Breakthrough Power Transformer
with ceramic insulation of winding
«If we did all the things we are capable of, we
would literally astound ourselves»
Thomas A.Edison
Vladimir Stepanchuk
2. Market
Transformer applications
Power transformers Instrument transformers
Electric devices And other
(incl. welding transformers)
The world market by Grandview Research:
Power transformers:
2013: 11,375 units, total $18,55B
2020: 16,994 units, total $28,22B
The largest submarket: Asia (42%)
The largest suppliers: ABB Ltd., Alstom SA, Siemens Energy,
Toshiba Corp., GE Co., Crompton Greaves Ltd. etc.
Russia market
More then 10-12 bln. RUB*
The largest segment: transformers with power up to 100 kV*A
The largest suppliers of transformers with power up to 100 kV*A:
• «METZ V.I. Kozlova», Belarus, Minsk
• OJSC «ETK BirZST», Birobidzhan
• CJSC «Group Elektroshchit-TM Samara», Samara
2. Market
*Source: http://www.rus-trans.com/?ukey=auxpage_sovremennie-transformatory
2. Market (transformer types)
Dry Oil
Insulation type Epoxy compounds, air and
others.
Oil
Market share in Russia up to 10% up to 90%
Cost high low
Reliability high low
3. Problems of power transformer
Transformer with oil insulation:
The frequent occurrence of oil (the need for periodic monitoring)
Explosive
The need for protective structures, should not be placed near the human
flows
The need for frequent inspection (at least 1 time per quarter)
High operating costs for the Power Grid Company
Dry power Transformers:
Over time, the insulation material microcracks appear. They lead to
microbreakdown that entails eventually charring insulation
and short-circuiting the transformer (its failure)
Works range (-25C + 40C)
Afraid of dust
The need for frequent inspection (at least 1 time per quarter)
Expensive repair
High operating costs for the Power Grid Company
3. Problems of power transformer
4. Solution – Ceramic Insulation
We invented low-cost, having no analogues in the world technology
of application of ceramic insulation thickness of 300 microns on a winding
of the transformer by micro-arc oxidation.
microarc oxidation (MAO), is an electrochemical surface treatment
process for generating oxide coatings on metals
Oxidation occurs simultaneously with the process of winding
𝑨𝒍 𝟐 𝑶 𝟑𝑨𝒍
Aluminium - metal Corrundum - ceramic
wire effective insulator
The advantages of ceramic insulation:
1. High, more than 0.9 winding factor (the ratio of total
conductor cross section (usually copper cross section) to
the area of the core window)
2. High temperature resistance;
3. High mechanical strength;
4. Radiation resistance;
5. Fire safety.
Aluminum wires in conjunction with ceramic insulation superior copper and
aluminium wires with dry or oil type of insulation on the mechanical and
temperature resistance.
4. Solution – Ceramic Insulation
Transformer 10kV/400V with power of 100 kV*A is one of the most common transformer on the
market. Comparison of new and existing types of transformers:
Features Dry
«ТСЛ-100/10»
Oil
«ТМГ11-100/10»
Ceramic Insulation
Short-circuit loss,
watt
1570 1970 not higher 750
No-load loss, watt 465 290 not higher 250
Efficiency at nominal
power, %
98 97,7 99
Efficiency under load
of 200% of nominal
- - 95
Temperature class F С (до 4500С)
Operating
temperature, 0С
От -45 до +40 От -60 до +40 От -70 до +150
Mass, kg 670 490 not higher 350 кг
Price (2015), th. RUB 253 120 до 300
5. Features of the New Transformer
Due to high insulating properties
of ceramics it is possible to use
very thin layer of ceramic that
provides a high (more than 0.9)
winding factor;
Small volume transformer
requires less material (steel) for
body
Winding density provides high
efficiency (low losses of electricity
power) even with aluminum wire,
comparable to dry and oil
transformers with copper windings
Reduce costs (aluminum is three
times cheaper than copper)
Low Cost Factors
5. Features of the New Transformer
6. Applications
Transformer with ceramic insulation is beneficial in all areas
of traditional (oil and dry) transformer.
