Alumiini versus kupari kierroksissa voimansiirtojen muuntimissa: Kustannus- ja suorituskyvyn vertailu

Nykyisin kuparin markkinahinta on edelleen korkea, vaihtelevan 70 000–80 000 yuanin välillä tonnilta. Toisaalta alumiinin hinta pysyy matalana, liikkuen 18 000–20 000 yuanin välillä tonnilta. Voimansiirtojen muuntimissa kuparin kiertokappaleiden korvaaminen alumiinikierroksilla suunnittelussa vähentää varmasti huomattavasti tuotteiden materiaalikustannuksia, mikä tuo merkittäviä säästöjä loppuasiakkaille.

Pitkään on ollut laajalti uskottu teollisuudessa, että alumiinikierrokset voidaan käyttää vain 35kV:n ja sen alapuoleisen jänniteasteen voimansiirtojen muuntimissa. Tämä on itse asiassa suuri väärinkäsitys. Itse asiassa alumiinikierrokset voivat osoittaa suurempia etuja, kun ne käytetään korkeajännitteisiin voimansiirtojen muuntimiin. Oikeastaan se, mikä todella rajoittaa alumiinikierrosten yleistymistä ja soveltamista, on se, että alumiinijohtojen lujuus voi tällä hetkellä saavuttaa vain noin 70MPa, mikä voi johtaa riittämättömään lyhytsulun kestävyyteen muuntimen kierroksissa joissakin tilanteissa.

1. Nykytila ja standardit
1.1 Alumiinikierroksisten muuntimien nykytila

Ulkomailla alumiinikierroksiset muuntimet ovat laajasti käytössä jakeluvoiman muuntimissa ja niitä käytetään pienen määrän päämuuntimissa. Kiinassa alumiinikierrokset on käytetty jo jakeluvoiman muuntimissa, mutta 110kV–1000kV:n jänniteasteen päämuuntimissa alumiinikierrokset eivät ole vielä lainkaan käytössä.

1.2 Alumiinikierroksisten muuntimien relevantit standardit

Kansainvälinen IEC-standardi ja kansallinen GB-standardi sallivat selkeästi voimansiirtojen muuntimissa käyttää kuparia tai alumiinia kierroksen johtomateriaalina. Lisäksi kansallinen energiaviranomainen julkaisi tammikuussa 2016 alan standardit alumiinikierroksille, mukaan lukien  6kV～35kV:n öljykytettyjen alumiinikierrokseen varustettujen jakeluvoiman muuntimien tekniset parametrit ja vaatimukset ja 6kV～35kV:n kuiva-tyypin alumiinikierrokseen varustettujen muuntimien tekniset parametrit ja vaatimukset. Tämä osoittaa täysin, että standardoiden näkökulmasta alumiinikierroksisten muuntimien käyttö on laillista.

2. Määrällinen kustannusvertailu

Perinteisen suunnittelun kokemuksen mukaan, taataksemme muuntimen samankaltaiset suorituskykyparametrit (kuten tyhjiön häviöt, kuormituksen häviöt, lyhytsulun vastus, lyhytsulun kestävyyden marginaali jne.) yhdistettynä nykyiseen raaka-aineiden hintoihin (alumiinin markkinahinta on noin 20 000 yuania tonnilta, kuparin markkinahinta on noin 70 000 yuania tonnilta), alumiinikierroksista valmistettujen muuntimien päämateriaalikustannukset voivat olla vähintään 20 prosenttia pienemmät kuin kuparikierroksista valmistettujen muuntimien verrattuna.

Seuraavaksi on erityinen vertailu SZ20-50000/110-NX2 voimansiirtojen muuntimella esimerkkinä.

Yllä olevista vertailutuloksista voidaan nähdä, että samankaltaisten suorituskykyparametrien varmistamisen pohjalta 50MVA/110kV:n kaksoiskierroksen II-luokan energiatehokkaalle voimansiirtojen muuntimelle alumiinikierroksen kustannukset ovat noin 23,5 prosenttia pienemmät kuin kuparikierroksen, ja kustannussäästöt ovat hyvin merkittäviä.

Suorituskyvyn laadullinen vertailu

Voimansiirtojen muuntimien alumiinikierrosten ja kuparikierosten keskeisten suorituskykyjen laadullinen vertailu jaetaan seuraaviin osiin:

3.1 Tyhjiön häviöt

Alumiinikierroksisen muuntimen teräskarkas on suhteellisen iso. Samankaltaisten tyhjiön häviöiden varmistamiseksi voidaan saavuttaa sopivasti vähentämällä magneettivirttiä tai teräskarkasin halkaisijaa tai valitsemalla alumiinilevyjä, joilla on pienempi yksikköhäviö.

