Алюминий срещу мед в обикновеният трансформатор: Сравнение на цената и производителността

В момента пазарната цена на медта остава висока, колебаейки се в диапазона от 70 000 до 80 000 юана за тон. В сравнение, цената на алюминия остава ниска, колебаейки се в диапазона от 18 000 до 20 000 юана за тон. За електротрансформаторите, замяната на медните обмотки с алюминиеви обмотки в дизайна ще намали значително материалните разходи на продуктите, водейки до съществена икономия за крайните клиенти.

Дълго време в индустрията се е смятало, че алюминиевите обмотки могат да се използват само в електротрансформатори с напрежение до 35 кV. Всъщност, това е голямо недоразумение. В действителност, алюминиевите обмотки могат да проявят по-големи предимства, когато се прилагат в високонапреженчески електротрансформатори. Факторът, който наистина ограничава популяризацията и приложението на алюминиевите обмотки, е, че допустимото напрежение на алюминиевите проводници в момента достига около 70 МПа, което може да доведе до недостатъчна устойчивост на обмотките при краткосрочни коротки съединения в някои сценарии.

1. Състояние и стандарти
1.1 Състояние на алюминиевите обмотки в трансформаторите

В чужбина, алюминиевите обмотки са широко използвани в областта на дистрибутивните трансформатори и имат малко приложения в главните трансформатори. В Китай, въпреки че алюминиевите обмотки са приложени в дистрибутивните трансформатори, главните трансформатори с напрежение от 110 кV до 1000 кV все още не са законно приложени.

1.2 Съответстващи стандарти за алюминиевите обмотки в трансформаторите

И международният стандарт IEC, и националният стандарт GB ясно разрешават използването на медь или алюминий като материали за проводници в обмотките на електротрансформаторите. Освен това, Националната администрация по енергетика издаде промишлени стандарти за алюминиевите обмотки в трансформаторите през януари 2016 г., включително Технически параметри и изисквания за маслени алюминиеви обмотки в дистрибутивни трансформатори от 6 кV до 35 кV и Технически параметри и изисквания за сухи алюминиеви обмотки в трансформатори от 6 кV до 35 кV. Това показва, че от гледна точка на стандарти, приложението на алюминиевите обмотки в трансформаторите е законно.

2. Количествено сравнение на разходите

Според конвенционалния опит в дизайн, при условие, че се гарантират единни параметри на производителността на трансформаторите (като безнагрузковата загуба, нагрузковата загуба, импедансът при краткосрочно съединение, резерва на устойчивостта при краткосрочно съединение и т.н.), комбинирано с текущите цени на суровините (пазарната цена на чистата мед е около 70 000 юана за тон, а пазарната цена на чистия алюминий е около 20 000 юана за тон), основните материали на трансформаторите с алюминиеви обмотки могат да бъдат спестени над 20% в сравнение с тези с медни обмотки.

По-долу е специфично сравнение с примера на SZ20-50000/110-NX2 електротрансформатор.

От горните резултати на сравнението може да се види, че при условие, че се гарантират същите параметри на производителността, за 50 MVA/110 kV двоен обиколен трансформатор от втора класа, разходите за алюминиевата обмотка са около 23.5% по-ниски от тези за медната обмотка, и ефектът от намаление на разходите е много значителен.

Качествено сравнение на производителността

Качественото сравнение на основните характеристики на електротрансформаторите с алюминиеви и медни обмотки се разделя на следните аспекти:

3.1 Безнагрузкова загуба

Размерът на желязната ядро на трансформатора с алюминиева обмотка е относително голям. За да се осигури същата безнагрузкова загуба, това може да се постигне чрез подходящо намаление на плътността на магнитния поток или диаметъра на желязното ядро, или избор на силиконови стоманени листове с по-ниска единична загуба.

3.2 Нагрузкова загуба

Тъй като удължаващата се съпротивителност на алюминиевите проводници е около 1.63 пъти по-голяма от тази на медните проводници, за да се осигури същата нагрузкова загуба, обикновено се намалява плътността на тока на алюминиевите обмотки.

3.3 Устойчивост при краткосрочно съединение

При условията на конвенционален импеданс при краткосрочно съединение и номинална мощност под 100 MVA, ако дизайнят е рационален, трансформаторът с алюминиева обмотка може също да има достатъчна устойчивост при краткосрочно съединение. Обаче, когато номиналната мощност на трансформатора е над 100 MVA или импедансът е значително нисък, трансформаторът с алюминиева обмотка може да покаже характеристиката на недостатъчна устойчивост при краткосрочно съединение.

3.4 Изолационен резерв

Поради обикновено по-големия размер на алюминиевите проводници и по-големия радиус на кривина на проводника, алюминиевата обмотка ще получи по-равномерно електрическо поле в сравнение с медната обмотка. При същата основна изолационна дистанция на обмотката и деление на масло, ще има по-голям основен изолационен резерв. От гледна точка на продължителната изолация на обмотката, големият размер на алюминиевите проводници означава по-голяма емкост между витките, което също е по-благоприятно за разпределението на вълновия процес. Това е основният принцип, който прави алюминиевите обмотки особено подходящи за високонапреженчески трансформатори.

3.5 Ниво на температурно увеличение

Поради обикновено по-големия размер на алюминиевите проводници, трансформаторът с алюминиева обмотка ще има по-голяма повърхност за разсейване на топлина в сравнение с трансформатора с медна обмотка. При същия източник на топлина, ще се получи по-ниско температурно увеличение на мед-маслото. Освен това, тъй като кожен ефектът на алюминиевите проводници е значително по-слаб от този на медните обмотки и завихрящата загуба е по-малка, алюминиевата обмотка ще има по-ниско температурно увеличение на горещата точка.

3.6 Прегласуване и срок на полезност

Поради по-слабия кожен ефект на самата обмотка и по-ниското температурно увеличение на горещата точка, при същите условия, трансформаторът с алюминиева обмотка ще има по-дълъг срок на полезност и по-голяма способност за прегласуване.

4 Резюме

При условие, че се гарантират същите параметри на производителността, според текущите пазарни цени на медта и алюминия, електротрансформаторите с алюминиеви обмотки обикновено намаляват разходите с над 20% в сравнение с тези с медни обмотки. Обективно казано, от техническа гледна точка, освен устойчивостта при краткосрочно съединение, комплексната производителност на електротрансформаторите с алюминиеви обмотки е несъмнено по-висока от тази на трансформаторите с медни обмотки.

Фундаментално, ограниченото приложение на електротрансформаторите с алюминиеви обмотки не се дължи на високото напрежение, а на големия капацитет. Есенциално, то се дължи на естествената недостатъчност на допустимото напрежение на алюминиевите проводници, което прави трудно да се отговори на устойчивостта при краткосрочно съединение на някои трансформатори с голям капацитет или нисък импеданс. Появата на проводници за алюминиеви сплави в трансформатори е точно опит да се реши този проблем.

Обаче, увеличаването на импеданса при краткосрочно съединение на електротрансформаторите може бързо да реши този проблем. След увеличаването на импеданса при краткосрочно съединение, токът при краткосрочно съединение ще бъде намален. Даже за трансформатори с голям капацитет (например над 180 MVA), устойчивостта при краткосрочно съединение на алюминиевите обмотки вече може да не е ограничаващ проблем.