However, we want to highlight in particular:
The Far North and the zone of the tropics / subtropics
The possibility of the transformer to work at
wide temperature range (from -70C to + 70C) and any humidity
eliminating the need for design and construction,
installation of protective covers, booths, structures,
which gives substantial reduce in CAPEX
Transformers on drilling rigs
In conditions of relatively frequent changes
of location of the transformer, there is no need
to have housing for stabilize the temperature.
So this reduces CAPEX
Nuclear Power Plants
Transformer with ceramic insulation is absolutely radiation-resistant
in the United States at NPP there are widely used of radiation-resistant
«Nomex» insulation (provided by DuPont)
Nomex - an expensive synthetic aromatic polyamide, i.e. plastic.
Ceramic insulation has surely better performance
6. Applications
7. Existing transformer prototype
9. Next Steps
• Make transformer 10kV/400V with power of 100 kV*A
• Test it in cooperation with the Electric Grid Company
• Patent protection
• Demonstrate device to large transformer manufactures
(Siemens, ABB Ltd., etc.)
• Need Investment: 500 000 USD for 14 monthes
• Need partner: Electric Grid Company or
Transformer manufacturer
8. Team
8 personы
Key persons:
CTO (author)
A.Nikiforov
Institute of Inorganic Chemistry of RAS (Novosibirsk)
17 years of tech-managerial experience in commercial structures.
Under his leadership, small companies made about ten scientific developments:
• technology for super-pure scandium and cesium,
• technology for production of absolute pure ethanol,
• power supplies for micro-arc oxidation,
• analyzer dispersion of solid particles in a liquid, and others.
CEO
Vladimir Stepanchuk
awarded honorary radio operator of the Russian Federation
5 years experience: director of venture fund
15 years of tech-backed companies management
Project manager
Ryabykh Viktor
7 years experience: project manager of innovation venture projects

Трансформатор с керамической изоляцией

  • 1.
    Breakthrough Power Transformer withceramic insulation of winding «If we did all the things we are capable of, we would literally astound ourselves» Thomas A.Edison Vladimir Stepanchuk
  • 2.
    2. Market Transformer applications Powertransformers Instrument transformers Electric devices And other (incl. welding transformers)
  • 3.
    The world marketby Grandview Research: Power transformers: 2013: 11,375 units, total $18,55B 2020: 16,994 units, total $28,22B The largest submarket: Asia (42%) The largest suppliers: ABB Ltd., Alstom SA, Siemens Energy, Toshiba Corp., GE Co., Crompton Greaves Ltd. etc. Russia market More then 10-12 bln. RUB* The largest segment: transformers with power up to 100 kV*A The largest suppliers of transformers with power up to 100 kV*A: • «METZ V.I. Kozlova», Belarus, Minsk • OJSC «ETK BirZST», Birobidzhan • CJSC «Group Elektroshchit-TM Samara», Samara 2. Market *Source: http://www.rus-trans.com/?ukey=auxpage_sovremennie-transformatory
  • 4.
    2. Market (transformertypes) Dry Oil Insulation type Epoxy compounds, air and others. Oil Market share in Russia up to 10% up to 90% Cost high low Reliability high low
  • 5.
    3. Problems ofpower transformer Transformer with oil insulation: The frequent occurrence of oil (the need for periodic monitoring) Explosive The need for protective structures, should not be placed near the human flows The need for frequent inspection (at least 1 time per quarter) High operating costs for the Power Grid Company
  • 6.
    Dry power Transformers: Overtime, the insulation material microcracks appear. They lead to microbreakdown that entails eventually charring insulation and short-circuiting the transformer (its failure) Works range (-25C + 40C) Afraid of dust The need for frequent inspection (at least 1 time per quarter) Expensive repair High operating costs for the Power Grid Company 3. Problems of power transformer
  • 7.
    4. Solution –Ceramic Insulation We invented low-cost, having no analogues in the world technology of application of ceramic insulation thickness of 300 microns on a winding of the transformer by micro-arc oxidation. microarc oxidation (MAO), is an electrochemical surface treatment process for generating oxide coatings on metals Oxidation occurs simultaneously with the process of winding 𝑨𝒍 𝟐 𝑶 𝟑𝑨𝒍 Aluminium - metal Corrundum - ceramic wire effective insulator
  • 8.
