Оба трансформатора равны по мощности, напряжению и параметрам производительности и принадлежат к одному классу эффективности. Однако, несмотря на то, что оба трансформатора имеют одинаковые технические параметры, один из трансформаторов весит около 40% больше, чем другой трансформатор и стоит почти на 20% дороже, тем не менее, он работает, в то время как другой трансформатор уже был заменен. Это вопрос обмоточных проводников, который является одним из факторов материалов, используемых во всех трансформаторах, уступая только сердечнику.
В общем, алюминий имеет проводимость 61% по сравнению с медью и требует в 1.6 раза большего сечения для достижения равного сопротивления, но его вес составляет примерно половину от веса меди, и он стоит на 15–30% меньше в своей окончательной версии. Медь лучше, когда речь идет об эффективности машин от 0.1 до 0.3% при полной нагрузке, коротком замыкании и надежности соединений, потому что алюминий образует оксиды вокруг себя, что делает каждое соединение сложным процессом. Независимо от уровней эффективности, медь предпочтительнее для ситуаций с постоянной нагрузкой, где обслуживание будет трудно выполнять, в то время как алюминий используется в случаях с ограничениями по весу, как в установках на столбах, так и в проектах с ограниченным бюджетом.
Почему оба материала вообще существуют
Медь на протяжении многих лет является стандартным материалом в отрасли. Медь также была эталоном в отрасли для сравнения металлов друг с другом. Международный стандарт отожженной меди утверждает, что медный провод основан на проводимости меди при 100% IACS.
Алюминий пришел в эту сферу по двум причинам, которые не имеют отношения к производительности. Во-первых, это цена. Цена на алюминий на рынке составляет лишь небольшую долю от цены меди за килограмм и довольно стабильна. Во-вторых, существует превосходство алюминия по весу. Алюминий примерно в три раза легче меди, и этот фактор имеет значение, когда речь идет о трансформаторах, установленных на столбах.
В результате мир был географически разделен на две группы стран в зависимости от их выбора металла, и это может удивить покупателей. Например, страна Индия долгое время использовала распределительные трансформаторы с алюминиевыми обмотками, и в регионе производились алюминиевые трансформаторы, установленные на столбах. С другой стороны, Соединенные Штаты были страной, использующей медь из-за неудачных случаев с алюминиевыми проводами в 1970-х годах, что создало длительное недоверие к алюминию, и медь стала основным используемым металлом в этом районе.
Обе эти стратегии не являются неправильными; они отражают приоритеты стран и позволяют сделать правильный выбор в зависимости от этих приоритетов.
Семь чисел, которые разделяют их
| Свойство | Медь | Алюминий |
|---|---|---|
| Электропроводность | 100% IACS | 61% IACS |
| Устойчивость при 20°C | 72 µΩ·см | 83 µΩ·см |
| Сечение для равного сопротивления | 1.0 | 1.6 |
| Плотность | 89 г/см³ | 70 г/см³ |
| Вес обмотки при равной мощности | 1.0 | Около 0.5 |
| Тепловое расширение | 5–17 ppm/K | 1 ppm/K |
| Упругость | 200–250 МПа | 70–100 МПа |
| Температура плавления | 1,085°C | 660°C |
Четыре ряда отвечают за все остальное.
- Сечение тока определяется проводимостью. Алюминий имеет проводимость 61% IACS и требует площади в 1,6 раза больше для проведения того же количества тока. В результате получается большее окно обмотки, что обычно требует большего сердечника трансформатора и бака. Он становится больше, но легче.
- Причина такого эффекта - плотность. Важно подчеркнуть, что это не незначительный фактор, так как он влияет на многие аспекты, такие как нагрузка крана, стоимость транспортировки и проектирование корпуса.
- Тепловое расширение является причиной проблем с соединениями. Тепловое расширение алюминия значительно больше, чем у меди, что означает, что каждое соединение алюминиевого трансформатора будет подвержено большему движению.
- Объяснение прочности на растяжение также важно для понимания короткозамыкания двигателя. Когда происходит неисправность, возникает множество электромагнитных сил, равных квадрату тока, приложенного к обмоткам двигателя.
Конструктивные различия, вытекающие из этих выборов, включая то, как конструкция из литого смолы вмещает большее окно обмотки, видны в этом сравнении SCB13 и международных конструкций из литой смолы.
