ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ ОБМОТОЧНЫЙ ПРОВОД

Полезная модель относится к электротехнике - алюминиевым электрическим проводам и может быть использована, например, в силовых электрических машинах, в частности в конструкциях обмоточных проводов из чистого алюминия, применяемых в производстве обмоток силовых электрических трансформаторов и реакторов.
Уровень техники
В настоящее время расширяется применение проводов из чистого алюминия в различных силовых электрических устройствах (в частности в трансформаторах). Однако определенные конструктивные особенностями таких проводов (например, пониженные прочностные свойства (предел текучести)) могут вести к снижению срока их службы в условиях действия различных нагрузок, в частности, из-за электродинамических нагрузок, связанных с большими токовыми бросками. Такие нагрузки приводят к появлению электромагнитных сил, которые могут вызвать движение проводников и смещение обмотки из алюминиевого провода в трансформаторах. Способность трансформатора противостоять долговременным механическим воздействиям бросков нагрузки зависит, в частности, от конструктивных особенностей провода из чистого алюминия.
Из уровня техники известны различные технические решения, использующие провод из чистого алюминия в силовых электрических устройствах. Известно техническое решение (Патент GB 1221171 А, опубликован 09.01.1970) - алюминиевый провод - обмоточный провод из чистого алюминия. Такое техническое решение используется в воздушной линии электропередачи и не может эффективно использоваться в качестве обмоточного провода для силовых трансформаторов в силу относительно низких прочностных свойств провода, обусловленной технологией его получения.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявленной полезной модели является техническое решение (Патент CN 108796403 A.A kind of high-strength highly-conductive commercial-purity aluminium conducting wire preparation method. Опубликован 13.11.2018) - высокопрочный обмоточный провод из чистого алюминия. Для получения такого провода формируют исходную заготовку для провода из алюминиевой заготовки (стержня с круглым поперечным сечением) с условным пределом текучести в диапазоне 80-90 МПа (указанный предел текучести не относится к конечному значению предела текучести провода - а к исходной заготовке для провода). Далее, для получения рабочего алюминиевого провода указанную исходную заготовку обрабатывают многопроходным волочением. В результате такой обработки получают высокопрочный алюминиевый электрический провод, выполненный из чистого алюминия с условным пределом текучести 160 МПа. Недостатком указанного технического решения является то, что вышеуказанный провод может быть эффективно использован только на воздушных линиях электропередачи и при использовании в качестве обмоточного провода для силовых трансформаторов имеет низкий срок службы. Он не выдерживает в течение длительного времени эксплуатации характерных электродинамических механических нагрузок, возникающих в нем в результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых токоведущими частями трансформатора при коротком замыкании. Это обусловлено не только наличием круглого поперечного сечения такого провода (не обеспечивающей эффективной схемы прочной намотки провода), но и недостатками используемой для его получения технологии волочения (в частности, как финишной обработки). Указанная технология не предусматривает получения достаточно контролируемого условного предела текучести провода в заданном оптимальном диапазоне. Характерная деформация (при обработке волочением на заключительной стадии получения провода) происходит с небольшим обжатием заготовки провода, приводящего к неравномерной микроструктуре алюминия от центра к краям с риском образования трещин и дефектов на поверхности провода (проводящих жил). Эта неравномерность микроструктуры нежелательна при динамических нагрузках при коротком замыкании в проводе (используемом как обмоточный провод в силовом трансформаторе). Кроме того, из-за высокого условного верхнего предела текучести (более 130-150 МПа) (в техническом решении по прототипу - 160 МПа), могут ухудшаться электрические и пластические свойства жилы провода. Ухудшение пластических свойств приводит к невозможности намотки провода в обмотку трансформатора, провод может сломаться при изгибе, особенно в местах резкого изгиба для перехода из одного слоя обмотки в другой. В указанном техническом решении не учтена и важность воспроизведения стабильного значения условного предела текучести с относительно небольшим разбросом его значений по всей длине провода. Это также может привести к снижению динамической прочности обмоточного провода в силовом трансформаторе из-за потенциально значительного разброса значений предела текучести по длине провода и возрастании риска деформации обмотки при динамическом ударе (при замыкании обмоток) на участке с пониженным пределом текучести провода.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка провода из чистого алюминия, который может эффективно функционировать в качестве обмоточного провода в силовых машинах и обеспечивающий повышение электродинамической стойкости силовых электрических машин, использующих обмоточные провода (обмотки) из чистого алюминия. В частности, необходимо улучшение прочностных характеристик алюминиевых обмоток силовых трансформаторов с одновременным обеспечением таких рабочих характеристик, которые обеспечивают эффективную гибкую намотку провода при обмотке трансформатора. Выполнение этих условий позволяет трансформатору работать длительное время без повреждений, даже в условиях больших электродинамических сил, возникающих в обмотках в результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых при коротком замыкании.
