 kg m i e d z i

tj. dla z a s t ą pienia 1 kg mied z i użyć należy

3 0 , 3 6

N a j w y ż s z a temperatura jaką może osiągnąć uzwojenie w czasie zwarcia w sieci nie może p r z e k r o c z y ć 250°C dla

m i e d z i i

200

Przypuśćmy, że przyrost t e m p e r a t u r y uzwojenia ponad olej wynosi przy z n a m i o n o w y m o b c i ą ż e n i u

20

Szybkość wzr a s t a n i a t e m p e r a t u r y u z w o j e n i a m i e d z i a n e ­ go w czasie zwarcia w y r a ż a się w z a ł o ż e n i u a d i a b a t y c z ­ nego przebiegu w z o r e m p r z y b l i ż o n y m

.2 .2

Jz _ ,

1 0 0

125 = ^ uz 125 gdzie:

j - g ęstość p r ą d u u s t a l o n e g o przy zw a r c i u transfor­

matora

jm " gęstość prądu przy o b c i ą ż e n i u z n a m i o n o w y m U napięcie zwarcia w %.

«2\

Dla u z w o j e n i a a l u m i n i o w e g o s z y b k o ś ć w z r o s t u temperatury an alogicznie

2 2

J za ,

1 0 0 , 2

62>5

6 2 ’ 5

Gęstość p rądu w u z w o j e n i u m i e d z i a n y m leży obecnie w t r a n s f o r m a t o r a c h średniej mocy p r z e c i ę t n i e w g r a n i c a c h ok. 3 - 3#5 A / m m : w u z w o j e n i u a l u m i n i o w y m jest ona r ó w ­ nież przy o bniżeniu mocy o

1

T _ca = 0,8 J _m = 2,4 * 2,8 A / m m

2

Napię c i e zwarcia t r a n s f o r m a t o r a a l u m i n i o w e g o jest o 20% niższe od n a p i ę c i a z warcia t r a n s f o r m a t o r a m i e d z i a ­ nego tej samej w i e l k o ś c i

o z n a c z a to, że szybkość w z r a s t a n i a t e m p e r a t u r y u z w o j e ­ nia w t r a n s f o r m a t o r z e a l u m i n i o w y m jest ok. d w u k r o t n i e w i ę k s z a niż w t r a n s f o r m a t o r z e miedzianym. P o n i e w a ż z d rugiej strony wobec r ó w n o ś c i strat j a ł o w y c h i o b c i ą ż e ­ n i o w y c h p rzyrosty tem p e r a t u r y obu t r a n s f o r m a t o r ó w są p r z y o b c i ą ż e n i u z n a m i o n o w y m równe, prze t o d o p u s z c z a l n y c z a s zwarcia t r a n s f o r m a t o r a a l u m i n i o w e g o w y n i e s i e przy t e m p e r a t u r z e otoczenia 40°C i p r z y r o ś c i e t e m p e r a t u r y u z w o j e n i a 60 C

t = (

2 0 0

4 0

60

za J

2

2

za zm

p o d c z a s gdy dla uzwoj e n i a m i e d z i a n e g o

t . (250 - 4 0 - 6 0 )

zm _

4

J J ,

»tąd:

zm zm

t , 3 3 t

za

15 0

_2

Jzm

o z n a c z a to, że dopusz c z a l n y czas z warcia " t r a d y c y j n e g o "

t r a n s f o r m a t o r a po w y m i a n i e u z w o j e n i a na a l u m i n i o w e jest z nacznie krótszy od czasu zwarcia t r a n s f o r m a t o r a m i e d z i a ­ nego. Z pun k t u w i d z e n i a e k s p l o a t a c y j n e g o jest to o c z y ­ w i ś c i e b a r d z o niedogodne.

P o d o b n i e nieko r z y s t n i e w y g l ą d a sprawa w y t r z y m a ł o ś c i me c h a n i c z n e j tran s f o r m a t o r a a l u m i n i o w e g o na siły z w a r ­ ciowe.