Эффективность: Аргумент 0.1 до 0.3%, выполненный правильно
Хотя разрыв в эффективности на самом деле не так велик, как подразумевают большинство продажных разговоров, его экономическое влияние больше, чем предполагают покупатели.
Когда оба трансформатора изготовлены по одному стандарту, и алюминиевая обмотка получает большее сечение, как требуется, разница в эффективности при полной нагрузке составляет около 0.1% до 0.3%, что действительно подтверждается инженерной литературой. На самом деле, цифры около 1.5-2 % обычно сравнивают алюминиевые трансформаторы с медными трансформаторами, изготовленными по более высокому стандарту.
Давайте посчитаем. Возьмем трансформатор мощностью 1,000 кВА, рассчитанный на 4,000 часов работы и 60% нагрузки в среднем. При этой мощности разница в эффективности 0.2% практически означает, что трансформатор теряет около 1.2 кВт энергии, что составляет около 4,800 кВтч, которые теряются в год. Результирующая стоимость этой потери энергии по коммерческим ценам составляет несколько сотен долларов в год, что означает, что преимущества эффективности значительно превышают первоначальные инвестиции, сделанные для покупки оборудования.
Поэтому это также причина, почему большинство оценок жизненного цикла, проведенных в этой отрасли, приходят к выводу, что медь окупает свои затраты за 4-7 лет для трансформаторов, работающих непрерывно с мощностью 1,000 кВА. При превышении этих мощностей, будь то резервные трансформаторы или трансформаторы, работающие периодически, алюминий оказывается лучшим выбором.
Что касается соответствия, то то же самое относится к обоим материалам. Регламенты по эффективности, включая те, которые установлены Министерством энергетики США и уровнем 2 стандартов эффективности ЕС, подразумевают, что если алюминиевая конструкция соответствует рейтингу эффективности, она соответствует регламентам. Единственное, что обычно требуется в этом случае, это использовать больший сердечник и более крупные проводники – материалы, которые естественным образом повлияют на потери энергии на практике.
Как эта разница в цене распределяется по рейтингам, легче увидеть в реальных котировках, чем в теории, и разброс по размерам охватывается в этом обзоре цен на трансформаторы на уровне 100 кВА.
Соединения: Где алюминий зарабатывает свою репутацию
Этот раздел объясняет большинство реальных результатов.
Медь также окисляется, но оксид меди является полупроводником и разрушается под давлением контакта, что означает, что когда соединение из меди затягивается, соединение металл-металл восстанавливается. Оксид алюминия, с другой стороны, представляет собой прочный и твердый изолятор с очень высокой температурой плавления, который не разрушается под давлением и быстро образуется на вновь обработанной поверхности. Соединение, выглядящее плотным, может иметь сопротивление, достаточное для образования тепла.
Эта единственная особенность служит объяснением для неудач алюминиевой ответвительной проводки в Северной Америке 1970-х годов и причиной, по которой любой надежный алюминиевый трансформатор использует множество комбинированных мер предосторожности.
- Покрытие. Медное или оловянное покрытие алюминиевого проводника предотвращает образование оксида на интерфейсе контакта.
- Переходные соединения. Переходная часть от меди к алюминию, либо сваренная трением, либо взрывным способом, переходит от трудно контролируемого интерфейса к контролируемой на заводе части.
- Ультразвуковая сварка. Разрушает оксидный слой и соединяет на молекулярном уровне, создавая соединение с интерфейсом, свободным от коррозии.
- Антиоксидантное соединение в сочетании с подходящим разъемом. Полевая терминализация должна включать пасту и оборудование, подходящее для алюминиевого проводника. Кодексы обычно строги в отношении соответствия соединения материалу проводника.
- Современные алюминиевые трансформаторы с покрытыми проводниками и заводскими переходными соединениями являются надежными устройствами, в отличие от алюминиевого трансформатора, завершенного в поле кем-то, кто не знаком с правилами, и, таким образом, заработал эту плохую репутацию.
Если обмотка в конечном итоге выйдет из строя, вопрос о том, можно ли ее восстановить, является важным вопросом сам по себе. Медь легко перематывается и легко паится; алюминий труднее ремонтировать и часто утилизируется, что является практическим фоном для перемотки и ремонта трансформаторов.