-3
2
Основным техническим результатом полезной модели является увеличение срока службы высокопрочного обмоточного провода из чистого алюминия при его использовании в силовых обмотках электрических машин (в частности в силовых трансформаторах) за счет увеличения механической динамической прочности кабельной обмотки (снижения вероятности деформации обмотки) и ее гибкости, обеспечиваемой в частности повышением стабильности и точности условного предела текучести с одновременным снижением рисков образования нежелательных деформаций и неконтролируемого развития дефектов проволоки, особенно на поверхности жил в процессе эксплуатации провода (при динамических ударах). В заявленном проводе одновременно обеспечиваются и высокие электрические характеристики провода (электросопротивление не более 28⋅10 Ом⋅мм/м, пересчитанное на температуру 20°С). Отметим, что указанная полезная модель обеспечивает необходимую гибкость провода при намотке обмотки трансформатора и возможность изгиба провода при переходе между слоями обмотки и при транспозиции проводников (в этих местах возникают особенно резкие перегибы провода). Настоящая полезная модель должна обеспечивать примерно одинаковую величину гибкости провода по всей его длине и повышенную устойчивость провода к постоянным изгибам, возникающим при электродинамических смещениях и перемещениях обмоточного провода трансформатора при различных нагрузках в ходе его эксплуатации.
0
2
0,2
0,2
PR 0,2
Для достижения указанного технического результата разработан высокопрочный алюминиевый обмоточный провод, выполненный из чистого алюминия, в котором содержится от одной до 4 (т.е. не более 4) токопроводящих изолированных жил с прямоугольным поперечным сечением. Каждая указанная жила выполнена из технически чистого алюминия с номинальным условным пределом текучести σ,, удовлетворяющим условию 40 МПа ≤ σ ≤ 90 МПа, при этом максимально допустимое отклонение предела текучести от номинального значения σ по всей длине каждой жилы составляет не более +30 МПа, при этом каждая жила выполнена с финишной обработкой в виде прокатки. Финишная обработка в виде прокатки может быть выполнена со степенью обжатия при прокатке для каждой вышеуказанной жилы α≤25%, при этом вышеуказанная обработка была проведена путем пластического деформирования каждой жилы на прокатном стане между вертикальными и горизонтальными парами роликов прокатного стана. Финишная обработка в виде прокатки может быть проведена для каждой предварительно сформированной жилы из технически чистого алюминия с номинальным условным пределом текучести σ≤35 МПа. Обмоточный провод в качестве технически чистого алюминия может использовать алюминий марки АЕ, А7Е, А5Е, А, А0, А5, А6, А7, А8, А85, А95, А97, А99, А999, А995. Каждая жила может иметь изолирующий слой, выполненный из электроизоляционного лака, или имеет составной изолирующий слой, выполненный из электроизоляционного лака и эпоксидной смолы.
В настоящей модели используются следующие определения.
Технически чистый алюминий (алюминий технической чистоты) определяется в соответствии с действующими стандартами, в которых чистый алюминий имеет три степени чистоты: техническую, особую и высокую. В частности, с учетом ГОСТ 11069-2001, в котором перечислены марки российского алюминия технической чистоты (с химическим составом) и приведены данные по соответствующим ему зарубежным маркам по европейскому стандарту (EN 573-3) и стандарту Американской Алюминиевой Ассоциации.
