Alumini vs cobre en els bobinats dels transformadors d'energia: comparació de costos i rendiment

Actualment, el preu de mercat del cobre roman alt, fluctuant en un rang de 70.000 a 80.000 iuan per tonelada. En contrast, el preu de l'alumini es manté baix, oscil·lant en un rang de 18.000 a 20.000 iuan per tonelada. Per als transformadors elèctrics, reemplaçar les bobines de cobre amb bobines d'alumini en el disseny reduirà indubtablement el cost del material del producte, suposant una gran economia per als clients finals.

Durant molt de temps, s'ha creïut àmpliament en la indústria que les bobines d'alumini només podrien utilitzar-se en transformadors elèctrics amb un nivell de tensió de 35kV o inferior. De fet, aquesta és una gran mala interpretació. En realitat, les bobines d'alumini poden oferir grans avantatges quan es fan servir en transformadors de alta tensió. El factor clau que realment limita la difusió i aplicació de les bobines d'alumini és que la resistència a la tracció dels conductors d'alumini només pot arribar a uns 70MPa actualment, el que pot conduir a una capacitat insuficient per suportar curts circuits en algunes situacions.

1. Situació Actual i Normes
1.1 Situació Actual dels Transformadors amb Bobines d'Alumini

A l'estranger, els transformadors amb bobines d'alumini s'utilitzen ampliament en el camp dels transformadors de distribució i tenen una petita quantitat d'aplicacions en els transformadors principals. A Xina, encara que s'han utilitzat bobines d'alumini en transformadors de distribució, els transformadors principals amb un nivell de tensió de 110kV a 1000kV encara no s'han aplicat legalment.

1.2 Normes Relacionades amb els Transformadors amb Bobines d'Alumini

Tant la norma internacional IEC com la norma nacional GB permeten clarament que els transformadors elèctrics facin servir cobre o alumini com a materials conductors per a les bobines. A més, l'Administració Nacional d'Energia va emitir normes d'indústria per als transformadors amb bobines d'alumini a gener de 2016, incloent-hi Paràmetres Tècnics i Requisits per a Transformadors de Distribució Immersos en Òli de 6kV～35kV amb Bobines d'Alumini i Paràmetres Tècnics i Requisits per a Transformadors Secs de 6kV～35kV amb Bobines d'Alumini. Això indica plenament que, des del punt de vista de les normes, l'aplicació de transformadors amb bobines d'alumini és legal.

2. Comparació Quantitativa del Cost

Segons l'experiència de disseny convencional, en el supòsit de garantir paràmetres de rendiment del transformador constants (com ara la pèrdua a buit, la pèrdua a càrrega, la impedància a curt circuit, el marge de capacitat de suport a curt circuit, etc.), juntament amb els preus actuals dels materials bruts (el preu de mercat del cobre nu és d'uns 70.000 iuan per tonelada, i el preu de mercat de l'alumini nu és d'uns 20.000 iuan per tonelada), el cost principal del material dels transformadors que utilitzen bobines d'alumini es pot reduir més d'un 20% en comparació amb aquells que utilitzen bobines de cobre.

El següent és una comparació específica amb un transformador elèctric SZ20-50000/110-NX2 com a exemple.

Es pot veure dels resultats de la comparació anterior que, en el supòsit de garantir els mateixos paràmetres de rendiment, per a un transformador elèctric de classe II d'alta eficiència de doble bobina de 50MVA/110kV, el cost de la bobina d'alumini és aproximadament un 23,5% més baix que el de la bobina de cobre, i l'efecte de reducció de costos és molt significatiu.

Comparació Qualitativa del Rendiment

La comparació qualitativa dels principals rendiments dels transformadors elèctrics amb bobines d'alumini i de cobre es divideix en els següents aspectes:

3.1 Pèrdua a Buit

La mida del nucli de ferro del transformador amb bobines d'alumini és relativament gran. Per assegurar la mateixa pèrdua a buit, es pot aconseguir reduint prou la densitat de flux magnètic o el diàmetre del nucli, o seleccionant fulls de silici fèrric amb menys pèrdues unitàries.