3.2 Kuormituksen häviöt

Koska alumiinijohtojen sähkövastus on noin 1,63 kertaa suurempi kuin kuparijohtojen, samankaltaisten kuormituksen häviöiden varmistamiseksi alumiinikierroksen johtojen virtatiheyttä yleensä vähennetään.

3.3 Lyhytsulun kestävyys

Perinteisessä lyhytsulun vastuksessa ja alle 100MVA:n nimellisellä kapasiteetilla, jos suunnittelu on järkevä, alumiinikierroksinen muuntin voi myös tarjota riittävän lyhytsulun kestävyyden. Kuitenkin, kun muuntimen nimellinen kapasiteetti on yli 100MVA tai vastus on huomattavasti alhainen, alumiinikierroksinen muuntin voi osoittaa riittämättömän lyhytsulun kestävyyden ominaisuuden.

3.4 Sähköeristyksen marginaali

Koska alumiinijohtojen kalibrit ovat yleensä suuremmat ja johtojen kaarevuussäde on suurempi, alumiinikierros saa tasaisemman sähkökentän verrattuna kuparikierrokseen. Samalla pääeristysmatkalla ja öljyvälimatkalla on suurempi pääeristysmarginaali. Kierroksen pitkittäisessä eristyksessä alumiinijohtojen suuri koko tarkoittaa suurempaa välikapasitanssia, mikä on myös edullista aallon kulun jakautumiselle. Tämä on perusperiaate, joka tekee alumiinikierroksista erityisen soveltuvin korkeajännitteisiin muuntimiin.

3.5 Lämpötilan nousutaso

Koska alumiinijohtojen kalibrit ovat yleensä suuremmat, alumiinikierroksella varustetulla muuntimella on suurempi lämpösuojakuva verrattuna kuparikierroksella varustettuun muuntimeen. Saman lämpölähdeolosuhteissa saadaan alhaisempi kupari-öljylämpötilan nousu. Lisäksi, koska alumiinijohtojen ihoteho on huomattavasti heikompi kuin kuparikierroksilla ja pyörteishäviöt ovat pienemmät, alumiinikierroksella on alhaisempi kuumakohdan lämpötilan nousu.

3.6 Ylivarmuus ja käyttöikä

Koska kierroksen omalla ihoteho on heikompi ja kuumakohdan lämpötilan nousu on alhaisempi, samojen olosuhteiden alla alumiinikierroksella varustettulla muuntimella on pidempi käyttöikä ja vahvempi ylivarmuuskapasiteetti.

4 Yhteenveto

Samankaltaisten suorituskykyparametrien varmistamisen pohjalta, nykyisillä kuparin ja alumiinin markkinahinnoilla, alumiinikierroksilla varustetut voimansiirtojen muuntimet vähentävät yleensä kustannuksia vähintään 20 prosenttia verrattuna kuparikierroksilla varustettuihin muuntimiin. Teknologisesti ottaen, lukuun ottamatta lyhytsulun kestävyyttä, alumiinikierroksilla varustettujen voimansiirtojen muuntimien monipuoliset suorituskykyominaisuudet ovat ehdottomasti johtavia verrattuna kuparikierroksilla varustettuihin muuntimiin.

Perustavanlaatuista alumiinikierroksisten voimansiirtojen muuntimien rajallista soveltamista ei ole korkeassa jännitteessä, vaan suuressa kapasiteetissa. Olennaisesti se on alumiinijohtojen lujuuden luonnollisessa puutteessa, joka tekee niiden kykeneväksi luonnostaan vastaamaan jonkin suuren kapasiteetin tai alhaisen vastuksen voimansiirtojen muuntimien lyhytsulun kestävyydelle. Alumiiniliittymäjohtojen kehittäminen on juuri yritys ratkaista tämä ongelma.

Kuitenkin voimansiirtojen muuntimien lyhytsulun vastuksen lisääminen voi nopeasti ratkaista tämän ongelman. Kun voimansiirtojen muuntimien lyhytsulun vastusta on lisätty, lyhytsulun virta vähenee. Jopa suurkapasiteettisilla (esimerkiksi yli 180MVA) voimansiirtojen muuntimilla alumiinikierroksen lyhytsulun kestävyys ei enää ole este.