0,2
0,2
Под условным пределом текучести σ (пределом текучести) в настоящей заявке подразумевают такое механическое напряжение, при котором остаточная деформация соответствующего образца (из технически чистого алюминия) - составляет 0,2%. Значение σ обычно определяют по результатам статических испытаний на растяжение (например, по ГОСТ 1497, ГОСТ Р 52857.1-2007) и с учетом ГОСТ IEC 60851-3-2016 для механических испытаний обмоточных проводов.
0,2
Под высокопрочным алюминиевым проводом в настоящей заявке понимается провод с номинальным условным пределом текучести σ ≥ 40 МПа.
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
Провод с таким σ может быть получен, например, путем использования при формировании жил из чистого алюминия (провода) различных технологий отжига и/или холодной пластической деформации. Понятие номинального условного предела текучести σ используется, например, в ГОСТ 1759.4-87. Номинальное значение условного предела текучести σ это указанное абсолютное значение величины контролируемого параметра σ, причем такое, что фактический условный предел текучести (фактическое значение) σ должен лежать в пределах заданного отклонения от нее, определяемого заданным допуском.
Под гибкостью провода - подразумевается величина, определяющая минимальный радиус изгиба провода. Гибкость провода определяется не только толщиной составляющих его жил, но и другими конструктивными особенностями провода (формой жил и механическими свойствами составляющих их материалов (с пластичностью в частности)).
Под финишной обработкой в виде прокатки в настоящей заявке рассматривается прокатка (в частности, повторная) уже предварительно сформированной (в частности первичной прокаткой, например, волочением или экструзией) и отожженной прямоугольной проволоки (жилы).
PR
0,2
Предварительно сформированная жила - это жила провода, предназначенная (подготовленная) для заключительной (финишной) обработки путем финишной прокатки. Номинальный условный предел текучести σ (Для предварительной сформированной жилы) меньше чем номинальный условный пределом текучести сформированной жилы.
Степень обжатия (деформации) определяется отношением разности площадей поперечного сечения прямоугольной жилы (или жил провода) до и после финишной прокатки (умноженной на 100 - для определения его в %).
Общий слой изоляции - это слой изоляции, охватывающий все жилы провода выполненный из электроизоляционной, кабельной или трансформаторной бумаги. В частном случае может быть использована бумага типа DDP.
Электроизоляционная бумага типа DDP (сокращенное название от международного обозначения diamond-dotted-paper) - называется также бумагой с алмазным пунктиром. Это электроизоляционная бумага, на поверхность которой нанесен слой модифицированной эпоксидной смолы (например, модифицированной с помощью пластифицирующих добавок) с ромбовидным рисунком.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Структура обмоточного провода с прямоугольными жилами из чистого алюминия.
Фиг. 2. График замеров образца жилы провода с заданным условным пределом текучести по длине жилы (провода).
Фиг. 3. Показан график зависимости условного предела текучести от степени обжатия (при финишной прокатке).
Фиг. 4. Схематичное отображение прокатки проволоки парами роликов.
Осуществление полезной модели
Обмоточный провод 1 имеет две жилы, каждая из которых представляет прямоугольную токопроводящую жилу 2 из технически чистого алюминия (см. фиг. 1). Жила 2 имеет толщину Н, ширину W (см. фиг. 2) и площадь поперечного сечения S. Изоляционный слой 3 вокруг жилы выполнен из электроизоляционного лака (возможно и выполнение слоя 3 как составного изолирующего слоя из электроизоляционного лака и эпоксидной смолы). Общий слой изоляции 4, охватывает все вышеуказанные жилы и выполнен из лент электроизоляционной бумаги типа DDP. Финишная обработка каждой жилы в виде прокатки выполнена путем пластического деформирования каждой жилы 2 путем ее перемещения в направления Z на прокатном стане между роликами 5 прокатного стана. Ролики могут вертикальными и горизонтальными парами.