Срок службы и что на самом деле стареет
Когда дело касается изоляции, возраст является ключевым фактором, так как он зависит от повышенной температуры. Каждое увеличение на 8-10°C горячих точек может привести к сокращению срока службы изоляции. Суть тепловой изоляции можно наблюдать по этим изменениям температуры, а не по свойствам металла.
Более того, медь создает наименьшее сопротивление по сравнению с алюминием, поэтому с медью образуется очень мало тепла, так как тепла меньше. Также медь может равномерно и очень хорошо распределять тепло. Алюминий производит еще больше тепла, но не может эффективно его рассеивать, что увеличивает горячую точку для того же дизайна, если не предусмотрено дополнительное охлаждение.
Алюминиевая технология может эффективно решать все эти проблемы, и один из лучших способов сделать это — улучшить изоляцию. Переход от класса B (при 130°C) к классу H (при 180°C) означает, что термическое преимущество устраняется, что является стандартным подходом для в целом хороших алюминиевых конструкций. Металл не меняется; но изменились окружающие условия.
Когда речь заходит об агрессивной среде, влажность и химикаты влияют на медь, в то время как алюминий в одиночку нормально себя чувствует только при наличии покрытия. Существует реальная разница между проверками алюминия и меди, если установка находится на побережье и подвергалась воздействию соли в течение двадцати лет.
Теперь речь идет о фактическом сроке службы: трансформатор из качественной меди может прослужить более 30 лет при нормальной эксплуатации и регулярном обслуживании; с другой стороны, алюминиевый трансформатор может достичь такой же ожидаемой продолжительности жизни, если за его клеммами будет правильно ухаживать.
Как определить, что у вас есть
Четыре метода, классифицированные по порядку от минимальных до максимальных усилий, необходимых для их выполнения.
- Тест на царапину. Вам нужно поцарапать проводник обмотки, пока металл под ним не станет видимым. Медь приобретет красноватый блеск, в то время как алюминий останется серебристо-белым. Хотя цвета изоляции не предоставляют надежной информации о используемом металле, поскольку как медь, так и алюминий используют аналогичную янтарную эмаль, это тест, который обычно используют на свалках, чтобы избежать оплаты за медный блок по алюминиевой ставке.
- Табличка с данными. Многие производители указывают, какой металл используется в производстве обмоток, и поэтому, если есть табличка с указанием, что используется алюминий, это утверждение окончательное. Отсутствие такого указания ничего не значит.
- Вес. Сравните с опубликованным весом конструкции. Алюминиевый блок с тем же номиналом kVA и того же типа корпуса обычно весит на 20-40 процентов меньше, чем медный блок той же конфигурации, потому что танк и сердечник доминируют.
- Сопротивление. Вам просто нужно протестировать постоянное сопротивление для каждой обмотки и сравнить с рассчитанным значением сопротивления меди.
Подход к измерениям и допустимые значения такие же, как те, что используются при вводе в эксплуатацию, изложенные в этом руководстве по тестированию трансформатора перед его включением.
Выбор: Правила принятия решений
Пять управляющих правил, предназначенных для целей спецификации.
- Интенсивная непрерывная работа. Медь. Разница в эффективности компенсируется, и тепловой запас увеличивает срок службы.
- Установка с ограничениями по весу. Алюминий. Это может быть установка на столбе, крыше, конструкция с ограничениями или любой объект, где кран является ограничивающим фактором.
- Сложный доступ для обслуживания. Медь. Меньше соединительных соединений для повторного затяжки и меньше зависимости от критики, что все сделано правильно.
- Жесткая среда. Медь или алюминий с правильным покрытием и записью проверок.
- Проект с ограниченным бюджетом и низкой загрузкой. Алюминий. Учет жизненного цикла не имеет значения для трансформаторов, работающих менее 800 часов в год.
Две спецификации превосходят пять упомянутых выше. Если стандарт клиента указывает на медь, это то, что следует использовать независимо от расчетов. Если ток короткого замыкания в шине высок, это превратит аргумент об эффективном материале в механическую прочность в вопрос безопасности, а не в растрату денег. Стандартное устройство, такое как трансформатор понижающего типа на 150 кВА доступно в любом из этих материалов, и правильный выбор зависит от того, какое из этих правил применимо.
