Aluminio vs Cobre en los Enrollamientos de Transformadores de Potencia: Comparación de Costo y Rendimiento
Actualmente, el precio de mercado del cobre sigue siendo alto, fluctuando en el rango de 70,000 a 80,000 yuanes por tonelada. En contraste, el precio del aluminio se mantiene bajo, oscilando en el rango de 18,000 a 20,000 yuanes por tonelada. Para los transformadores de potencia, reemplazar las bobinas de cobre con bobinas de aluminio en el diseño sin duda reducirá significativamente el costo de los materiales, lo que supondrá un ahorro sustancial para los clientes finales.
Durante mucho tiempo, se ha creído ampliamente en la industria que las bobinas de aluminio solo pueden usarse en transformadores de potencia con un nivel de tensión de 35kV o inferior. De hecho, esto es un malentendido importante. En realidad, las bobinas de aluminio pueden ofrecer mayores ventajas cuando se aplican en transformadores de potencia de alta tensión. El factor clave que realmente limita la popularización y aplicación de las bobinas de aluminio es que la resistencia a la tracción de los conductores de aluminio solo puede alcanzar aproximadamente 70MPa actualmente, lo que puede llevar a una capacidad insuficiente de resistencia a cortocircuitos en algunas situaciones.
1. Situación Actual y Estándares
1.1 Situación Actual de los Transformadores con Bobinas de Aluminio
En el extranjero, los transformadores con bobinas de aluminio se utilizan ampliamente en el campo de los transformadores de distribución y tienen una pequeña cantidad de aplicaciones en transformadores principales. En China, aunque las bobinas de aluminio se han aplicado en transformadores de distribución, los transformadores principales con un nivel de tensión de 110kV a 1000kV aún no se han aplicado legalmente.
1.2 Estándares Relevantes para los Transformadores con Bobinas de Aluminio
Tanto el estándar internacional IEC como el estándar nacional GB permiten claramente que los transformadores de potencia utilicen cobre o aluminio como materiales conductores para las bobinas. Además, la Administración Nacional de Energía emitió estándares de la industria para los transformadores con bobinas de aluminio en enero de 2016, incluyendo Parámetros Técnicos y Requisitos para Transformadores de Distribución de Bobina de Aluminio de 6kV～35kV sumergidos en aceite y Parámetros Técnicos y Requisitos para Transformadores de Bobina de Aluminio de 6kV～35kV de tipo seco. Esto indica plenamente que, desde el punto de vista de los estándares, la aplicación de los transformadores con bobinas de aluminio es legal.
2. Comparación Cuantitativa de Costos
Según la experiencia de diseño convencional, bajo la premisa de garantizar parámetros de rendimiento consistentes del transformador (como pérdida en vacío, pérdida de carga, impedancia a cortocircuito, margen de resistencia a cortocircuito, etc.), combinado con los precios actuales de materias primas (el precio de mercado del cobre desnudo es de aproximadamente 70,000 yuanes por tonelada, y el precio de mercado del aluminio desnudo es de aproximadamente 20,000 yuanes por tonelada), el costo principal de los materiales de los transformadores que utilizan bobinas de aluminio puede ahorrar más del 20% en comparación con aquellos que usan bobinas de cobre.
A continuación, se presenta una comparación específica con un transformador de potencia SZ20-50000/110-NX2 como ejemplo.
Se puede ver en los resultados de la comparación anterior que, bajo la premisa de garantizar los mismos parámetros de rendimiento, para un transformador de potencia de doble bobina de clase II de eficiencia energética de 50MVA/110kV, el costo de la bobina de aluminio es aproximadamente un 23.5% menor que el de la bobina de cobre, y el efecto de reducción de costos es muy significativo.
Comparación Cualitativa del Rendimiento
La comparación cualitativa de los principales rendimientos de los transformadores de potencia con bobinas de aluminio y cobre se divide en los siguientes aspectos:
3.1 Pérdida en Vacío
El tamaño del núcleo de hierro del transformador con bobina de aluminio es relativamente grande. Para garantizar la misma pérdida en vacío, se puede lograr reduciendo adecuadamente la densidad de flujo magnético o el diámetro del núcleo de hierro o seleccionando láminas de acero silicio con menor pérdida unitaria.
