Αλουμίνι αντί Χαλκού σε Συρματοπλέξεις Μετατροπείς: Σύγκριση Κόστους και Απόδοσης

Παρούσα, η τιμή του χαλκού στην αγορά παραμένει υψηλή, κυμαινόμενη μεταξύ 70.000 και 80.000 χιλιάδων γιουαν ανά τόνο. Αντίθετα, η τιμή του αλουμινίου παραμένει χαμηλή, κυμαινόμενη μεταξύ 18.000 και 20.000 χιλιάδων γιουαν ανά τόνο. Για τους ηλεκτρικούς μετατροπείς, η αντικατάσταση των επαναληπτικών κατασκευών από χαλκό με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο στη σχεδίαση θα μειώσει αναμφίβολα σημαντικά το κόστος υλικών των προϊόντων, φέρνοντας σημαντικές οικονομίες στους τελικούς πελάτες.

Εδώ και καιρό, η βιομηχανία πιστεύει ευρέως ότι οι επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε ηλεκτρικούς μετατροπείς με επίπεδο τάσης 35kV και κάτω. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι ένα σημαντικό παρανόημα. Στην πραγματικότητα, οι επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο μπορούν να εκδηλώσουν μεγαλύτερα πλεονεκτήματα όταν εφαρμοστούν σε ηλεκτρικούς μετατροπείς υψηλής τάσης. Το καθοριστικό παράγοντας που πραγματικά περιορίζει τη διάδοση και εφαρμογή των επαναληπτικών κατασκευών από αλουμίνιο είναι ότι η παραγωγική αντοχή των διαγωνίων από αλουμίνιο μπορεί να φτάσει μόνο περίπου 70MPa, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε ανεπαρκή αντοχή σε σύντομη κατάρρευση των επαναληπτικών κατασκευών των μετατροπέων σε κάποιες περιπτώσεις.

1. Τρέχουσα Συνθήκη και Πρότυπα
1.1 Τρέχουσα Συνθήκη των Μετατροπέων με Επαναληπτικές Κατασκευές από Αλουμίνιο

Στο εξωτερικό, οι μετατροπείς με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο είναι ευρέως χρησιμοποιούμενοι στον τομέα των διανεμητικών μετατροπέων και έχουν λίγες εφαρμογές σε κύριους μετατροπείς. Στην Κίνα, παρόλο που οι επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο έχουν εφαρμοστεί σε διανεμητικούς μετατροπείς, οι κύριοι μετατροπείς με επίπεδο τάσης 110kV έως 1000kV δεν έχουν ακόμα εφαρμοστεί νομικά.

1.2 Σχετικά Πρότυπα για Μετατροπείς με Επαναληπτικές Κατασκευές από Αλουμίνιο

Τόσο το διεθνές πρότυπο IEC όσο και το εθνικό πρότυπο GB επιτρέπουν σαφώς τη χρήση χαλκού ή αλουμινίου ως υλικά διαγωνίων για τους ηλεκτρικούς μετατροπείς. Επιπλέον, το Κυβερνητικό Οργανισμός Ενέργειας έκδωσε βιομηχανικά πρότυπα για τους μετατροπείς με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο τον Ιανουάριο 2016, συμπεριλαμβανομένων των Τεχνικών Παραμέτρων και Απαιτήσεων για 6kV～35kV Λιπαντικούς Διανεμητικούς Μετατροπείς με Επαναληπτικές Κατασκευές από Αλουμίνιο και Τεχνικών Παραμέτρων και Απαιτήσεων για 6kV～35kV Ξηρούς Μετατροπείς με Επαναληπτικές Κατασκευές από Αλουμίνιο. Αυτό δείχνει πλήρως ότι, από την άποψη των προτύπων, η εφαρμογή των μετατροπέων με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο είναι νομική.