3.2 Pèrdua a Càrrega

Com que la resistivitat dels conductors d'alumini és d'uns 1,63 vegades la dels conductors de cobre, per assegurar la mateixa pèrdua a càrrega, generalment es redueix la densitat de corrent dels conductors de la bobina d'alumini.

3.3 Capacitat de Suport a Curt Circuit

En condicions d'impedància a curt circuit convencional i una capacitat nominal inferior a 100MVA, sempre que el disseny sigui raonable, el transformador amb bobines d'alumini també pot tenir una capacitat de suport a curt circuit suficient. Tanmateix, quan la capacitat nominal del transformador és superior a 100MVA o l'impedància és significativament baixa, el transformador amb bobines d'alumini pot mostrar la característica d'una capacitat de suport a curt circuit insuficient.

3.4 Marge d'Aïllament

Degut a la mida generalment més gran de la secció transversal del conductor d'alumini i el radi de curvatura més gran, la bobina d'alumini obtindrà un camp elèctric més uniforme en comparació amb la bobina de cobre. Amb la mateixa distància principal d'aïllament de la bobina i la divisió de la fenda d'oli, hi haurà un marge d'aïllament principal més gran. En termes de l'aïllament longitudinal de la bobina, la mida gran del conductor d'alumini significa una capacitance interturn més gran, que també és més favorable per a la distribució del procés d'ona. Aquest és el principi bàsic que fa que les bobines d'alumini siguin particularment adequades per als transformadors de alta tensió.

3.5 Nivell de Creixement de Temperatura

Degut a la mida generalment més gran de la secció transversal del conductor d'alumini, el transformador amb bobines d'alumini tindrà una superfície de dissipació de calor més gran en comparació amb el transformador amb bobines de cobre. En el supòsit de la mateixa font de calor, s'obtindrà un creixement de temperatura cobi-oli més baix. A més, ja que l'efecte de pele de l'elefant del conductor d'alumini és significativament més feble que el de la bobina de cobre i la pèrdua per corrents de Foucault és menor, la bobina d'alumini tindrà un creixement de temperatura de punta més baix.

3.6 Sobrecàrrega i Vida Útil

Degut al efecte de pele de l'elefant més feble del propi enrolament i al creixement de temperatura de punta més baix, en les mateixes condicions, el transformador amb bobines d'alumini tindrà una vida útil més llarga i una capacitat de sobrecàrrega més forta.

4 Resum

En el supòsit de garantir els mateixos paràmetres de rendiment, segons els preus actuals de mercat del cobre i l'alumini, els transformadors elèctrics amb bobines d'alumini generalment reduïxen el cost més d'un 20% en comparació amb aquells amb bobines de cobre. Objectivament parlant en termes tecnològics, excepte la capacitat de suport a curt circuit, el rendiment integral dels transformadors elèctrics amb bobines d'alumini és indubtablement líder en comparació amb els que utilitzen bobines de cobre.

Fondamentalment, la limitació de l'aplicació dels transformadors elèctrics amb bobines d'alumini no està en la alta tensió, sinó en la gran capacitat. Esencialment, es troba en la insuficiència natural de la resistència a la tracció dels conductors d'alumini, fent que inherentment sigui difícil complir amb la capacitat de suport a curt circuit de alguns transformadors de gran capacitat o baixa impedància. La aparició de conductors d'aleació d'alumini per a les bobines de transformadors és precisament un intent de solucionar aquest problema.

No obstant això, augmentar l'impedància a curt circuit dels transformadors elèctrics pot resoldre aquest problema ràpidament. Després d'augmentar l'impedància a curt circuit dels transformadors elèctrics, la corrent de curt circuit es reduirà. Fins i tot per a transformadors de gran capacitat (com ara per sobre de 180MVA), la capacitat de suport a curt circuit de les bobines d'alumini pot deixar de ser un problema restrictiu.