سیم پیچ آلومینیوم مقابل سیم پیچ مس در ترانسفورماتورهای قدرت: مقایسه هزینه و عملکرد

در حال حاضر، قیمت بازار مس در محدوده بالایی بین ۷۰۰۰۰ تا ۸۰۰۰۰ یوان به ازای هر تن نوسان می‌کند. در مقایسه، قیمت آلومینیوم کمتر است و در محدوده ۱۸۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ یوان به ازای هر تن متلاشی می‌شود. برای ترانسفورماتورهای الکتریکی، جایگزینی پیچه‌های مسی با پیچه‌های آلومینیومی در طراحی بدون شک هزینه مواد محصول را به طور قابل توجهی کاهش خواهد داد و صرفه‌جویی زیادی در هزینه‌ها به مشتریان نهایی خواهد آورد.

از مدت‌ها پیش در صنعت باور وجود داشته که پیچه‌های آلومینیومی فقط می‌توانند در ترانسفورماتورهای الکتریکی با سطح ولتاژ ۳۵kV و پایین‌تر استفاده شوند. در واقع، این یک تصور اشتباه بزرگ است. در حقیقت، پیچه‌های آلومینیومی می‌توانند مزایای بیشتری را در ترانسفورماتورهای الکتریکی با ولتاژ بالا اعمال کنند. عامل اصلی که واقعاً از گسترش و استفاده از پیچه‌های آلومینیومی جلوگیری می‌کند این است که مقاومت انعطاف‌پذیری رسانه‌های آلومینیومی در حال حاضر فقط حدود ۷۰MPa می‌رسد که ممکن است در برخی سناریوها منجر به عدم کفایت ظرفیت تحمل کوتاه‌شدن پیچه‌های ترانسفورماتور شود.

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

در خارج از کشور، ترانسفورماتورهای با پیچه‌های آلومینیومی به طور گسترده‌ای در زمینه ترانسفورماتورهای توزیع استفاده می‌شوند و تعداد کمی از آن‌ها در ترانسفورماتورهای اصلی نیز کاربرد دارند. در چین، اگرچه پیچه‌های آلومینیومی در ترانسفورماتورهای توزیع استفاده شده‌اند، اما ترانسفورماتورهای اصلی با سطح ولتاژ ۱۱۰kV تا ۱۰۰۰kV هنوز به طور قانونی استفاده نشده‌اند.

۱.۲ استانداردهای مربوط به ترانسفورماتورهای با پیچه‌های آلومینیومی

هر دو استاندارد بین‌المللی IEC و استاندارد ملی GB به طور واضح اجازه می‌دهند که ترانسفورماتورهای الکتریکی از مس یا آلومینیوم به عنوان ماده رسانه‌ای برای پیچه‌ها استفاده کنند. علاوه بر این، اداره انرژی ملی در ژانویه ۲۰۱۶ استانداردهای صنعتی برای ترانسفورماتورهای با پیچه‌های آلومینیومی صادر کرد، شامل پارامترهای فنی و الزامات 6kV～35kV ترانسفورماتورهای توزیع با پیچه‌های آلومینیومی غوطه‌ور در روغن و پارامترهای فنی و الزامات 6kV～35kV ترانسفورماتورهای توزیع با پیچه‌های آلومینیومی خشک. این به طور کامل نشان می‌دهد که از دیدگاه استاندارد، استفاده از ترانسفورماتورهای با پیچه‌های آلومینیومی قانونی است.

۲. مقایسه هزینه‌ای کمی

براساس تجربه طراحی معمول، با توجه به تضمین پارامترهای عملکرد ترانسفورماتور (مانند تلفات بدون بار، تلفات با بار، امپدانس کوتاه‌شدن، حاشیه تحمل کوتاه‌شدن و غیره)، در ترکیب با قیمت‌های فعلی مواد خام (قیمت بازار مس برهنه حدود ۷۰۰۰۰ یوان به ازای هر تن و قیمت بازار آلومینیوم برهنه حدود ۲۰۰۰۰ یوان به ازای هر تن)، هزینه مواد اصلی ترانسفورماتورهای با پیچه‌های آلومینیومی بیش از ۲۰٪ نسبت به ترانسفورماتورهای با پیچه‌های مسی کاهش می‌یابد.

در ادامه یک مقایسه خاص با ترانسفورماتور الکتریکی SZ20-50000/110-NX2 به عنوان مثال ارائه شده است.

از نتایج مقایسه فوق می‌توان دریافت که، با توجه به تضمین پارامترهای عملکرد یکسان، برای یک ترانسفورماتور الکتریکی دوپیچه کلاس II با ظرفیت ۵۰MVA/110kV، هزینه پیچه آلومینیومی حدود ۲۳.۵٪ کمتر از پیچه مسی است و اثر صرفه‌جویی در هزینه بسیار قابل توجه است.