2. Ποσοτική Σύγκριση Κόστους

Σύμφωνα με τη συνηθισμένη εμπειρία σχεδίασης, με βάση την εγγύηση των ίδιων παραμέτρων απόδοσης των μετατροπέων (όπως η ζημιά χωρίς φορτίο, η ζημιά υπό φορτίο, η αντίσταση σύντομης κατάρρευσης, η περιθώριος αντοχής σε σύντομη κατάρρευση, κλπ.), σε συνδυασμό με τις τρέχουσες τιμές υλικών (η αγοραστική τιμή γυμνού χαλκού είναι περίπου 70.000 χιλιάδες γιουαν ανά τόνο, και η αγοραστική τιμή γυμνού αλουμινίου είναι περίπου 20.000 χιλιάδες γιουαν ανά τόνο), το κύριο κόστος υλικών των μετατροπέων με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο μπορεί να εξοικονομηθεί πάνω από 20% σε σύγκριση με τους μετατροπείς με επαναληπτικές κατασκευές από χαλκό.

Η εξής είναι μια συγκεκριμένη σύγκριση με παράδειγμα τον SZ20-50000/110-NX2 ηλεκτρικό μετατροπέα.

Μπορεί να διαπιστωθεί από τα παραπάνω αποτελέσματα σύγκρισης ότι, με βάση την εγγύηση των ίδιων παραμέτρων απόδοσης, για έναν 50MVA/110kV διπλό επαναληπτικό ηλεκτρικό μετατροπέα της Β' κλάσης ενεργοηχητικής απόδοσης, το κόστος της επαναληπτικής κατασκευής από αλουμίνιο είναι περίπου 23,5% χαμηλότερο από το κόστος της επαναληπτικής κατασκευής από χαλκό, και οι οικονομίες είναι πολύ σημαντικές.

Ποιανοτική Σύγκριση Απόδοσης

Η ποιανοτική σύγκριση των κυρίων αποδόσεων των ηλεκτρικών μετατροπέων με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο και χαλκό χωρίζεται στα εξής επίπεδα:

3.1 Ζημιά χωρίς φορτίο

Ο μέγεθος του μαγνητικού πυρήνα του μετατροπέα με επαναληπτική κατασκευή από αλουμίνιο είναι σχετικά μεγάλος. Για να εξασφαλίσει την ίδια ζημιά χωρίς φορτίο, μπορεί να επιτευχθεί με την κατάλληλη μείωση της μαγνητικής ροής ή του διαμέτρου του μαγνητικού πυρήνα ή την επιλογή σίλικον σιδήρου με χαμηλότερη μοναδική ζημιά.

3.2 Ζημιά υπό φορτίο

Επειδή η ρεσιστιβιτητή των διαγωνίων από αλουμίνιο είναι περίπου 1,63 φορές μεγαλύτερη από αυτή των διαγωνίων από χαλκό, για να εξασφαλίσει την ίδια ζημιά υπό φορτίο, η πυκνότητα τροφοδοσίας των διαγωνίων από αλουμίνιο είναι συνήθως μειωμένη.

3.3 Αντοχή σε σύντομη κατάρρευση

Κάτω από τις συνθήκες συνηθισμένης αντίστασης σύντομης κατάρρευσης και με καταχωρημένη ισχύ κάτω από 100MVA, όσον αφορά την ορθή σχεδίαση, ο μετατροπέας με επαναληπτική κατασκευή από αλουμίνιο μπορεί επίσης να έχει αρκετή αντοχή σε σύντομη κατάρρευση. Ωστόσο, όταν η καταχωρημένη ισχύς του μετατροπέα είναι πάνω από 100MVA ή η αντίσταση είναι σημαντικά χαμηλή, ο μετατροπέας με επαναληπτική κατασκευή από αλουμίνιο μπορεί να εμφανίσει την ιδιότητα ανεπαρκούς αντοχής σε σύντομη κατάρρευση.