    The advantages ofceramic insulation: 1. High, more than 0.9 winding factor (the ratio of total conductor cross section (usually copper cross section) to the area of the core window) 2. High temperature resistance; 3. High mechanical strength; 4. Radiation resistance; 5. Fire safety. Aluminum wires in conjunction with ceramic insulation superior copper and aluminium wires with dry or oil type of insulation on the mechanical and temperature resistance. 4. Solution – Ceramic Insulation
  • 9.
    Transformer 10kV/400V withpower of 100 kV*A is one of the most common transformer on the market. Comparison of new and existing types of transformers: Features Dry «ТСЛ-100/10» Oil «ТМГ11-100/10» Ceramic Insulation Short-circuit loss, watt 1570 1970 not higher 750 No-load loss, watt 465 290 not higher 250 Efficiency at nominal power, % 98 97,7 99 Efficiency under load of 200% of nominal - - 95 Temperature class F С (до 4500С) Operating temperature, 0С От -45 до +40 От -60 до +40 От -70 до +150 Mass, kg 670 490 not higher 350 кг Price (2015), th. RUB 253 120 до 300 5. Features of the New Transformer
  • 10.
    Due to highinsulating properties of ceramics it is possible to use very thin layer of ceramic that provides a high (more than 0.9) winding factor; Small volume transformer requires less material (steel) for body Winding density provides high efficiency (low losses of electricity power) even with aluminum wire, comparable to dry and oil transformers with copper windings Reduce costs (aluminum is three times cheaper than copper) Low Cost Factors 5. Features of the New Transformer
  • 11.
    6. Applications Transformer withceramic insulation is beneficial in all areas of traditional (oil and dry) transformer. However, we want to highlight in particular: The Far North and the zone of the tropics / subtropics The possibility of the transformer to work at wide temperature range (from -70C to + 70C) and any humidity eliminating the need for design and construction, installation of protective covers, booths, structures, which gives substantial reduce in CAPEX Transformers on drilling rigs In conditions of relatively frequent changes of location of the transformer, there is no need to have housing for stabilize the temperature. So this reduces CAPEX
  • 12.
    Nuclear Power Plants Transformerwith ceramic insulation is absolutely radiation-resistant in the United States at NPP there are widely used of radiation-resistant «Nomex» insulation (provided by DuPont) Nomex - an expensive synthetic aromatic polyamide, i.e. plastic. Ceramic insulation has surely better performance 6. Applications
  • 13.
  • 14.
    9. Next Steps •Make transformer 10kV/400V with power of 100 kV*A • Test it in cooperation with the Electric Grid Company • Patent protection • Demonstrate device to large transformer manufactures (Siemens, ABB Ltd., etc.) • Need Investment: 500 000 USD for 14 monthes • Need partner: Electric Grid Company or Transformer manufacturer
  • 15.
    8. Team 8 personы Keypersons: CTO (author) A.Nikiforov Institute of Inorganic Chemistry of RAS (Novosibirsk) 17 years of tech-managerial experience in commercial structures. Under his leadership, small companies made about ten scientific developments: • technology for super-pure scandium and cesium, • technology for production of absolute pure ethanol, • power supplies for micro-arc oxidation, • analyzer dispersion of solid particles in a liquid, and others. CEO Vladimir Stepanchuk awarded honorary radio operator of the Russian Federation 5 years experience: director of venture fund 15 years of tech-backed companies management Project manager Ryabykh Viktor 7 years experience: project manager of innovation venture projects

Editor's Notes

  • #4 Ожидаемый рост рынка 10 млрд. USD к 2020 году Наибольший рынок в Азии – 42% Крупнейшие игроки – ABB, Alstoma, Siemens, Toshiba, GE, Crompton Greaves и т.д. Российский рынок – более 10-12 млрд Руб Наибольший сегмент - силовые трансформаторы до 100 кВА. Крупнейшие российские компании производители таких трансформаторов •МЭТЗ им. В.И. Козлова», РБ, г. Минск •ОАО "ЭТК "БирЗСТ", г. Биробиджан •ЗАО «Группа компаний Электрощит-ТМ-Самара» г. Самара
  • #5 Основные 2 типа трансформаторов на рынке Сухие и масляные. Сухие до 10 % рынка, в основном из-за высокой стоимости, но обладают повышенной надежностью.
