Трансформатор с алюминиевыми обмотками подходит для тяжелых нагрузок, если его номинальная мощность, превышение температуры обмоток, система охлаждения и соединения проверены с учетом фактических условий эксплуатации. Длительная работа при высокой нагрузке допустима для алюминиевых обмоток при условии, что конструкция учитывает более высокое электрическое сопротивление алюминия, а система охлаждения установки способна отводить выделяемое тепло. Пригодность трансформатора вызывает сомнения, если выбор основан только на номинальной мощности в кВА, обозначении класса изоляции или неподтвержденном заявлении о допустимости перегрузки.

Решающим подтверждением служит тепловой расчет, привязанный к профилю нагрузки и подкрепленный применимыми результатами испытаний. При расчете необходимо учитывать температуру окружающей среды, гармоники, несимметрию фаз и доступное во время эксплуатации охлаждающее оборудование.

Определите, что означает тяжелая нагрузка, прежде чем сравнивать материалы обмоток

Трансформатор, питающий оборудование для непрерывного технологического процесса, испытывает другую тепловую нагрузку, чем трансформатор, питающий электродвигатели с периодическими пусками. При длительной нагрузке температура обмоток приближается к установившемуся рабочему уровню. Кратковременный пик начинается с температуры, установившейся после предыдущей нагрузки, поэтому один и тот же пиковый ток может иметь разные последствия в разное время суток.

Зафиксируйте полную мощность, ток в каждой фазе, длительность пиков и интервалы восстановления. Одной только активной мощности недостаточно: низкий коэффициент мощности увеличивает ток при той же полезной мощности. Среднее значение нагрузки также может скрывать высокую нагрузку на одну фазу или повторяющиеся пики, между которыми остается мало времени для охлаждения.

Пуск электродвигателей предъявляет отдельное требование. С учетом импеданса трансформатора и параметров питающей сети он должен обеспечивать приемлемое напряжение во время разгона. Одна лишь повышенная тепловая мощность не гарантирует успешный запуск двигателя. Повторные пуски также вызывают нагрев, который не отражается в простом среднесуточном значении мощности в кВА.

Поэтому техническое задание на режим работы должно описывать максимальную длительную нагрузку, повторяющиеся переходные нагрузки и одновременно возникающие условия окружающей среды. Будущий рост нагрузки следует указывать явно, а не подразумевать под неопределенным требованием «для тяжелых условий эксплуатации».

Для алюминия необходимы подходящий проводник и конструкция обмотки

Электрическое сопротивление алюминия выше, чем у меди. Чтобы при сопоставимой температуре получить такое же сопротивление при одинаковой длине проводника, алюминиевый проводник должен иметь большее поперечное сечение. Трансформатор, спроектированный с учетом этого требования, может обеспечить заданные потери нагрузки и превышение температуры. Замена медного проводника алюминиевым в конструкции, рассчитанной на прежние размеры, изменит эти показатели.

Увеличение сечения проводника влияет на геометрию обмотки, расстояния между элементами изоляции, охлаждающие каналы и доступное пространство в окне магнитопровода. Эти параметры взаимосвязаны: увеличение сечения проводника при ограничении воздушного потока может свести на нет ожидаемое улучшение тепловых характеристик. Сравнивайте готовые конструкции трансформаторов по гарантированным характеристикам, а не исходя из предположения, что эффективность определяется материалом проводника.

При длительной работе с высокой нагрузкой особое внимание следует уделить потерям нагрузки, поскольку при неизменном сопротивлении их омическая составляющая увеличивается приблизительно пропорционально квадрату тока. Само сопротивление растет по мере нагрева обмотки. Сравнивайте заявленные потери при одинаковой опорной температуре и номинальных параметрах: значения, указанные для разных условий, напрямую несопоставимы.

Потери холостого хода имеют значение, когда трансформатор находится под напряжением при низкой нагрузке, однако низкие потери холостого хода не компенсируют чрезмерный нагрев обмоток при длительной работе с высоким током. Соотношение этих потерь должно соответствовать фактическому графику эксплуатации.

Тепловые характеристики должны соответствовать условиям установки

Данные о превышении температуры должны относиться к предлагаемой конструкции обмоток, корпусу и режиму охлаждения. Испытание при беспрепятственной вентиляции не подтверждает аналогичные характеристики внутри помещения с ограниченным воздухообменом. Охлаждающий воздух должен поступать к трансформатору и отводить тепло, не циркулируя многократно через обмотки.

Для трансформатора сухого типа на охлаждение влияют вентиляция помещения, отверстия в корпусе, зазоры и скопление пыли. На большой высоте плотность воздуха снижается, поэтому необходимо проводить оценку в соответствии с применимыми расчетными условиями. Температуру окружающей среды следует оценивать в месте поступления охлаждающего воздуха в оборудование, особенно если расположенные поблизости машины повышают локальную температуру.

Номинальные характеристики при естественном и принудительном воздушном охлаждении следует указывать отдельно. Если требуемая выходная мощность обеспечивается вентиляторами, их отказ изменяет доступную мощность. В техническом задании следует определить допустимую нагрузку без принудительного охлаждения и порядок действий при потере вентиляции. Аварийные сигналы и уставки отключения по температуре должны быть согласованы с этим пределом эксплуатации.