Jeżeli oba transformatory, a l u m i n i o w y i m i e d z i a n y m a j ą jednakowe wy m i a r y i liczby zwojów to i l i c z b o w a w a r t o ś ć u s t a l o n e g o i u d a r o w e g o p r ądu zwarcia jest dla o bu ta sama, a wobec ró w n o ś c i prze k r o j ó w w y w o ł u j ą one w u z w o j e n i a c h takie same naprężenie.

Jed n a k w y t r z y m a ł o ś ć m e c h a n i c z n a na r o z e r w a n i e p r z e ­ w o d u a l u m i n i o w e g o w y n o s i ok.

8 - 1 0

2 0

Jak w y n i k a z tych r o z w a ż a ń w ł a s n o ś c i e k s p l o a t a c y j n e t r a n s f o r m a t o r ó w a l u m i n i o w y c h o t a k i c h s a m y c h wymiarach, jakie ma t r a n s f o r m a t o r m i e d z i a n y p r z e d s t a w i a j ą się b a r ­ dz o n i e korzystnie.

3

0 przydatności t r a n s f o r m a t o r a w eksploatacji decydują głównie jego straty jałowe i o b c i ą ż e n i o w e oraz napięcie zwarcia: transformator z u z w o j e n i e m a l u m i niowym powinien mieć z punktu w i d z e n i a e k s p l o a t a c j i takie same straty, jakie ma transformator m i edziany.

Rozważmy więc jakie p o w i n n y być w ymiary tak

zaprojek­

towanego tran s f o r m a t o r a a l u m i n i o w e g o w stosunku do wy­

miarów t r ansformatora m i e d z i a n e g o tej samej mocy.

Jak w iadomo z t e o r i i (E.Jezierski, Transformatory t.II, str.

2 7 7

ciu roboczym, a więc i j e d n a k o w y c h odległościach między uzwojeniami i r d z e n i e m oraz u z w o j e ń między sobą szerokość okna tra n s f o r m a t o r a nie p o w i n n a się r ównież zmienić przy p rzejściu z u z w o j e n i a m i e d z i a n e g o na aluminiowe.

Jeżeli straty u z w o j e n i o w e obu transformatorów mają tyć jednakowe, to s u m a r y c z n y p r z ekrój uzwojenia aluminiowego musi być wi ę k s z y w s t o s u n k u o d w r o t n y m do przewodności

¿ a . 5 x . - 1>ie

*Cu

34

Ponieważ szerokość u z w o j e ń p o z o s t a j e bez zmiany, ozna­

cza to, że d ługość u z w o j e n i a p o w i n n a wzrosnąć o ok.óO%:

n apięcie zwarcia mal e j e przy ty m w tym samym mniej więcej stosunku, jeżeli jednak ma ono po z o s t a ć takie samo, jak w transfo r m a t o r z e al u m i n i o w y m , to trzeba zwiększyć licz­

bę zwojów u zwojenia w s t o s u n k u

f a i Z Cu

= \ 7 ^ = \| 1,68 = 1,29

A przy zachowaniu tego samego k s z t a ł t u przekroju kolumny i tej samej indukcji ś r e d n i c a k olumny powinna wynosić

D ł u g o ś ć kolumny tran s f o r m a t o r a alumin i o w e g o będzie ze w z g l ę d u na wpływ w s t a w e k k o ń c o w y c h ok. 1,5 r a z y w i ę k s z a od d ł u g o ś c i kolumny przy miedzi, a straty w k o l u m n a c h zmieniają się przy tej samej in d u k c j i p r o p o r c j o n a l n i e do o b j ę t o ś c i kolumny

““ W . 0 > 8 9 2 . 1 , 5 - 1 , , 8 A PzK Cu

S t r a t y w k o l u m n a c h będą więc o ok.1 8 % w iększe niż przy miedzi.

