Aluminiumtransformatoren VS Kupfertransformatoren

Entwicklung von Aluminium-Wicklungen

In der Vergangenheit war Kupfer der bevorzugte Leiter für elektrische Übertragungen und Maschinen, da es ein leicht verfügbares Material war, das sich leicht verarbeiten ließ und vor allem eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit hat.

Während des Zweiten Weltkriegs führte die Nachfrage der Rüstungsindustrie zu einem akuten Kupfermangel für andere Verwendungszwecke. Die Hersteller von Elektrogeräten brauchten einen alternativen Werkstoff. Aluminium war die naheliegende Wahl, weil es eines der am häufigsten vorkommenden Metalle auf der Erde war (und immer noch ist) und eine hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweist.

In der Anfangsphase erwies sich die Arbeit mit Aluminium schwieriger als mit Kupfer. Die modernen Fertigungs- und Metallurgieverfahren haben sich jedoch drastisch verbessert.

Fortschritte in der Verbindungstechnik haben auch die Eignung von Aluminium als Wickelleiter verbessert. In den letzten 50 Jahren hat sich die Verwendung von Aluminium als Wickelleiter in Transformatoren durchgesetzt.

Durch niedrigere und stabilere Preise (im Vergleich zu Kupfer) ist es heute das bevorzugte Material für Hersteller von Gießharztransformatoren.

Kupfer oder Aluminium?

Alle großen Hersteller stellen seit vielen Jahren Transformatoren mit Aluminium- und Kupferwickelleitern her. Die Wahl des Materials hängt hauptsächlich von den technischen Spezifikationen des Projekts oder den Wünschen des Kunden ab.

Erfahrene Hersteller kennen die technischen Vor- und Nachteile der einzelnen Leitermaterialien und können die beste technische Lösung für jedes spezifische Projekt empfehlen. Beide Wicklungsmaterialien ergeben verlustarme, äußerst zuverlässige Transformatoren mit identischer technischer Leistung. Aluminium bietet aus technischer und wirtschaftlicher Sicht einige entscheidende Vorteile.

Transformatoren: Gesamtabmessungen und Masse

• Für die gleiche Strombelastbarkeit müsste ein Aluminiumleiter einen um etwa 63 % größeren Querschnitt haben als ein gleichwertiger Kupferleiter.
• Die Dichte von Aluminium im Vergleich zu Kupfer bedeutet jedoch, dass die Masse der Aluminiumwicklung immer noch um 50 % geringer ist als bei der entsprechenden Kupferausführung.
• Das größere Volumen des Aluminiumleiters vergrößert die Abmessungen des Magnetkerns, was zu einer um etwa 10-15 % höheren Kernmasse führt.
• Insgesamt hat der Aluminiumtransformator ein etwas größeres Volumen, aber eine geringere Masse (etwa 10-12 % weniger) als der entsprechende Kupfertransformator.

FAZIT: Aluminiumtransformatoren haben ein größeres Volumen, aber eine geringere Masse als Kupfertransformatoren.

Wickelleiter für Gießharztransformatoren

• Bei Gießharztransformatoren sind die Hochspannungswicklungen (und gelegentlich auch die Niederspannungswicklungen) in Epoxidharz vergossen (eingegossen).
• Es ist wichtig, dass die Wärmeausdehnung des Epoxidharzes mit der Wärmeausdehnung des Leiters übereinstimmt.
• Durch die Abstimmung dieser Eigenschaften werden innere mechanische Spannungen und mögliche Risse im Harz vermieden.
• Der Ausdehnungskoeffizient von Aluminium passt besser mit meisten handelsüblichen Epoxidgießharze zusammen als der von Kupfer.
• Dies ist besonders wichtig, wenn der Transformator während des Arbeitszyklus schnellen Lastwechseln oder erheblichen Überlasten ausgesetzt ist.

FAZIT: Der Ausdehnungskoeffizient von Aluminium passt besser mit dem von Epoxidharz zusammen als der von Kupfer.

Übertemperaturen bei kurzzeitigen Überlastungen oder Systemkurzschlüssen

• Der Temperaturanstieg der Wicklung hängt unter diesen Bedingungen von folgendem ab:

1. Die spezifische Wärmekapazität des Leitermaterials.

2. Die Masse des Leitermaterials.

• Die spezifische Wärmekapazität von Aluminium ist deutlich höher (x 2,4) als die von Kupfer.
• Die Masse der Aluminiumwicklung ist etwa 50 % geringer als die der Kupferwicklung.
• Der Temperaturanstieg bei Überlast beträgt bei der Aluminiumwicklung etwa 75 % im Vergleich zur entsprechenden Kupferwicklung.
• Diese verbesserte thermische Zeitkonstante führt zu einer verbesserten Kurzzeit-Überlastbarkeit und somit zu einer erhöhten Lebensdauer des Wicklungsisolationssystems.