2
2
Форма жил провода обязательно прямоугольная в диапазоне каждая жила имеет площадь поперечного прямоугольного сечения S от 5 мм до 100 мм с высотой Н и шириной W, при этом 1 мм ≤ Н ≤ 6 мм, 3 мм ≤ W ≤ 25 мм, 1,25 ≤ W/H ≤ 10. Прямоугольная форма жил позволяет осуществить их плотное складывание друг с другом, что является одним из необходимых факторов обеспечивающим повышенный ресурс за счет повышенной динамической прочности обмотки. Указанные геометрические параметры (H,W) также необходимы для обеспечения заданной динамической прочности обмотки Дополнительно применение клеящих материалов, таких в бумаге с нанесенным эпоксидным слоем типа DDP (diamond dotted paper) значительно увеличивает прочность обмотки электрической машины (особенно для прямоугольных жил) за счет склеивания соседних проводников друг с другом.
0,2
0,2
При изготовлении провода обеспечивается стабильность условного предела текучести по длине и соблюдаются ограничения значений условного предела текучести. Нижний предел (он же является номинальным значением) задается расчетом конструкции обмотки электрической машины и ни одна точка не должна быть ниже заданной величины, т.к. в этом случае есть риск деформации обмотки при динамическом ударе в этой точке. Фактический верхний предел σ должен быть как можно ближе к нижнему (не более +30 МПа) и не превышать максимума в 120 МПа (при номинальном (σ=90 МПа), т.к. при дальнейшем повышении условного предела текучести могут существенно ухудшаться и электрические и пластические свойства алюминиевого прямоугольного проводника, что ведет к возникновению существенных технологических проблем при намотке провода в обмотку в целом и при формировании транспозиций и переходов провода между слоями обмотки трансформатора.
Стабильность и точность условного предела текучести достигается за счет применения технологии повторной прокатки уже сформированной и отожженной прямоугольной проволоки (финишной обработки). Волочение (как в прототипе) в этом случае не подходит для получения контролируемого условного предела текучести, т.к. деформация происходит с достаточно неоптимальным и небольшим обжатием на каждом этапе, что приводит к неравномерной микроструктуре алюминия от центра к краям и есть риск образования трещин и дефектов проволоки на поверхности - что особенно неприемлемо для силовых обмоток трансформаторов.
Финишная прокатка представляет собой последовательное пластическое деформирование прямоугольной алюминиевой проволоки роликами в горизонтальной и вертикальной плоскости (фиг. 4). Степень деформации (обжатие) α при этом составляет не более 25%. Размер проволоки меняется при прохождении каждой пары роликов. При прохождении последней пары формируется требуемый финишный размер проволоки. Заданный условный предел текучести зависит от суммарной степени обжатия по всем парам роликов прокатного стана. Степень обжатия по каждой паре подбирается с возможностью исключения повреждения поверхности проволоки и появления внутренних дефектов, таких как трещины.
Пример осуществления полезной модели Алюминиевые прямоугольные токопроводящие жилы, изготавливались общепринятыми способами - промежуточным отжигом, и прокаткой после отжига, или методом экструзии с последующей прокаткой. Использовались различные марки технически чистого алюминия (например А5Е, А7Е, А8). Сам провод формировался либо с одной, либо с несколькими жилами (до 4 жил), сопряженных большей стороной друг с другом (в частности с параллельными жилами).
Финишная прокатка предварительно прямоугольной алюминиевой сформированной жилы включает в себя операцию последовательного пластического деформирование жил (жилы) роликами в горизонтальной и вертикальной плоскости. Степень обжатия α при этом составляла не более 25%.