3.2 Pérdida de Carga
Dado que la resistividad de los conductores de aluminio es aproximadamente 1.63 veces la de los conductores de cobre, para garantizar la misma pérdida de carga, generalmente se reduce la densidad de corriente de los conductores de la bobina de aluminio.
3.3 Capacidad de Resistencia a Cortocircuitos
Bajo las condiciones de impedancia a cortocircuito convencional y una capacidad nominal inferior a 100MVA, siempre que el diseño sea razonable, el transformador con bobina de aluminio también puede tener suficiente capacidad de resistencia a cortocircuitos. Sin embargo, cuando la capacidad nominal del transformador es superior a 100MVA o la impedancia es significativamente baja, el transformador con bobina de aluminio puede mostrar la característica de capacidad de resistencia a cortocircuitos insuficiente.
3.4 Margen de Aislamiento
Debido al tamaño generalmente mayor de la sección transversal del conductor de aluminio y el radio de curvatura mayor del conductor, la bobina de aluminio obtendrá un campo eléctrico más uniforme en comparación con la bobina de cobre. Con la misma distancia principal de aislamiento de la bobina y la división de la brecha de aceite, habrá un mayor margen de aislamiento principal. En términos del aislamiento longitudinal de la bobina, el gran tamaño del conductor de aluminio significa una mayor capacitancia interturno, lo que también es más favorable para la distribución del proceso de onda. Este es el principio básico que hace que las bobinas de aluminio sean especialmente adecuadas para los transformadores de alta tensión.
3.5 Nivel de Elevación de Temperatura
Debido al tamaño generalmente mayor de la sección transversal del conductor de aluminio, el transformador con bobina de aluminio tendrá una superficie de disipación de calor mayor en comparación con el transformador con bobina de cobre. Bajo la premisa de la misma fuente de calor, se obtendrá un menor aumento de temperatura entre el cobre y el aceite. Además, dado que el efecto de piel del conductor de aluminio es significativamente más débil que el de la bobina de cobre y la pérdida por corrientes de Foucault es menor, la bobina de aluminio tendrá un menor aumento de temperatura en puntos calientes.
3.6 Sobrecarga y Vida Útil
Debido al efecto de piel más débil de la bobina en sí y el menor aumento de temperatura en puntos calientes, bajo las mismas condiciones, el transformador con bobina de aluminio tendrá una vida útil más larga y una mayor capacidad de sobrecarga.
4 Resumen
Bajo la premisa de garantizar los mismos parámetros de rendimiento, según los precios actuales de mercado del cobre y el aluminio, los transformadores de potencia con bobinas de aluminio generalmente reducen el costo en más del 20% en comparación con aquellos con bobinas de cobre. Hablando objetivamente en términos técnicos, excepto la capacidad de resistencia a cortocircuitos, el rendimiento integral de los transformadores de potencia con bobinas de aluminio es indudablemente superior al de aquellos con bobinas de cobre.
Fundamentalmente, la aplicación limitada de los transformadores de potencia con bobinas de aluminio no radica en la alta tensión, sino en la gran capacidad. En esencia, radica en la insuficiencia natural de la resistencia a la tracción de los conductores de aluminio, lo que hace inherentemente difícil cumplir con la capacidad de resistencia a cortocircuitos de algunos transformadores de gran capacidad o baja impedancia. La aparición de conductores de aleación de aluminio para bobinas de transformadores es precisamente un intento de resolver este problema.
Sin embargo, aumentar la impedancia a cortocircuito de los transformadores de potencia puede resolver rápidamente este problema. Después de aumentar la impedancia a cortocircuito de los transformadores de potencia, la corriente de cortocircuito se reducirá. Incluso para transformadores de gran capacidad (como superiores a 180MVA), la capacidad de resistencia a cortocircuitos de las bobinas de aluminio puede ya no ser un problema restrictivo.
