Kein Kupfermehrpreis

Kein Kupfermehrpreis.
Betrachtungen an einem 100 kVA-Drehstromtransformator
mit einer Alu-Bandwicklung gegenüber einer Kupfer-Lagenwicklung.
Warum kein „Kupfermehrpreis“?
Wir wickeln unsere Transformatoren ausschließlich in Alu-Bandwicklung.
Wegen der geringeren Leitfähigkeit gegenüber Kupfer benötigen wir 35% mehr Querschnitt.
Die Wärmeentwicklung ist also nicht größer gegenüber einer Kupferwicklung. Aber Kupfer ist deutlich teurer.
Das kann beim 100 kVA Transformator an Kupfermehrkosten schon mal 500,- € oder mehr ausmachen, die
zusätzlich zum Transformatorenpreis in Rechnung gestellt werden.
Und die auch ohne zu Murren gezahlt werden, weil fast alle so verfahren.
Wieso eigentlich?
Vergleich der mechanischen Stabilität:
Nehmen wir einfach mal an, dass bei einem 100-kVA Transformator (400 Volt/Spule)
die Spulenlänge 460 mm, die mittlere Windungslänge 800 mm beträgt und 90 Windungen
benötigt werden. Die Stromdichte soll 2,5 Amp./mm² betragen.
Für die Kupfer-Lagenwicklung würde man Flachdraht 15 mm x 4 mm nehmen
und für die Alu-Bandwicklung 460 mm x 0,2 mm.
Bei der Kupfer-Lagenwicklung wird eine Windung mit der nächsten Windung seitlich über das Tränkharz fixiert.
Die Kontaktfläche beträgt nur 32 cm² (4 mm Seitenfläche x 800 mm Windungslänge).
Bei der Alu-Bandwicklung sind es 3680 cm² (460 mm Breite x 800 mm Windungslänge).
Die Alu-Bandwicklung ist gegenüber der Kupfer-Lagenwicklung wie aus „einem Block“ gefräst.
Was passiert bei einem Kurzschluss, bei Schwerantrieben
oder häufiger, hoher, impulsförmiger Stromaufnahme der Last?
Wie sieht es mit einer möglichen Verformung der Wicklung durch die Magnetfelder aus?
Radial werden die Kupfer-Lagenwicklung und die Alu-Bandwicklung gleichermaßen beansprucht.
Aber es gibt deutliche Unterschiede beim Wicklungsaufbau.
Bei unserer Alu-Bandwicklung werden die 90 Windungen mit dem eingewickelten Aramidpapier Nomex 410
(Klasse H) in Einkomponentenharz der Klasse H unter Vakuum getränkt und bei ca. 120 Grad C. ausgehärtet.
Es wird also eine Schicht (Lage) auf die andere gelegt (gewickelt). Jede Schicht ist mit der nächsten großflächig
über das Harz verbacken. Es entsteht so eine extrem stabile Wicklung.
Dies gilt jeweils für die Primär-Wicklung und für die Sekundär-Wicklung im Einzelnen sowie untereinander.
(Sandwichbauweise: 90 Windungen Aluband: 90 Windungen Aramidpapier: durchtränkt: gehärtet)
Auch wir benötigen Kühlkanäle. (Foto links)
Dies sind eingewickelte, flache, 1 mm starke
Alu-U-Profile auf der gesamten Höhe.
Die lassen sich nicht zusammendrücken
und erhöhen den Leitungsquerschnitt hier
zusätzlich um das 5-fache.
ttf-Flieger GmbH
Am Wasserturm 34
D-42109 Wuppertal
Tel.: 0202 272 11 22
www.transformatoren.com
flieger @ ttf-flieger.de
Autor : Helmut Flieger
Wuppertal, 8.3.2016
Bei der Kupfer-Lagenwicklung (beide Fotos oben) sieht es so aus als ob die Windung nur über den seitlichen
Kontakt zur Nachbar-Windung und über die Abstandshalter fixiert wird.
Das ist deutlich weniger als bei der Alu-Bandwicklung.
Axial verteilt sich ein möglicher Kurzschlussstrom über die gesamte Fläche der Bandwicklung gleichmäßig.
Axiale Kurzschlusskräfte entstehen bei der Bandwicklung so gut wie nicht, da wir hier quasi nur einen
Draht haben. Bei der Lagenwicklung sind die axialen Kräfte deutlich höher. Hier können die Windungen
gegeneinander verschoben werden. Im Normalfall ist diese Wicklungsart sicherlich gut stabilisiert.
Aber was passiert, wenn der böse Kurzschluss kommt oder wir haben häufig, für kurze Momente hohe
Stromaufnahmen durch Motoren oder nicht lineare Verbraucher?
Vielleicht am Anfang nichts, aber nach Jahren?
Wie sieht es mit Ableitung der Wärme aus?
Im obigen Beispiel hat eine Kupfer-Lagenwindung 30400 mm² Oberfläche. (15+15+4+4 x 800mm).
Eine Alu-Bandwindung hat 736000 mm² Oberfläche, also über 24-mal mehr.
Bei der Alu-Bandwindung verteilt sich die Temperatur schnell gleichmäßig über das gesamte Band.
Bei der Lagenwicklung sind ca. 45 Windungen nebeneinander gewickelt.
Aufgestellt wird der Transformator aber senkrecht. Da ist es schwer vorstellbar, dass ein schneller
Temperaturaustausch von den heißeren, oberen Windungen zu den kühleren, unteren Windungen
stattfindet. Zumal der Kupferlackdraht durch seine Isolation den schnellen Temperaturausgleich zur
Nachbarwindung vermindert.
Spannungsdifferenz zwischen den Windungen:
Bei der Alu-Bandwicklung beträgt die Spannung zur nächsten, oberen Windung nur 4,45 Volt. (400 Volt/90 Wdg.).
Bei der Lagenwicklung jedoch wird die 400 Volt-Spule den Kern einmal runter und dann noch einmal rauf
gewickelt. 400 Volt stehen sich (getrennt durch die Lagenisolation) gegenüber.
Im Normalfall ist die Isolation sicherlich ausreichend. Aber es gibt Schaltvorgänge (z.B. Vakuumschalter)
die deutlich höhere Induktionsspannungen erzeugen. Die Wicklungsisolation „altert“ schneller.
Noch was Besonderes?
Klar. Wir liefern ausschließlich in K4 bzw. auf Anfrage (z.B. K20 für USV-Anlagen) auch mehr.
Reiner Sinus war gestern. Wenn Sie also einen Transformator wo immer auch anfragen,
wird man Ihnen wahrscheinlich einen normalen Transformator anbieten. Der ist K0.
Der THD-Faktor in Industrienetzen darf bis zu 8% betragen.
Wird der Transformator jedoch durch Oberwellen zusätzlich belastet
(und das wird heute praktisch jeder), so entstehen zusätzliche Verluste.
Unser K4 verträgt das 4-fache der normalen Erwärmung gegenüber K0 auf die Oberwellen bezogen.
Unser herausgeführter „N“ hat immer 200 % des Leiterquerschnitts
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Am Wasserturm 34
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Autor : Helmut Flieger
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