Hliníkové versus měděné cívky v elektrických transformátorech: Srovnání nákladů a výkonu

Aktuální tržní cena mědi zůstává vysoká, s kolísáním v rozmezí 70 000 až 80 000 CNY za tunu. Naopak cena hliníku zůstává nízká, pohybuje se v rozmezí 18 000 až 20 000 CNY za tunu. Při návrhu elektrických transformátorů bude bezpochyby významně snížena materiální nákladovost produktu, pokud budou měděné cívky nahrazeny hliníkovými, což přinese koncovým zákazníkům významné úspory.

Dlouho bylo v odvětví široce přijato, že hliníkové cívky lze použít pouze u elektrických transformátorů s napětím do 35 kV. Ve skutečnosti je to velké nedorozumění. Hliníkové cívky mohou totiž využít své výhody i u vysokonapěťových transformátorů. Skutečným faktorem, který omezuje širší použití hliníkových civek, je to, že průtahová pevnost hliníkových vodičů dosahuje pouze asi 70 MPa, což může vést k nedostatečné odolnosti civek proti krátkému zapojení v některých situacích.

1. Současná situace a normy
1.1 Současná situace hliníkových civek v transformátorech

Zahraničí jsou hliníkové cívky široce používány v oblasti distribučních transformátorů a mají malé množství aplikací v hlavních transformátorech. V Číně, i když jsou hliníkové cívky používány v distribučních transformátorech, hlavní transformátory s napětím 110 kV až 1 000 kV dosud nebyly legálně použity.

1.2 Relevatní normy pro hliníkové cívky v transformátorech

Mezinárodní standard IEC a národní standard GB jasně umožňují použití mědi nebo hliníku jako materiálu vodičů pro cívky v elektrických transformátorech. Kromě toho v lednu 2016 vydalo Národní energetické úřednictví průmyslové normy pro hliníkové cívky v transformátorech, včetně Technických parametrů a požadavků pro olejové hliníkové cívky v distribučních transformátorech 6 kV–35 kV a Technických parametrů a požadavků pro suché hliníkové cívky v transformátorech 6 kV–35 kV. To plně ukazuje, že z hlediska standardů je použití hliníkových civek v transformátorech legální.

2. Kvantitativní srovnání nákladů

Na základě běžného návrhového zkušenosti, za předpokladu zachování konzistentních parametrů výkonu transformátoru (např. chodidlo ztráty, zatížení ztráty, krátkozaměrná impedance, rezervní kapacita proti krátkému zapojení atd.), v kombinaci s aktuálními cenami surovin (tržní cena čistého mědi je přibližně 70 000 CNY za tunu, tržní cena čistého hliníku je přibližně 20 000 CNY za tunu), mohou být hlavní materiální náklady transformátorů s hliníkovými cívkami o více než 20 % nižší než u těch s měděnými cívkami.

Následuje konkrétní srovnání na příkladu transformátoru SZ20-50000/110-NX2.

Z výše uvedených srovnávacích výsledků je vidět, že za předpokladu zachování stejných parametrů výkonu, pro 50 MVA/110 kV dvojitou cívek II. třídy energeticky efektivního transformátoru, je náklad hliníkové cívky přibližně 23,5 % nižší než u měděné cívky, a úsporný efekt je velmi významný.

Kvalitativní srovnání výkonu

Kvalitativní srovnání hlavních výkonů elektrických transformátorů s hliníkovými a měděnými cívkami se dělí do následujících aspektů:

3.1 Chodidlo ztráty

Velikost jádra hliníkové cívky je relativně větší. Aby byla zajištěna stejná chodidlo ztráta, lze to dosáhnout vhodným snížením hustoty magnetického toku nebo průměru jádra nebo výběrem silikonových plechů s nižší jednotkovou ztrátou.

3.2 Zatížení ztráty

Protože elektrická vodivost hliníkových vodičů je přibližně 1,63 krát větší než u měděných vodičů, aby byla zajištěna stejná zatížení ztráta, je obvykle snížena hustota proudu v hliníkových cívkách.

3.3 Odolnost proti krátkému zapojení

Pod podmínkami běžné krátkozaměrné impedance a nominální kapacity do 100 MVA, pokud je návrh správný, může hliníková cívka mít také dostatečnou odolnost proti krátkému zapojení. Nicméně, když je nominální kapacita transformátoru nad 100 MVA nebo je impedance výrazně nízká, hliníková cívka může projevit charakteristiku nedostatečné odolnosti proti krátkému zapojení.

3.4 Rezervní kapacita izolace

Díky obecně většímu průměru hliníkového vodiče a většímu poloměru zakřivení vodiče, bude hliníková cívka mít porovnáním s měděnou cívkou rovnoměrnější elektrické pole. Za stejnou hlavní vzdálenost izolace cívky a dělení olejového prostoru, bude existovat větší rezervní kapacita hlavní izolace. Co se týče longitudinální izolace cívky, větší rozměr hliníkového vodiče znamená větší meziodviti kapacitu, což je také prospěšné pro rozdělení vlnového procesu. Toto je základní princip, který činí hliníkové cívky obzvláště vhodnými pro vysokonapěťové transformátory.

3.5 Úroveň teplotního vzestupu

Díky obecně většímu průměru hliníkového vodiče, bude hliníková cívka mít v porovnání s měděnou cívkou větší plochu odvodu tepla. Za předpokladu stejného zdroje tepla, bude dosaženo nižšího teplotního vzestupu měď-olej. Navíc, protože efekt kůže hliníkového vodiče je výrazně slabší než u měděné cívky a indukční ztráty jsou menší, bude hliníková cívka mít nižší teplotní vzestup horkého místa.

3.6 Přetížení a životnost

Díky slabšímu efektu kůže samotné cívky a nižšímu teplotnímu vzestupu horkého místa, bude hliníková cívka za stejných podmínek mít delší životnost a lepší schopnost přetížení.

4 Shrnutí

Za předpokladu zachování stejných parametrů výkonu, podle aktuálních tržních cen mědi a hliníku, obecně snižují náklady elektrické transformátory s hliníkovými cívkami o více než 20 % ve srovnání s těmi s měděnými cívkami. Objektivně řečeno z technologického hlediska, kromě odolnosti proti krátkému zapojení, je komplexní výkon elektrických transformátorů s hliníkovými cívkami nepochybně celkově vedoucí v porovnání s těmi s měděnými cívkami.

Zásadně řečeno, omezené použití elektrických transformátorů s hliníkovými cívkami není spojeno s vysokým napětím, ale s velkou kapacitou. Základním problémem je přirozená nedostatečná průtahová pevnost hliníkových vodičů, což způsobuje, že je obtížné splnit požadavek na odolnost proti krátkému zapojení některých transformátorů s velkou kapacitou nebo nízkou impedancí. Vznik hliníkových slitinových vodičů pro cívky transformátorů je právě pokusem řešit tento problém.

Nicméně, zvýšení krátkozaměrné impedance elektrických transformátorů může rychle vyřešit tento problém. Po zvýšení krátkozaměrné impedance elektrických transformátorů se sníží krátkozaměrný proud. I pro transformátory s velkou kapacitou (např. nad 180 MVA) může odolnost hliníkových civek proti krátkému zapojení již neznamenat omezení.