مقایسه کیفی عملکرد

مقایسه کیفی عملکردهای اصلی ترانسفورماتورهای الکتریکی با پیچه‌های آلومینیومی و مسی به جنبه‌های زیر تقسیم می‌شود:

۳.۱ تلفات بدون بار

حجم هسته ترانسفورماتور با پیچه‌های آلومینیومی نسبتاً بزرگتر است. برای تضمین تلفات بدون بار یکسان، می‌توان این کار را با کاهش مناسب چگالی مغناطیسی یا قطر هسته یا انتخاب لوح‌های فولاد سیلیسی با تلفات واحد کمتر انجام داد.

۳.۲ تلفات با بار

از آنجا که مقاومت الکتریکی رسانه‌های آلومینیومی حدود ۱.۶۳ برابر رسانه‌های مسی است، برای تضمین تلفات با بار یکسان، معمولاً چگالی جریان رسانه‌های پیچه‌های آلومینیومی کاهش می‌یابد.

۳.۳ ظرفیت تحمل کوتاه‌شدن

در شرایط امپدانس کوتاه‌شدن معمولی و ظرفیت اسمی زیر ۱۰۰MVA، به شرط طراحی مناسب، ترانسفورماتور با پیچه‌های آلومینیومی نیز می‌تواند ظرفیت کوتاه‌شدن کافی داشته باشد. اما وقتی ظرفیت اسمی ترانسفورماتور بالای ۱۰۰MVA یا امپدانس بسیار کم باشد، ترانسفورماتور با پیچه‌های آلومینیومی ممکن است مشخصه کمبود ظرفیت تحمل کوتاه‌شدن را نشان دهد.

۳.۴ حاشیه عایق‌بندی

به دلیل عموماً اندازه بزرگ‌تر کالیبر رسانه‌های آلومینیومی و شعاع خمش بزرگ‌تر رسانه، پیچه آلومینیومی می‌تواند یک میدان الکتریکی یکنواخت‌تر نسبت به پیچه مسی بدست آورد. در یک فاصله عایق‌بندی اصلی یکسان پیچه و تقسیم فاصله روغن، حاشیه عایق‌بندی اصلی بزرگ‌تری خواهد داشت. از نظر عایق‌بندی طولی پیچه، اندازه بزرگ رسانه آلومینیومی به معنای ظرفیت بین دورهای بزرگ‌تر است که نیز برای توزیع فرآیند موج مفیدتر است. این اصل اساسی است که پیچه‌های آلومینیومی را برای ترانسفورماتورهای با ولتاژ بالا بسیار مناسب می‌کند.

۳.۵ سطح افزایش دما

به دلیل عموماً اندازه بزرگ‌تر کالیبر رسانه‌های آلومینیومی، ترانسفورماتور با پیچه‌های آلومینیومی نسبت به ترانسفورماتور با پیچه‌های مسی سطح تشعشع گرمایی بزرگ‌تری خواهد داشت. با توجه به یک منبع گرما یکسان، افزایش دما در کانکتور-روغن کمتر خواهد بود. علاوه بر این، چون اثر پوسته‌ای رسانه آلومینیومی به طور قابل توجهی ضعیفتر از پیچه مسی است و تلفات گردابه‌ای کمتر است، پیچه آلومینیومی افزایش دما در نقطه داغ کمتری خواهد داشت.

۳.۶ بارگذاری بیش از حد و عمر مفید

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

۴ خلاصه

با توجه به تضمین پارامترهای عملکرد یکسان، براساس قیمت‌های فعلی مس و آلومینیوم، ترانسفورماتورهای الکتریکی با پیچه‌های آلومینیومی به طور کلی هزینه را بیش از ۲۰٪ نسبت به ترانسفورماتورهای با پیچه‌های مسی کاهش می‌دهند. از دیدگاه فنی، به طور موضوعی، به جز ظرفیت تحمل کوتاه‌شدن، عملکرد جامع ترانسفورماتورهای با پیچه‌های آلومینیومی بدون شک عملکرد جامع ترانسفورماتورهای با پیچه‌های مسی را برجسته می‌کند.

به طور بنیادی، محدودیت استفاده از ترانسفورماتورهای با پیچه‌های آلومینیومی نه در ولتاژ بالا بلکه در ظرفیت بزرگ است. اساساً این به نقص ذاتی مقاومت انعطاف‌پذیری رسانه‌های آلومینیومی برمی‌گردد که باعث می‌شود به طور ذاتی برای برخی ترانسفورماتورهای با ظرفیت بزرگ یا امپدانس پایین، ظرفیت تحمل کوتاه‌شدن کافی نباشد. ظهور رسانه‌های آلیاژ آلومینیوم برای پیچه‌های ترانسفورماتور دقیقاً تلاشی برای حل این مشکل است.

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