Стоимость лома и конец срока службы
Металл имеет значение и в конце, и разница не мала.
| Материал | Лом целого устройства | Снятая обмотка |
|---|---|---|
| Трансформатор с медной обмоткой | $0.25–$0.60/фунт, в среднем около $0.35 | $3.20–$3.90/фунт как #2 медь |
| Трансформатор с алюминиевой обмоткой | $0.10–$0.20/фунт | Значительно ниже; редко стоит разбирать |
Значительная разница в ценовых политиках целых и разобранных единиц требует от складов знания о том, что за обмотка, прежде чем озвучивать цену. Это также означает, что трансформатор из меди имеет остаточную стоимость, которой алюминий не обладает, и поэтому должен быть частью общей стоимости владения большой единицей.
Существуют два предупреждения перед вывозом чего-либо. Масляные устройства должны быть опустошены, а масло, произведенное до 1979 года, может содержать ПХБ и, следовательно, классифицирует оборудование как опасные отходы, а не как лом. Подтвердите возраст и также проверьте табличку на наличие знака "без ПХБ" перед организацией сбора.
Часто задаваемые вопросы
Каковы различия между медными и алюминиевыми трансформаторами?
Основное различие заключается в проводимости: алюминиевая проволока проводит 61% нагрузки медной проволоки с тем же сечением. Это означает, что алюминиевая обмотка должна быть примерно в 1,6 раза больше при половине веса. Прочность меди выше, а расширение меньше, где медь лучше сопротивляется коротким замыканиям, а соединение более надежно, потому что медный оксид может проводить. Цена алюминия на 15-30% ниже, его вес примерно на 40% меньше.
Как определить, является ли трансформатор медным или алюминиевым?
Чтобы добраться до голого металла проводника обмотки, поцарапайте поверхность. Медь красная, а алюминий серебристо-белый; однако следует подчеркнуть, что цвет эмали не является диагностическим. Если тесты на царапины не могут быть выполнены, сравните вес устройства с данными, доступными в литературе, или измерьте постоянное сопротивление катушки, где отношение будет примерно 1,6 раза для алюминия по сравнению с медью для одного и того же дизайна.
Почему нельзя использовать алюминий и медь вместе?
Можно, но не при прямом контакте в влажной среде. Гальваническая пара образуется, когда эти два металла соединены, что означает, что алюминий будет корродировать первым в этом соединении. Поэтому мы должны использовать одобренный биметаллический соединитель для каждого соединения, переходную пластину, изготовленную методом трения, или покрытый барьер. Большинство юрисдикций требуют, чтобы соединители были изготовлены для конкретных материалов проводников, используемых, таким образом, использование голого медного зажима с алюминиевым проводником является случаем несоответствия и угрозой коррозии.
Какова стоимость лома медного трансформатора?
Трансформаторы с медной обмоткой стоят в среднем от $0.25 до $0.60 за фунт, что составляет общую стоимость около $0.35, в зависимости от таких факторов, как соотношение меди к стали и склад. Если обмотки удалены, медь сама по себе будет продаваться за #2 с ценой от $3.20 до $3.90 за фунт, что объясняет, почему сборщики лома с высоким объемом разбирают трансформаторы. Трансформаторы с алюминиевыми обмотками стоят от $0.10 до 0.20 за фунт и редко оправдывают снятие обмоток.
Ссылки
- Maddox Transformer — Алюминий против меди в распределительных трансформаторах
- Elscott Transformers — Медь против алюминия в сухих трансформаторных обмотках
- Ассоциация по развитию меди — Данные о проводимости и применении
- UL Solutions — Требования к списку и конструкции трансформаторов
- Министерство энергетики США — Стандарты эффективности распределительных трансформаторов
Заключение
Трансформаторы, изготовленные из меди и алюминия, важны по-своему. Правильный тип для конкретного трансформатора определяется его режимом работы, а не личным выбором. Медные трансформаторы подходят для непрерывных нагрузок, экстремальных условий, сложного обслуживания и долгого срока службы. В то же время алюминий подходит только в том случае, если трансформатор легкий и дешевый, а ситуация позволяет использовать алюминиевые материалы.
Цена трансформатора здесь не имеет значения. Единственный важный момент — это разница в годовых затратах на потери в зависимости от времени использования. Например, если трансформатор используется всего несколько сотен часов в год, годовая разница будет незначительной и близкой к нулю.