3.4 Περιθώριο εξωτερικής απομόνωσης

Λόγω του γενικά μεγαλύτερου μεγέθους του διαμέτρου των διαγωνίων από αλουμίνιο και του μεγαλύτερου ακτίνα της καμπυλότητας, η επαναληπτική κατασκευή από αλουμίνιο θα επιτύχει πιο ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο σε σύγκριση με την επαναληπτική κατασκευή από χαλκό. Κάτω από την ίδια κύρια απόσταση απομόνωσης της επαναληπτικής κατασκευής και την διαίρεση της λιπαντικής χαμηλότερης απόστασης, θα υπάρξει μεγαλύτερο περιθώριο κύριας απομόνωσης. Σε ό,τι αφορά την οριζόντια απομόνωση της επαναληπτικής κατασκευής, το μεγαλύτερο μέγεθος του διαγωνίου από αλουμίνιο σημαίνει μεγαλύτερη μεταξύ κατάδια κατανομή, η οποία είναι επίσης πιο ευνοϊκή για την κατανομή της κυματικής διαδικασίας. Αυτή είναι η βασική αρχή που καθιστά τις επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο ιδιαίτερα κατάλληλες για υψηλής τάσης μετατροπείς.

3.5 Επίπεδο θερμανσίας

Λόγω του γενικά μεγαλύτερου μεγέθους του διαμέτρου των διαγωνίων από αλουμίνιο, ο μετατροπέας με επαναληπτική κατασκευή από αλουμίνιο θα έχει μεγαλύτερη επιφάνεια θερμοκρασίας σε σύγκριση με τον μετατροπέα με επαναληπτική κατασκευή από χαλκό. Κάτω από την ίδια πηγή θερμότητας, θα επιτευχθεί χαμηλότερη θερμοκρασία ανάμεσα στο χαλκό και το λίπανση. Επιπλέον, λόγω του ότι η επιφάνεια θερμοκρασίας του διαγωνίου από αλουμίνιο είναι σημαντικά ασθενέστερη από την επαναληπτική κατασκευή από χαλκό και η ζημιά επιστροφικού ρεύματος είναι μικρότερη, η επαναληπτική κατασκευή από αλουμίνιο θα έχει χαμηλότερη θερμοκρασία σημείου θερμανσίας.

3.6 Υπερφόρτιση και Διάρκεια Ζωής

Λόγω της ασθενέστερης επιφάνειας θερμοκρασίας της επαναληπτικής κατασκευής και της χαμηλότερης θερμοκρασίας σημείου θερμανσίας, υπό τις ίδιες συνθήκες, ο μετατροπέας με επαναληπτική κατασκευή από αλουμίνιο θα έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και ισχυρότερη ικανότητα υπερφόρτισης.

4 Συμπέρασμα

Κάτω από την έγκυρη εγγύηση των ίδιων παραμέτρων απόδοσης, σύμφωνα με τις τρέχουσες τιμές του χαλκού και του αλουμινίου, οι ηλεκτρικοί μετατροπείς με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο γενικά μειώνουν το κόστος κατά πάνω από 20% σε σύγκριση με τους μετατροπείς με επαναληπτικές κατασκευές από χαλκό. Αντικειμενικά, από την τεχνολογική άποψη, εκτός από την αντοχή σε σύντομη κατάρρευση, η συνολική απόδοση των ηλεκτρικών μετατροπέων με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο είναι αναμφίβολα η καλύτερη σε σύγκριση με τους μετατροπείς με επαναληπτικές κατασκευές από χαλκό.

Βασικά, η περιορισμένη εφαρμογή των ηλεκτρικών μετατροπέων με επαναληπτικές κατασκευές από αλουμίνιο δεν οφείλεται στην υψηλή τάση, αλλά στη μεγάλη ισχύ. Φυσικά, οι αντοχές των διαγωνίων από αλουμίνιο είναι φυσικά ανεπαρκείς, κάτι που καθιστά δύσκολη την εξασφάλιση της αντοχής σε σύντομη κατάρρευση για μερικούς μεγάλους μετατροπείς ή μετατροπείς με χαμηλή αντίσταση. Η εμφάνιση των διαγωνίων από αλουμινιούχες συνθέσεις για τους μετατροπείς είναι μια προσπάθεια να λυθεί αυτό το πρόβλημα.

Ωστόσο, η αύξηση της αντίστασης σύντομης κατάρρευσης των ηλεκτρικών μετατροπέων μπορεί να λύσει γρήγορα αυτό το πρόβλημα. Μετά την αύξηση της αντίστασης σύντομης κατάρρευσης των ηλεκτρικών μετατροπέων, το ρεύμα σύντομης κατάρρευσης θα μειωθεί. Ακόμα και γ