FAZIT: Aluminiumwicklungen haben eine bessere kurzfristige Überlastfähigkeit als Kupfer.

Transformator Hotspot-Temperaturen

• Der Schmelzpunkt von Aluminium (660°C) ist deutlich niedriger als der von Kupfer (1085°C).
• Die Wicklungstemperatur und insbesondere die Hotspot-Temperatur werden jedoch durch die Wärmeklasse des Isoliersystems begrenzt.
• BeiGießharzsystemen ist dies in der Regel die Klasse F (155°C) oder in einigen Fällen die Klasse H (180°C).
• Die Hotspot-Temperaturen unterscheiden sich bei Aluminium- und Kupfertransformatoren nicht. Bei diesen Betriebstemperaturen werden die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumwicklung nicht von der Temperatur des Transformators beeinflusst.

FAZIT: Aluminiumwicklungen haben die gleichen Hotspot-Temperaturen wie Kupferwicklungen.

Dielektrische Leistung

• Die meisten Gießharztransformatoren verwenden die Folienwickeltechnik für Hoch- und Niederspannungswicklungen.
• Dies ist aus technischer Sicht für die HV-Wicklung sehr bedeutsam.
• Dies führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der transienten Spannung (Schaltstoß) über die Wicklung und zu einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegen transiente Spannungen.
• Hochwertige Gießharztransformatoren verwenden ausnahmslos die Folienwickeltechnik - die Spannungsfestigkeit der Wicklungen wird von dieser Technik und nicht die Wahl des Leitermaterials bestimmt.
• Die dielektrische Leistung von folienumwickeltem Aluminium oder Kupfer kann also als gleich angesehen werden.
• Theoretisch führt das größere Volumen (die größere Oberfläche) des Aluminiumleiters zu einer höheren Reihenkapazität als die entsprechende Kupferwicklung, daher kann die Aluminiumwicklung als stärker erachtet werden, obwohl der Unterschied in Wirklichkeit nichtig ist.
• Durch die Folienwickeltechnik entsteht eine Wickelspule mit einer sehr hohen Reihenkapazität.

FAZIT: Die dielektrische Leistung von Aluminium und Kupfer sind praktisch identisch.

Verluste und Effizienz

• Die Masse einer Aluminiumwicklung ist etwa 50 % geringer als die einer Kupferwicklung.
• Das größere Volumen des Aluminiumleiters erhöht die Masse des Magnetkerns um etwa 10-15 %.
• Diese größere Leitervolumen steigert möglicherweise den Lastverlust und die prozentuale Impedanz.
• Das größere Kernvolumen erhöht eventuell den Leerlaufverlust.
• Die Konstruktionsunterschiede zwischen Aluminium und Kupfer sind eng mit der Optimierung der Wicklungsgeometrie, den Verlusten, der thermischen Leistung und den relativen Kosten der aktiven Materialien verbunden.
• Aus dieser Sicht gibt es keinen Unterschied in der Effizienz zwischen einem Aluminium- und einem Kupferdesign - Verluste, Impedanz und dielektrische Leistung können für beide Materialien exakt angepasst werden.
• Da sich jedoch der Trend zu effizienteren Transformatoren (ECO-Design) fortsetzt, lassen sich mit Aluminium aus wirtschaftlicher Sicht viel leichter geringere Lastverluste erzielen.

FAZIT: In Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad gibt es einen nichtigen Unterschied zwischen einer Kupfer- und einer Aluminiumkonstruktion.

Wirtschaftliche Überlegung

• Londoner Metallbörse (LME) (Juni 2021): Kupfer zu 9.900 US$/t und Aluminium zu 2.500 US$/t
• Kostenverhältnis 3,96:1
• Außerdem hat eine Aluminiumkonstruktion 50 % weniger Leitermasse als ihr Kupferpendant.
• Dies zeigt, dass die Verwendung von Aluminium die Kosten für das Wicklungsmaterial und somit für den fertigen Transformator erheblich senkt.
• Die Rohstoffpreise schwanken traditionell von Jahr zu Jahr - ein Kupfer-Gießharztransformator ist jedoch immer wesentlich teurer als die entsprechende Aluminiumausführung.
• Aus diesem Grund ist Aluminium heute weltweit für die meisten Gießharzhersteller der bevorzugte Wickelleiter.

FAZIT: Der Kupfertransformator ist immer wesentlich teurer als die entsprechende Aluminiumausführung - bei absolut gleichbleibender technischer Leistung!