  • #6 Проблемы с масляными трансформаторами необходимость периодического мониторинга Взрывоопасность Необходимость защитного сооружения, нельзя располагать вблизи людских потоков Необходимость частого осмотра (не реже 1 раза в квартал) Высокие эксплуатационные затраты для энергосетевой компании
  • #7  Старение изоляции Возникающие микротрещины в материале изоляции приводят к микропробоям, что влечет за собой со временем обугливание изоляции и короткое замыкание трансформатора (выход его из строя) Работает в диапазоне (-25С;+40С) Боится пыли Необходимость частого осмотра (не реже 1 раза в квартал) Дорогостоящий ремонт Высокие эксплуатационные затраты для энергосетевой компании
  • #8 Решение инновационный тип керамической изоляции, толщиной 300 микрон, образуемой непосредственно в процессе изготовления катушек трансформатора методом микродугового оксидирования. Эта технология изготовления катушек превращает их в похожий на кирпич корундовый монолит, из которого выводятся электропроводники.
  • #9 Что дает применение керамической изоляции 1.Высокий (более 0,9) коэффициент заполнения окна магнитопровода электрическим проводником; 2.Высокая термостойкость катушек; 3.Высокая механическая прочность; 4.Радиационная стойкость; 5.Пожаробезопасность. Алюминиевая обмотка в сочетании с керамической изоляцией по механическим и температурным свойствам превосходит обмотки, выполненные классическим способом, из меди и алюминия.
  • #10  Преимущества Керамического Трансформатора •не требует обслуживания при эксплуатации •вдвое дольше период межремонтного обслуживания •значительно меньше по габаритам •вдвое легче существующих аналогов •может работать в условиях тряски, стойкость к ударам •Увеличение класса нагревостойкости изоляции. Существующие на сегодняшний день технологии позволяют выпускать сухие трансформаторы с классом нагревостойкости Н (до 180оС). Технология проекта позволяет выпускать трансформаторы с классом нагревостойкости С, т.е. более 180оС. •Повышенные токи нагрузки и стойкость к КЗ. •Увеличение эксплуатационных возможностей. Трансформатор может работать при разности температур от -70оС до +70оС, в то время как аналоги работают в температурном диапазоне от -45оС до + 40оС и только в закрытых помещениях или в защитных коробах. Керамический трансформатор может эксплуатироваться на открытом воздухе (УХЛ 1), что недоступно ни для одного существующего аналога (эксплуатация – УХЛ 2,3). •Увеличение степени защиты. Ожидаемая степень защиты трансформаторов, полученных с использованием технологии проекта не ниже IP64, в то время как аналогичные технологии обеспечивают степень защиты IP21. •низкая звуковая мощность •Абсолютная радиационная стойкость. Изделия слабо подвержены радиационному старению.
  • #11  Высокие изоляционные характеристики керамики позволяют делать ее слой тонким, что обеспечивает высокий (более 0,9) коэффициент заполнения окна магнитопровода Это позволяет уменьшить массогабаритные параметры трансформатора, снизить расход провода и трансформаторного железа. Плотность намотки обеспечивает высокий КПД даже с алюминиевым проводом, сравнимый с сухими и масляными трансформаторами с обмотками из меди. А алюминий в три раза дешевле меди
  • #12 Наиболее эффективное применение в экстремальных условиях эксплуатации – в районах крайнего севера, в районах субтропическим и тропическим климатом (наибольшая доля мирового рынка в Азии – 42%) В качестве трансформаторов для буровых установок
  • #13 Абсолютная радиационная стойкость изоляции позволяет заменить использующуюся сейчас дорогостоящую изоляцию Nomex, производства DuPont
  • #14 В настоящее время разработана технология изготовления катушек для трансформаторов мощностью до 600 кВА Изготовлены прототипы разделительного трансформатора на 380 В, изготавливаются и продаются единичные экземпляры сварочных трансформаторов для роботизированной сварки. Подписано соглашение о намерениях с China Southern Power Grid Company
  • #15 Сделать промышленный образец трансформатора 10кВ/400В мощностью 100 кВт Протестировать его вместе с производственной компанией Дополнительно запатентовать ключевые особенности конструкции трансформатора (есть патенты на катушку, технологию изготовления, подана заявка на патент конструкции магнитопровода Продемонстрировать технологию и промышленный образец крупнейшим мировым производителям и китайскому покупателю продукции Продать технологию за сумму от 5 млн Долларов