Обозначение класса изоляции, например Class H, указывает на тепловой класс; оно не определяет допустимость длительной перегрузки и не гарантирует срок службы при любой температуре обмоток. Среднее превышение температуры обмоток также не дает полного представления о самой горячей точке. Локальный нагрев вблизи выхода вывода, ограниченного охлаждающего канала или соединения может ограничить характеристики до того, как среднее значение станет чрезмерным.

В Трансформаторе сухого типа без инкапсуляции используется конструкция катушек с вакуумной пропиткой без защитного корпуса, с непрерывными обмотками высокого напряжения и фольговыми обмотками низкого напряжения. Эти особенности важны для оценки конструкции обмоток и охлаждения, но не подтверждают материал проводника. При выборе обмоток из алюминия необходимо подтвердить материал проводника в предлагаемой модели и предоставить тепловые данные для этой модели. Для любого заявленного допуска перегрузки необходимо указать температуру окружающей среды, начальную нагрузку, режим охлаждения, длительность и допустимые температурные пределы.

Гармоники и соединения могут определять практический предел

Выпрямители, частотно-регулируемые приводы и другие нелинейные нагрузки создают гармонические токи. Они увеличивают среднеквадратичный ток и вызывают дополнительные потери на вихревые токи и рассеяние. Поэтому нагрузки с близкой полной мощностью могут вызывать разную температуру обмоток. Для номинальных характеристик, определенных при синусоидальном токе, требуется отдельная оценка с учетом ожидаемого спектра гармоник.

Размеры фольги и схема обмотки влияют на дополнительные потери, поэтому универсального допуска на гармоники недостаточно для подтверждения характеристик конкретной конструкции. Предоставьте ожидаемый спектр тока или обоснованную модель нагрузки, а затем получите применимый предел нагрузки. Если присутствуют однофазные нелинейные нагрузки, учитывайте требования к току нейтрали и несимметрию фаз.

Контактные соединения алюминиевых проводников требуют такого же внимания. Образование оксидной пленки, тепловое расширение и деформация со временем под давлением зажима влияют на конструкцию соединения. Подходящие контактные поверхности, контролируемая подготовка поверхности, применение предписанных контактных составов, если это необходимо, и утвержденные процедуры затяжки помогают поддерживать низкое контактное сопротивление. Соединения алюминия с медью должны иметь контактную конструкцию, рассчитанную на эти материалы и условия окружающей среды.

Если температура клеммы повышена, а температура обмоток остается в допустимых пределах, вероятна проблема в соединении; если температура обмоток повышена повсеместно, вероятна проблема с нагрузкой или охлаждением. Тепловизионное обследование при документированной нагрузке помогает различить эти ситуации. Результаты проверок следует сравнивать при близких значениях тока и температуры окружающей среды, поскольку при низкой нагрузке может оставаться незамеченным сопротивление, которое становится существенным в периоды пиковых нагрузок.

Подтверждающие документы для приемки

В технической документации предлагаемая модель трансформатора должна быть увязана с предусмотренным режимом работы. Следующие подтверждения позволяют оценить разные аспекты ее пригодности:

• Гарантированные потери и превышение температуры: указание опорных температур, условий охлаждения и пределов приемки позволяет корректно сравнить конструкции с алюминиевыми и медными обмотками.
• Протокол испытания на превышение температуры для предлагаемой модели либо документированное техническое обоснование того, каким образом испытанная конструкция соответствует ей. Различия в корпусе, конструкции обмоток и охлаждении требуют инженерного обоснования.
• Подтверждение стойкости к короткому замыканию. Работа с тяжелой нагрузкой и стойкость к короткому замыканию — отдельные требования. Крепления обмоток, геометрия проводников и система зажима должны выдерживать заданную нагрузку при коротком замыкании.
• Конструкция соединений, расположение датчиков температуры и реакция на нагрузку при отказе вентилятора. Эти данные показывают, сохранится ли возможность использовать тепловые характеристики после установки.

Измерения сопротивления обмоток при приемо-сдаточных испытаниях помогают выявить расхождения между фазами или соединениями, но не заменяют тепловые испытания. Аналогично, испытания диэлектрической прочности подтверждают характеристики изоляции в заданных условиях испытания, но не доказывают пригодность к длительной работе с тяжелой нагрузкой.

Когда выбор обоснован

Обмотки из алюминия — обоснованный выбор, если конструкция в целом удовлетворяет требованиям по потерям, температуре, характеристикам напряжения и стойкости к короткому замыканию в пределах доступного пространства для установки. Медные обмотки следует рассмотреть для сравнения, если ограничения по пространству затрудняют размещение обмотки большего размера или предлагаемая конструкция с алюминиевыми обмотками не соответствует требованиям по потерям или тепловым характеристикам.

Приемку следует отложить, если материал проводника не подтвержден, заявленная мощность предполагает принудительное охлаждение, недоступное на объекте, или заявление о допустимости перегрузки не содержит данных о начальной температуре и длительности. Устранение этих пробелов до утверждения технического задания предотвратит ситуацию, когда номинально подходящий трансформатор после установки сможет работать лишь с ограниченной мощностью.