Aluminium vs. Kupferwicklungen in Starkstromtransformatoren: Kosten- und Leistungsvergleich

Derzeit bleibt der Marktpreis von Kupfer hoch und schwankt im Bereich von 70.000 bis 80.000 Yuan pro Tonne. Im Gegensatz dazu bleibt der Preis für Aluminium niedrig und liegt im Bereich von 18.000 bis 20.000 Yuan pro Tonne. Für Starkstromtransformer bedeutet das Ersetzen von Kupferspulen durch Aluspulen in der Konstruktion zweifellos eine erhebliche Reduzierung der Materialkosten des Produkts, was den Endkunden beträchtliche Kosteneinsparungen bringt.

Lange Zeit wurde in der Branche allgemein angenommen, dass Aluspulen nur in Starkstromtransformern mit einer Spannungsebene von 35kV und darunter verwendet werden können. In Wirklichkeit ist dies ein großes Missverständnis. Tatsächlich können Aluspulen bei der Anwendung in Hochspannungs-Starkstromtransformern größere Vorteile entfalten. Der entscheidende Faktor, der die Verbreitung und Anwendung von Aluspulen tatsächlich einschränkt, ist, dass die Zugfestigkeit von Aluminiumleitern derzeit nur etwa 70MPa erreichen kann, was in manchen Szenarien zu einem unzureichenden Kurzschlusswiderstand der Transformatorenspulen führen kann.

1. Aktuelle Situation und Standards
1.1 Aktuelle Situation von Transformern mit Aluspulen

Im Ausland werden Transformer mit Aluspulen weit verbreitet in der Verteiltransformatortechnik eingesetzt und haben einige Anwendungen in Haupttransformern. In China wurden zwar Aluspulen in Verteiltransformern eingesetzt, jedoch wurden Haupttransformer mit einer Spannungsebene von 110kV bis 1000kV noch nicht gesetzlich angewendet.

1.2 Relevante Standards für Transformer mit Aluspulen

Sowohl der internationale Standard IEC als auch der nationale Standard GB erlauben klar, dass Starkstromtransformer Kupfer oder Aluminium als Leitermaterial für Spulen verwenden können. Darüber hinaus gab die National Energy Administration im Januar 2016 Branchenstandards für Transformer mit Aluspulen heraus, einschließlich Technische Parameter und Anforderungen für ölgetränkte Verteiltransformer mit Aluspulen von 6kV～35kV und Technische Parameter und Anforderungen für trockengelegte Transformer mit Aluspulen von 6kV～35kV. Dies zeigt deutlich, dass die Anwendung von Transformer mit Aluspulen aus standardisierter Sicht legal ist.

2. Quantitativer Kostenv Vergleich

Basierend auf konventioneller Entwurfserfahrung, unter der Voraussetzung, die gleichen Leistungsparameter des Transformers (wie Leerlaufverlust, Lastverlust, Kurzschlussimpedanz, Kurzschlusswiderstandsmarge usw.) sicherzustellen, und in Kombination mit den aktuellen Rohstoffpreisen (der Marktpreis für blankes Kupfer beträgt etwa 70.000 Yuan pro Tonne, und der Marktpreis für blankes Aluminium beträgt etwa 20.000 Yuan pro Tonne), können die Hauptmaterialkosten von Transformern mit Aluspulen um mehr als 20% gegenüber denen mit Kupferspulen eingespart werden.

Im Folgenden finden Sie einen spezifischen Vergleich am Beispiel eines SZ20-50000/110-NX2-Starkstromtransformers.

Aus den obigen Vergleichsergebnissen geht hervor, dass, unter der Voraussetzung, die gleichen Leistungsparameter zu gewährleisten, für einen 50MVA/110kV-Doppelspulen-Energieeffizienzklasse-II-Starkstromtransformer, die Kosten der Aluspule etwa 23,5% geringer sind als die der Kupferspule, und der Kosteneinsparungseffekt ist sehr signifikant.

Qualitativer Leistungsvergleich

Der qualitative Vergleich der Hauptleistungen von Transformern mit Aluspulen und Kupferspulen gliedert sich in folgende Aspekte:

3.1 Leerlaufverlust

Die Größe des Eisenkerns des Transformers mit Aluspule ist relativ groß. Um den gleichen Leerlaufverlust sicherzustellen, kann dies erreicht werden, indem die magnetische Flussdichte oder der Durchmesser des Eisenkerns angemessen reduziert wird oder Siliziumstahlplatten mit geringeren Einheitsverlusten ausgewählt werden.

