Медные и алюминиевые обмотки распределительных трансформаторов — техническое сравнение

Материал обмотки — один из немногих действительно открытых вопросов при формировании технического задания на распределительный трансформатор. И медь, и алюминий позволяют изготовить трансформаторы, отвечающие одним и тем же стандартам и имеющие одинаковые гарантии. Различия касаются габаритов, массы, стоимости и ряда конструктивных следствий, которые стоит понимать до принятия решения.

Различия в физических свойствах

Всё остальное определяется двумя цифрами. Проводимость алюминия составляет 61 % от проводимости меди, поэтому алюминиевой обмотке требуется примерно в 1,6 раза большее сечение для передачи того же тока при тех же потерях. Но удельная масса алюминия составляет лишь 30 % от массы меди, поэтому, несмотря на больший проводник, готовая алюминиевая обмотка всё равно примерно вдвое легче медного аналога.

Следствия для трансформатора

Вопрос потерь

Наиболее распространённое заблуждение состоит в том, что алюминиевые обмотки автоматически означают менее эффективный трансформатор. Это верно только в том случае, если конструкция в остальном оставлена без изменений.

Нагрузочные потери пропорциональны I²R. Если увеличить сечение проводника в отношении удельных сопротивлений, сопротивление возвращается к значению медного аналога, и нагрузочные потери совпадают. Меняются физические габариты машины, а не её КПД.

На практике изготовители проектируют под заданный уровень потерь — стандартный, Ecodesign Tier 1 или Tier 2 — и подбирают размеры проводника соответственно. Оба материала позволяют достичь любого из этих уровней. См. Значения потерь по Ecodesign для масляных трансформаторов— применимые предельные значения.

Стойкость к токам короткого замыкания

Более высокий предел прочности меди даёт ей преимущество в противодействии электродинамическим усилиям, возникающим при сквозном коротком замыкании. Эти усилия пропорциональны квадрату тока КЗ и могут быть весьма значительными — см. Расчёт тока короткого замыкания трансформатора — типовые уровни токов КЗ.

Это не исключает применение алюминия. Стандарт IEC 60076-5 устанавливает одинаковые требования по стойкости для обоих материалов, и трансформаторы с алюминиевыми обмотками, отвечающие этим требованиям, выпускаются во всём мире в большом количестве. Речь идёт о том, что конструкция должна это компенсировать: более мощная осевая опрессовка, повышенное внимание к креплению обмоток и выбор геометрии проводника с учётом не только электрических, но и механических характеристик.

Там, где уровни токов КЗ необычно высоки или где трансформатор будет подвергаться частым сквозным коротким замыканиям, медь даёт запас, который стоит принимать во внимание.

Соединения и присоединения

Алюминий требует большего внимания в местах контакта с другими металлами. Возникают две проблемы:

• Оксидная плёнка — на воздухе алюминий покрывается изолирующей оксидной плёнкой. Соединения необходимо подготавливать и выполнять так, чтобы разрушить эту плёнку и предотвратить её повторное образование.
• Гальваническая и тепловая несовместимость — прямые соединения алюминия с медью подвержены коррозии и ослаблению из-за разного теплового расширения. Эта проблема решается биметаллическими соединителями или наконечниками с покрытием.

Это давно отработанные практики, а не препятствия. Выводы трансформатора рассчитываются под заданный материал обмотки, а монтажнику необходимо применять соответствующие кабельные наконечники и крепёж.

Когда выбирать медь

• Пространство действительно ограничено — помещения подстанций, контейнерные установки, замена оборудования в существующих корпусах
• Высокие или частые сквозные короткие замыкания
• Большой ожидаемый срок службы, когда стоимость лома учитывается в совокупных затратах
• Этого требует техническое задание или стандарт сетевой компании
• Трансформатор будет подвергаться частым циклам нагрева и охлаждения

Когда выбирать алюминий

• Определяющим фактором являются первоначальные затраты
• Ограничена масса при транспортировке или подъёме — удалённые объекты, ограниченная грузоподъёмность крана, установка на опорах
• Имеется место для физически более крупного агрегата
• Обычный режим распределительной сети без исключительных токов КЗ
• Крупносерийные проекты, где разница в стоимости единицы суммарно становится значительной

Совокупная стоимость владения

Разница в цене приобретения видна сразу. Разница в эксплуатационных затратах — нет, и она целиком зависит от того, спроектированы ли оба агрегата на одинаковый уровень потерь.

Если оба трансформатора соответствуют Ecodesign Tier 2, их потребление энергии за 25 лет практически одинаково, и более низкая цена алюминиевого агрегата является реальной экономией. Если же алюминиевый агрегат заказан со стандартными потерями, а медный отвечает Tier 2, разница в стоимости энергии за срок службы трансформатора многократно превысит первоначальную экономию.

Совокупные затраты за срок службы определяет не материал, а класс потерь.