آلومنیوم در مقابل پیچهای مس در ترانسفورماتورهای قدرت: مقایسه هزینه و عملکرد

در حال حاضر، قیمت بازار مس در سطح بالایی است و در محدوده ۷۰۰۰۰ تا ۸۰۰۰۰ یوان بر تن نوسان می‌کند. در مقایسه، قیمت آلومینیوم پایین می‌ماند و در محدوده ۱۸۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ یوان بر تن متلاشی می‌شود. برای ترانسفورماتورهای قدرت، جایگزینی سیم‌پیچ‌های مسی با سیم‌پیچ‌های آلومینیومی در طراحی، بدون شک هزینه مواد اولیه محصول را به طرز قابل توجهی کاهش خواهد داد و صرفه‌جویی هزینه‌ای قابل توجهی به مشتریان نهایی خواهد آورد.

از مدت زیادی در صنعت به طور گسترده بر این باور بوده است که سیم‌پیچ‌های آلومینیومی فقط می‌توانند در ترانسفورماتورهای قدرت با سطح ولتاژ ۳۵kV و زیر آن استفاده شوند. در واقع، این یک تصور غلط بزرگ است. در واقع، سیم‌پیچ‌های آلومینیومی می‌توانند مزایای بیشتری را در ترانسفورماتورهای قدرت با ولتاژ بالا به وجود آورند. عامل اصلی که واقعاً از ترویج و کاربرد سیم‌پیچ‌های آلومینیومی جلوگیری می‌کند این است که حد تحمل فشاری رسانه‌های آلومینیومی در حال حاضر فقط حدود ۷۰MPa می‌رسد، که ممکن است منجر به عدم کفایت ظرفیت تحمل کوتاه‌مداری سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور در برخی سناریوها شود.

۱. وضعیت فعلی و استانداردها
۱.۱ وضعیت فعلی ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ آلومینیومی

در خارج از کشور، ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ آلومینیومی به طور گسترده در زمینه ترانسفورماتورهای توزیع استفاده می‌شوند و کاربردهای کمی در ترانسفورماتورهای اصلی دارند. در چین، اگرچه سیم‌پیچ‌های آلومینیومی در ترانسفورماتورهای توزیع استفاده شده‌اند، ترانسفورماتورهای اصلی با سطح ولتاژ ۱۱۰kV تا ۱۰۰۰kV هنوز به طور قانونی استفاده نشده‌اند.

۱.۲ استانداردهای مربوط به ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ آلومینیومی

هر دو استاندارد بین‌المللی IEC و استاندارد ملی GB به طور واضح اجازه می‌دهند که ترانسفورماتورهای قدرت از مس یا آلومینیوم به عنوان ماده رسانه‌ای برای سیم‌پیچ‌ها استفاده کنند. علاوه بر این، اداره انرژی ملی در ژانویه ۲۰۱۶ استانداردهای صنعتی برای ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ آلومینیومی منتشر کرد، شامل  پارامترهای فنی و الزامات برای ترانسفورماتورهای توزیع آلومینیومی غوطه‌ور در روغن ۶kV~۳۵kV  و  پارامترهای فنی و الزامات برای ترانسفورماتورهای آلومینیومی خشک ۶kV~۳۵kV. این به طور کامل نشان می‌دهد که از نظر استاندارد، استفاده از ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ آلومینیومی قانونی است.

۲. مقایسه هزینه‌ای کمی

بر اساس تجربه طراحی معمول، با فرض تضمین پارامترهای عملکردی یکسان ترانسفورماتور (مانند ضریب ضایعات بدون بار، ضریب ضایعات بار، امپدانس کوتاه‌مداری، حاشیه تحمل کوتاه‌مداری و غیره)، در ترکیب با قیمت‌های فعلی مواد اولیه (قیمت بازار مس برهنه حدود ۷۰۰۰۰ یوان بر تن و قیمت بازار آلومینیوم برهنه حدود ۲۰۰۰۰ یوان بر تن)، هزینه مواد اصلی ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ آلومینیومی بیش از ۲۰٪ نسبت به ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ مسی کاهش می‌یابد.

در ادامه، مقایسه خاصی با ترانسفورماتور قدرت SZ20-50000/110-NX2 به عنوان مثال ارائه می‌شود.

از نتایج مقایسه فوق می‌توان دریافت که، با فرض تضمین پارامترهای عملکردی یکسان، برای یک ترانسفورماتور قدرت دو‌سیم‌پیچی کلاس II با کارایی انرژی ۵۰MVA/110kV، هزینه سیم‌پیچ آلومینیومی حدود ۲۳.۵٪ کمتر از سیم‌پیچ مسی است و اثر کاهش هزینه بسیار قابل توجه است.

مقایسه کیفی عملکرد

مقایسه کیفی عملکردهای اصلی ترانسفورماتورهای قدرت با سیم‌پیچ آلومینیومی و مسی به جنبه‌های زیر تقسیم می‌شود:

۳.۱ ضریب ضایعات بدون بار

اندازه هسته ترانسفورماتور با سیم‌پیچ آلومینیومی نسبتاً بزرگ است. برای تضمین ضریب ضایعات بدون بار یکسان، می‌توان این کار را با کاهش مناسب چگالی مغناطیسی یا قطر هسته یا انتخاب لوح‌های فولاد سیلیسی با ضریب ضایعات واحد کمتر انجام داد.