3.2 Lastverlust

Da die spezifische elektrische Widerstandszahl von Aluminiumleitern etwa 1,63-mal höher ist als die von Kupferleitern, wird zur Gewährleistung des gleichen Lastverlusts in der Regel die Stromdichte der Aluminiumspulenleiter reduziert.

3.3 Kurzschlusswiderstandsfähigkeit

Unter den Bedingungen herkömmlicher Kurzschlussimpedanz und einer Nennleistung unter 100MVA, sofern das Design vernünftig ist, kann der Transformer mit Aluspule ebenfalls ausreichende Kurzschlusskapazität haben. Allerdings, wenn die Nennleistung des Transformers über 100MVA oder die Impedanz signifikant niedrig ist, kann der Transformer mit Aluspule das Merkmal eines unzureichenden Kurzschlusswiderstandes zeigen.

3.4 Isolationsreserve

Aufgrund der allgemein größeren Querschnittsabmessungen und dem größeren Krümmungsradius der Aluminiumleiter erhält die Aluspule im Vergleich zur Kupferspule ein gleichmäßigeres elektrisches Feld. Bei gleicher Hauptisolierdistanz der Spule und Öllückenteilung gibt es eine größere Hauptisolationsreserve. In Bezug auf die Längsisolation der Spule bedeutet die große Größe des Aluminiumleiters eine größere Zwischenwindungskapazität, was auch förderlicher für die Verteilung des Wellenprozesses ist. Dies ist das grundlegende Prinzip, das Aluspulen besonders für Hochspannungs-Transformer geeignet macht.

3.5 Temperaturanstiegsniveau

Aufgrund der allgemein größeren Querschnittsabmessungen des Aluminiumleiters hat der Transformer mit Aluspule im Vergleich zum Transformer mit Kupferspule eine größere Abkühlfläche. Unter der Voraussetzung derselben Wärmequelle ergibt sich ein geringerer Kupfer-Öl-Temperaturanstieg. Darüber hinaus, da der Hauteffekt des Aluminiumleiters signifikant schwächer ist als der der Kupferspule und die Wirbelstromverluste geringer sind, hat die Aluspule einen geringeren Heißpunkt-Temperaturanstieg.

3.6 Überlast und Lebensdauer

Aufgrund des schwächeren Hauteffekts der Spule selbst und des geringeren Heißpunkt-Temperaturanstiegs hat der Transformer mit Aluspule unter den gleichen Bedingungen eine längere Lebensdauer und eine stärkere Überlastfähigkeit.

4 Zusammenfassung

Unter der Voraussetzung, die gleichen Leistungsparameter zu gewährleisten, reduzieren Transformer mit Aluspulen gemäß den aktuellen Marktpreisen von Kupfer und Aluminium die Kosten im Allgemeinen um mehr als 20% im Vergleich zu denen mit Kupferspulen. Objektiv betrachtet in technischer Hinsicht, außer in Bezug auf die Kurzschlusswiderstandsfähigkeit, ist die Gesamtleistung von Transformern mit Aluspulen zweifellos umfassend vorausgehen derjenigen mit Kupferspulen.

Grundsätzlich liegt die begrenzte Anwendung von Transformern mit Aluspulen nicht in der hohen Spannung, sondern in der großen Kapazität. Wesentlich liegt es in der natürlichen Unzulänglichkeit der Zugfestigkeit von Aluminiumleitern, die es intrinsisch schwierig macht, die Kurzschlusswiderstandsfähigkeit einiger Großkapazitäts- oder Niederimpedanz-Transformern zu erfüllen. Die Einführung von Aluminiumlegierungsleitern für Transformatorenspulen ist genau ein Versuch, dieses Problem zu lösen.

Allerdings kann das Erhöhen der Kurzschlussimpedanz von Transformern dieses Problem schnell lösen. Nachdem die Kurzschlussimpedanz von Transformern erhöht wurde, wird der Kurzschlussstrom reduziert. Selbst für Großkapazitäts-Transformer (wie über 180MVA) könnte die Kurzschlusswiderstandsfähigkeit von Aluspulen kein einschränkendes Problem mehr sein.