PR 0,2
При этом для получения еще более стабильного результата (дальнейшего повышения стабильности и точности условного предела текучести с одновременным снижением рисков образования нежелательных деформаций и неконтролируемого развития дефектов проволоки) условный предел текучести предварительно сформированной жилы крайне желательно иметь с σ ≤ 35 МПа. Размер проволоки меняется при прохождении каждой пары роликов (см. фиг. 4). При прохождении последней пары формируется требуемый финишный размер проволоки. Заданный условный предел текучести зависит от суммарной степени обжатия по всем парам роликов прокатного стана. Пластическое деформирование каждой жилы на прокатном стане между вертикальными и горизонтальными вращающимися роликами прокатного стана происходит, например, с количеством прокатных пар роликов 5. Количество роликов не менее 3 позволяет уменьшить обжатие в каждой паре роликов для исключения сильной деформации металла при прохождении одной пары роликов. Степень обжатия по каждой паре подбирается особым образом (с возможностью исключения повреждения поверхности проволоки и появления внутренних дефектов, таких как трещины размером больше 10 мкм). В случае необходимости помимо повторной прокатки (т.е. финишной обработки путем прокатки) могут быть использованы дополнительно и другие методы финишной обработки с уровнем обжатия существенно меньшим, чем характерный уровень обжатия при прокатке (т.е. без существенного изменения геометрических параметров жил) и без выхода параметров текучести за заданный в полезной модели диапазон) - например, полировка после финишной обработки путем специальной "полирующей" прокатки с очень низким уровнем обжатия.
Стабильность и точность условного предела текучести достигается за счет применения технологии повторной (финишной) прокатки уже сформированной и отожженной прямоугольной проволоки. Для использования в высоковольтных трансформаторах на проводах, как правило, не допускаются дефекты, превышающие 10 мкм (с Rz<10 мкм, Rz - высота неровностей жилы, замеренная по десяти точкам). Это Rz и может быть достигнуто за счет применения вышеуказанной технологии прокатки, например, применением последовательной прокатки парами вертикальных и горизонтальных вращающихся роликов (прокатного стана).
-3
2
Результаты испытаний провода после финишной обработки путем прокатки (таб. 1) показывают возможность достижения требуемых параметров пластической текучести. В заявленном проводе одновременно обеспечиваются и высокие электрические характеристики провода (электросопротивление не более 28⋅10 Ом⋅мм/м пересчитанное на температуру 20°С).
График замеров (фиг. 2) образца жилы провода с заданным условным пределом текучести по длине жилы (провода) и график зависимости (фиг. 3) условного предела текучести от степени обжатия также подтверждают возможность достижения заданной в полезной модели стабильности и точности условного предела текучести.
Пластические свойства, как правило, контролируются определением относительного удлинения при разрыве по ГОСТ IEC 60851-3. Отметим, что уменьшение значения относительного удлинения ниже 10% может привести к повышению вероятности поломки и обрыва провода при намотке обмотки трансформатора, особенно в местах, где он подвергается резкому изгибу для получения транспозиции проводников (изменения положения параллельных проводников относительно друг друга для снижения потерь в обмотке). Именно поэтому номинальное значение условного предела текучести ограничивается значением в 90 МПа с плюсовым допуском +30 МПа (в этой области (до 120 МПА) удлинение больше 10%).
Дальнейшее изготовление обмоточного провода происходит на бумагообмоточных или лентообмоточных линиях, обеспечивающие высокую точность наложения лент. Общий слой изоляции выполняется из электроизоляционной бумаги. Для разных вариантов обмоточного провода использовались разные типы электроизоляционной бумаги. Использовалась, в частности, электроизоляционная бумага марки Krempel DPP (для изоляции обмоточных проводов в силовых трансформаторах). Наложение первого слоя изоляции производится известными в кабельной промышленности способами в зависимости от применяемых материалов: наложение бумажной изоляции производится на бумагоизолировочных машинах, наложение электроизоляционного или электроизоляционного, эпоксидного лаков может выполняться на эмальагрегатах, например на эмальагрегате фирмы MAG типа VZF-8/2L. Наложение второго общего слоя изоляции 3, выполненного из лент электроизоляционной бумаги типа DDP, осуществляют на бумагоизолировочных машинах методом обмотки, например на машине ОГП-12 или ОГП-24.
Такой обмоточный провод, использующий жилы из технически чистого алюминия с заданными геометрией и пластичностью и выполненный с финишной обработкой путем прокатки относительно недорог (по отношению к медным обмоточным проводам) и имеет повышенный ресурс работы в силовых трансформаторах и одновременно обеспечивает высокие электрические характеристики обмотки.