۳.۲ ضریب ضایعات بار

از آنجا که مقاومت الکتریکی رسانه‌های آلومینیومی حدود ۱.۶۳ برابر رسانه‌های مسی است، برای تضمین ضریب ضایعات بار یکسان، معمولاً چگالی جریان رسانه‌های سیم‌پیچ آلومینیومی کاهش می‌یابد.

۳.۳ ظرفیت تحمل کوتاه‌مداری

در شرایط امپدانس کوتاه‌مداری معمولی و ظرفیت اسمی زیر ۱۰۰MVA، به شرط طراحی مناسب، ترانسفورماتور با سیم‌پیچ آلومینیومی نیز می‌تواند ظرفیت کوتاه‌مداری کافی داشته باشد. با این حال، وقتی ظرفیت اسمی ترانسفورماتور بالای ۱۰۰MVA یا امپدانس به طور قابل توجهی کم باشد، ترانسفورماتور با سیم‌پیچ آلومینیومی ممکن است ویژگی عدم کفایت ظرفیت تحمل کوتاه‌مداری را نشان دهد.

۳.۴ حاشیه عایق‌بندی

به دلیل اندازه عموماً بزرگ‌تر سیم‌پیچ آلومینیومی و شعاع خمش بزرگ‌تر رسانه، سیم‌پیچ آلومینیومی نسبت به سیم‌پیچ مسی میدان الکتریکی یکنواخت‌تری خواهد داشت. در یک فاصله عایق‌بندی اصلی یکسان و تقسیم شکاف روغنی، حاشیه عایق‌بندی اصلی بزرگ‌تری خواهد داشت. از نظر عایق‌بندی طولی سیم‌پیچ، اندازه بزرگ‌تر رسانه آلومینیومی به معنای ظرفیت بزرگ‌تر بین دورهای سیم‌پیچ است که نیز برای توزیع فرآیند موج مساعدتر است. این اصل اساسی است که سیم‌پیچ‌های آلومینیومی را برای ترانسفورماتورهای با ولتاژ بالا بسیار مناسب می‌کند.

۳.۵ سطح افزایش دما

به دلیل اندازه عموماً بزرگ‌تر سیم‌پیچ آلومینیومی، ترانسفورماتور با سیم‌پیچ آلومینیومی نسبت به ترانسفورماتور با سیم‌پیچ مسی سطح تảnش گرمایی بزرگ‌تری خواهد داشت. با فرض یک منبع گرما یکسان، افزایش دما کمتری در مس-روغن به دست خواهد آمد. علاوه بر این، چون اثر پوسته‌ای رسانه آلومینیومی به طور قابل توجهی ضعیفتر از سیم‌پیچ مسی است و ضریب ضایعات دوگانه کمتر است، سیم‌پیچ آلومینیومی افزایش دمای نقطه داغ کمتری خواهد داشت.

۳.۶ بارگذاری بیش از حد و عمر مفید

به دلیل ضعف اثر پوسته‌ای خود سیم‌پیچ و افزایش دمای نقطه داغ کمتر، در شرایط یکسان، ترانسفورماتور با سیم‌پیچ آلومینیومی عمر مفید طولانی‌تر و قابلیت بارگذاری بیش از حد قوی‌تری خواهد داشت.

۴ خلاصه

با فرض تضمین پارامترهای عملکردی یکسان، بر اساس قیمت‌های بازار فعلی مس و آلومینیوم، ترانسفورماتورهای قدرت با سیم‌پیچ آلومینیومی به طور کلی هزینه را بیش از ۲۰٪ نسبت به ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ مسی کاهش می‌دهند. از دیدگاه فنی، به طور موضوعی، به جز ظرفیت تحمل کوتاه‌مداری، عملکرد کلی ترانسفورماتورهای قدرت با سیم‌پیچ آلومینیومی بدون شک بر ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچ مسی برتری دارد.

از دیدگاه بنیادی، محدودیت کاربرد ترانسفورماتورهای قدرت با سیم‌پیچ آلومینیومی نه در ولتاژ بالا بلکه در ظرفیت بزرگ است. به طور اساسی، این به نقص ذاتی تحمل فشاری رسانه‌های آلومینیومی برمی‌گردد که باعث می‌شود به طور ذاتی دشوار باشد که ظرفیت تحمل کوتاه‌مداری برخی ترانسفورماتورهای با ظرفیت بزرگ یا امپدانس پایین را تأمین کند. ظهور رسانه‌های آلیاژ آلومینیوم برای سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور دقیقاً تلاشی برای حل این مشکل است.

با این حال، افزایش امپدانس کوتاه‌مداری ترانسفورماتورهای قدرت می‌تواند این مشکل را به سرعت حل کند. پس از افزایش امپدانس کوتاه‌مداری ترانسفورماتورهای قدرت، جریان کوتاه‌مداری کاهش می‌یابد. حتی برای ترانسفورماتورهای با ظرفیت بزرگ (مانند بالای ۱۸۰MVA)، ظرفیت تحمل کوتاه‌مداری سیم‌پیچ‌های آلومینیومی ممکن است دیگر مشکل محدودکننده نباشد.