Aluminium vs Koper Vindinger i Strømtransformatorer: Sammenligning af Omkostninger & Ydeevne

I øjeblikket er markedsprisen for kobber høj og svajer i intervallet mellem 70.000 og 80.000 yuan pr. ton. I modsætning hertil holder aluminiumprisen lav, og ligger i intervallet mellem 18.000 og 20.000 yuan pr. ton. For strømtransformatorer vil det at erstatte kobberindvikling med aluminiumindvikling i designet uden tvivl reducere produktets materialomkostninger betydeligt, hvilket vil give endekunderne store besparelser.

Længe har det været almindeligt anset i branchen, at aluminiumindviklinger kun kan anvendes i strømtransformatorer med et spændingsniveau på 35kV og under. Faktisk er dette en stor misforståelse. Som en sag af faktum kan aluminiumindviklinger udnytte større fordele, når de anvendes i højspændingstransformatorer. Den virkelige begrænsende faktor, der forhindrer udbredelsen og anvendelsen af aluminiumindviklinger, er, at aluminiumlederes flowspænding kun kan nå op på omkring 70MPa i øjeblikket, hvilket kan føre til utilstrækkelig kortsammenbrudsudholdenhed af transformatorindviklingerne i nogle scenarier.

1. Nuværende situation og standarder
1.1 Nuværende situation for aluminiumindviklings-transformatorer

Udlandet anvendes aluminiumindviklings-transformatorer bredt inden for feltet for distributions-transformatorer og har få anvendelsesområder i hovedtransformatorer. I Kina, selvom aluminiumindviklinger allerede anvendes i distributions-transformatorer, er hovedtransformatorer med et spændingsniveau på 110kV til 1000kV endnu ikke lovligt anvendt.

1.2 Relevante standarder for aluminiumindviklings-transformatorer

Både den internationale standard IEC og den nationale standard GB tillader tydeligt, at strømtransformatorer kan bruge enten kobber eller aluminium som ledemateriale til indviklinger. Desuden udstedte National Energy Administration industriel standard for aluminiumindviklings-transformatorer i januar 2016, herunder Tekniske parametre og krav for 6kV～35kV oliebaserede aluminiumindviklings-distributions-transformatorer og Tekniske parametre og krav for 6kV～35kV tør-type aluminiumindviklings-transformatorer. Dette viser fuldt ud, at fra et standardperspektiv er anvendelsen af aluminiumindviklings-transformatorer legal.

2. Kvantitativ kostningsberegning

Ifølge konventionelle design-erfaringer, under forudsætning af at sikre ensartede transformatorprestationsparametre (som tomgangstab, belastningstab, kortslutningsimpedans, margen for kortslutningsudholdenhed osv.), kombineret med nuværende råmaterialpriser (markedsprisen for blottet kobber er ca. 70.000 yuan pr. ton, og markedsprisen for blottet aluminium er ca. 20.000 yuan pr. ton), kan de primære materialomkostninger til transformatorer, der anvender aluminiumindviklinger, blive mindsket med mere end 20% sammenlignet med dem, der anvender kobberindviklinger.

Her følger en specifik sammenligning med en SZ20-50000/110-NX2 strømtransformator som eksempel.

Det kan ses af ovenstående sammenligningsresultater, at under forudsætning af at sikre de samme prestationsparametre, vil kostningen for aluminiumindviklingen være ca. 23,5% lavere end den for kobberindviklingen for en 50MVA/110kV dobbeltindviklings II-klasses energieffektiv strømtransformator, og kostningsreduktionsvirkningen er meget betydelig.

Kvalitativ sammenligning af ydeevne

Den kvalitative sammenligning af de primære ydeevner for strømtransformatorer med aluminiumindviklinger og kobberindviklinger er opdelt i følgende aspekter:

3.1 Tomgangstab

Størrelsen på jernkernen for aluminiumindviklings-transformatorer er generelt større. For at sikre samme tomgangstab, kan det opnås ved passende at reducere magnetfluxdensiteten eller diameteren af jernkernen eller ved at vælge siliciumstålplader med lavere enhedstab.

3.2 Belastningstab

Da resistiviteten for aluminiumledere er ca. 1,63 gange så stor som for kobberledere, reduceres generelt strømtætheden for aluminiumindviklingsledere for at sikre samme belastningstab.

3.3 Kortslutningsudholdenhed

Under vilkår af konventionel kortslutningsimpedans og en angivet effekt under 100MVA, kan aluminiumindviklings-transformatorer have tilstrækkelig kortslutningskapacitet, hvis designet er rimeligt. Men når den angivne effekt for transformatoren overstiger 100MVA eller impedansen er betydeligt lav, kan aluminiumindviklings-transformatorer vise karakteristika med utilstrækkelig kortslutningsudholdenhed.

3.4 Isolationsmargin

På grund af den generelt større størrelse af aluminiumledernes kaliber og den større radius af lederens kurve, vil aluminiumindviklingen opnå en mere ligelig elektrisk felt sammenlignet med kobberindviklingen. Under samme hovedisolationsafstand for indviklingen og oildeling, vil der være en større hovedisolationsmargin. Med hensyn til indviklingens longitudinale isolation, betyder den store størrelse af aluminiumlederen en større kapacitance mellem vindinger, hvilket også er mere gunstigt for bølgeprocessens distribution. Dette er det grundlæggende princip, der gør aluminiumindviklinger særligt egnet til højspændingstransformatorer.

3.5 Opvarmningsniveau

På grund af den generelt større størrelse af aluminiumledernes kaliber, vil aluminiumindviklings-transformatoren have en større varmekildeoverflade sammenlignet med kobberindviklings-transformatoren. Under forudsætning af samme varmekilde, vil der opnås en lavere kobber-olie-varmestigning. Desuden, da hudeeffekten for aluminiumledere er markant svagere end for kobberindviklinger, og virvelstrøms-tabene er mindre, vil aluminiumindviklingen have en lavere hotspot-varmestigning.

3.6 Overbelastning og levetid

På grund af den svagere hudeeffekt af selve indviklingen og den lavere hotspot-varmestigning, vil aluminiumindviklings-transformatoren under samme forhold have en længere levetid og stærkere overbelastningskapacitet.

4 Konklusion

Under forudsætning af at sikre de samme prestationsparametre, vil strømtransformatorer med aluminiumindviklinger generelt reducere kostningen med mere end 20% sammenlignet med dem, der anvender kobberindviklinger, ifølge de nuværende markedspriser for kobber og aluminium. Objektivt set teknologisk set, undtagen kortslutningsudholdenhed, er den samlede ydeevne for strømtransformatorer med aluminiumindviklinger uden tvivl komplet førende i forhold til dem, der anvender kobberindviklinger.

Grundlæggende set ligger begrænsningen i anvendelsen af strømtransformatorer med aluminiumindviklinger ikke i høj spænding, men i stor kapacitet. Det ligger i bund og grund i den naturlige mangel på flowspænding for aluminiumledere, hvilket gør det intrinsisk svært at opfylde kortslutningsudholdenheden for nogle store kapaciteter eller lav-impedans strømtransformatorer. Fremkomsten af lederer til aluminiumlegerings-transformatorindviklinger er netop et forsøg på at løse dette problem.

Imidlertid kan øgning af kortslutningsimpedansen for strømtransformatorer hurtigt løse dette problem. Efter at kortslutningsimpedansen for strømtransformatorer er øget, vil kortslutningsstrømmen blive reduceret. Selv for store kapaciteter (som over 180MVA) strømtransformatorer, kan kortslutningsudholdenheden for aluminiumindviklinger muligvis ikke længere være et begrænsende problem.