Przy z a c howaniu tego samego dla obu t r a n s f o r m a t o r ó w w s p ó ł c z y n n i k a w z m o c n i e n i a jarzma

a s j a 1 =

1 SK A 1 SKCu

i tej samej indukcji s t o sunek strat w jarzmie

j p ziAl

2

= 0,89 = 0,79 zjCu

O z n a c z a to, że straty w jarzmie zaleją o ok.20%. J e ż e l i straty w j a r zmach były w t r a n s formatorze m i e d z i a n y m r ó w n e stratom w kolumnach, to stosunek c a ł k o w i t y c h strat w żelazie będzie

, _ P.,.72 .+_hlB _ I

ZL _

„ "

1

1 " 2

O z n a c z a to, że straty w żelazie t r a n s f o r m a t o r a a l u m i n i o ­ w e g o b ę d ą pr a k t y c z n i e równe s tratom w żelazie t r a n s f o r ­ m a t o r a miedzianego. Ciężar żelaza c z y nnego zmienia się przy stałej indukcji tak samo jak straty tj. pozostaje zg r u b s z a taki sam jak przy miedzi.

O b l i c z m y s t o sunek g ę s t o ś c i p rądu z w a r u n k u r ó w n o ś c i o p o ­ ró w c z y n n y c h przy 75 C

ZA1 * 1 sr 245 + 75 Z Cu * 1 sr 235 + 7 5

34

245

1 5

57

2 3 5

15

Stąd przy zAl = 1,29 . z Cu o t r z y m u j e m y s

A1

JA1 = ° * 4 7 5 J Cu

C i ę ż a r uzwojenia a l u m i n i o w e g o wynika z równości strat w uzwojeniach

2 ' 44

A1

a stąd G

A1

Nakład alum i n i u m jest przy t a k i m r o z w i ą z a n i u konstruk­

c y j n y m znacznie w i ę k s z y niż w dawnej k o n s t rukcji dla której G

a 1

0, 3 6

Podane wyżej r o z u m o w a n i e i w y p r o w a d z o n e liczby mają oczywiście charakter p r z y b l i ż o n y . Poniżej podano zesta­

wienie o bliczonych ściśle w i e l k o ś c i charakterystycznych d w ó c h transformatorów 160 kVA przy u z w o j e n i u miedzianym i a l u m i n i o w y m i przy r d z e n i u z b l a c h y zimnowalcowanej 0,8 W/kg.

Mater. uzwojenia Cu Al

Straty jałowe 655 660 W

Straty obciąż e n i o w e 3350 3025 W

Napięcie zwarcia 5,97 5,85%

Ciężar b l ach rdz e n i a 340 327 kg

Ciężar uzwoj e n i a

122 90

Ciężar oleju 448 499 kg

Średnica kolumny 152 135 mm

Długość kolumny 450 680 mm

Rozstaw osi 335 335 mm

<Iak widać z tych liczb r a c j o n a l n i e zaprojektowany transformator z u z w o j e n i e m a l u m i n i o w y m może mieć takie same straty jałowe i o b c i ą ż e n i o w e oraz napię c i e zwarcia, przy czym nakład b l a c h y m a g n e t y c z n e j r ó w n i e ż nie jest większy.

Pozostaje jeszcze s p r a w d z i ć jego z a chowanie się przy zwarciach. Gęstość prądu w u z w o j e n i u a l u m i n i o w y m

h l -

° * 475

2

jest więc znacznie niższa, niż przy r o z w i ą z a n i u

tradycyjnym. .

Szybkość n a r astania temperatury w u z w o j e n i u a l u minio wym:

2

I s ń l . (ISO) £A1_ _ ięu_ .

„

,475 - 0,45 T J P

62,5

; 62,5 “ V

' 125 °

jest zgrubsza o połowę mniejsza niż w u z w o j e n i u m i e d z i ą n y m

Vi»Al = ° » 45y^

Stąd czas potrzebny do os i ą g n i ę c i a przy z w a r c i u t e m ­ peratury 200°C.

t .. =

(200

zAl

V^A 1

T e n sam czas dla uzwojenia mie d z i a n e g o i d o p u s z c z a l n e j temper. 250°C

tZCu = (250 - 40 - 60) = ^ 0

ZCu Y ^Ct \*C u

Stąd

t zAl = t zCu — ^ --- - 1 5 t 0 , 4 5 . 1 5 0

1 , 5

Z a t e m dopusz c z a l n y czas zwarcia t r ansformatora a l u m i ­ n i o w e g o jest dłuższy niż przy u z w o j e n i u m i e d z i a n y m i nie zachodzi potrzeba p r z e s t a w i a n i a przekaźników c z a s o ­ wy c h w wyłącznikach.

Prądy zwarcia t r a n s f o r m a t o r a aluminiowego i m i e d z i a ­ nego są w o bec r ó w n o ś c i napięć zwarcia równe.

W g Transformatorów J e z i e r s k i e g o t. 1 str.218 siła p ro m i e n i o w a

P = 2,04 . 10‘ 8 ( Jz )2 K

Z atem stosunek sił p r o m i e n i o w y c h w obu transformatorach

P., z . , „ K . . _ K -

A1 _

^ — _

p o A 1

*Cu = zCu ‘ K Cu = ’ K Cu

S t o s u n e k -— waha się w n i e z b y t szerokich granicach K Cu

i w pierw s z y m p r z y b l i ż e n i u m o ż n a przyjąć, że równa się on ok.

2

3

PA l 2 2

=

1 »29

1 , 1

Cu

3

Naprężenie r o z r y w a j ą c e będz i e odwro t n i e proporcjonalne do sumarycznego p r z e k r o j u i p r o p o r c j o n a l n e do siły P.

Ponieważ s t o sunek w y t r z y m a ł o ś c i na rozerwanie alumi­

nium i mied z i jest r ó w n y o k .

0 , 5

pieczeństwa na r o z e r w a n i e przy z warciu ud a r o w y m będzie zgrubsza taki sam.

Jak stąd w y n i k a r a c j o n a l n i e z a p r o j e k t o w a n y transforma­

tor alum i n i o w y nie jest przy zwa r c i u raniej wytrzymały od m i e d z i a n e g o tak pod w z g l ę d e m w y t r z y m a ł o ś c i termicz­

nej, jak i dynamicznej.

4. W n i o s k i

Podane wyżej r o z w a ż a n i a i w y n i k i o b l i c z e ń dowodzą, że możliwe jest s k o n s t r u o w a n i e transformatora, z uzwoje­

n i e m w y k o n a n y m z aluminium, kt ó r e g o straty i napięcie zwarcia był y b y równe s t r a t o m i n a p i ę c i u zwarcia trans­

forma t o r a z u z w o j e n i e m m i e d z i a n y m . Nakład blachy trans­

fo r m a t o r o w e j może być r ó w n i e ż taki sam, a koszt ogólny, d z i ę k i niższej cenie m a t e r i a ł u nawojowego, niewiele tyl­

ko r ó żni się od kosztu w y t w a r z a n i a t r a n s f o r m a t o r a z u z w o ­ j e n i a m i na w i n i ę t y m i miedzią, natom i a s t dość znacznie w i ę ­ ksza jest p r a c o c h ł o n n o ś ć uzwojeń.

Po n i e w a ż w ł a s n o ś c i termiczne i w y t r z y m a ł o ś ć przy z w a r ­ c i u tak za p r o j e k t o w a n e g o tran s f o r m a t o r a a l u m i n i o w e g o są n a w e t nieco lepsze od o d p o w i e d n i c h w ł a s n o ś c i t r a n s f o r ­ m a t o r a miedzianego, przeto obie ko n s t r u k c j e uznać n a l e ż y z p u n k t u w i d zenia eksplo a t a c j i za r ó w n o w a r t o ś c i o w e i nic ni e stoi na p r z eszkodzie do szerokiego z a s t o s o w a n i a trans­

f o r m a t o r a alumin i o w e g o w praktyce energetycznej.

Pewne p o p rawki w tym r a c h u n k u w p r o w a d z i ć m o g ą j eszcze ty lko w z ględy ekonomiczne związane z w i ę k s z ą p r a c o c h ł o n ­ n o ś c i ą transformatora al u m i n i o w e g o i wynikają.ce stąd za­

g a d n i e n i e opłacalności ich wytwarzania, ale to jest j u ż

o ddzielne zagadnienie.

\

TpaH Cc£>OpM aTO pbI C aJIIOMMHHeBbIMM OÖM OTKaM M

KjiaccHHecKMe peinemiH æjih ajiK)MHHneBbix

c

æjih

L es transform ateurs â l ’alum inium

Solution tradition elle et solution nou velle, ayan t pour b u t les

transform ateurs a l ’alum inium avec les param ètres inchangées des

transform ateurs â cuivre.