Aluminum vs Copper Windings sa Mga Power Transformers: Paghahambing ng Gastos at Performance

Sa kasalukuyan, ang presyo ng tanso sa merkado ay nananatiling mataas, nagbabago sa pagitan ng 70,000 hanggang 80,000 yuan bawat tonelada. Sa kabilang banda, ang presyo ng aluminyum ay nananatiling mababa, tumataas sa pagitan ng 18,000 hanggang 20,000 yuan bawat tonelada. Para sa mga power transformer, ang pagpapalit ng mga copper winding sa mga aluminum winding sa disenyo ay tiyak na magdudulot ng malaking pagbawas sa gastos ng materyales ng produkto, nagbibigay ng malaking pagbabawas ng gastos para sa mga end customer.

Sa mahabang panahon, ito ay malawakang pinaniwalaan sa industriya na ang mga aluminum winding ay maaaring gamitin lamang sa mga power transformer na may lebel ng volt na 35kV at ibaba. Sa katunayan, ito ay isang malaking maling pagsasabi. Sa katotohanan, ang mga aluminum winding ay maaaring ipakita ang mas malaking mga abilidad kapag ginamit sa mga high-voltage power transformer. Ang tunay na factor na nagsisilbing hadlang sa paglalaganap at paggamit ng mga aluminum winding ay ang yield strength ng mga aluminum conductor na maaaring maabot ang 70MPa sa kasalukuyan, na maaaring magresulta sa hindi sapat na short-circuit withstand capacity ng mga winding ng transformer sa ilang mga scenario.

1. Kasalukuyang Sitwasyon at Pamantayan
1.1 Kasalukuyang Sitwasyon ng Mga Transformer na May Aluminum Winding

Sa ibang bansa, ang mga transformer na may aluminum winding ay malawakang ginagamit sa larangan ng mga distribution transformer at may kaunting aplikasyon sa mga main transformer. Sa Tsina, bagama't ang mga aluminum winding ay naipapatupad na sa mga distribution transformer, ang mga main transformer na may lebel ng volt na 110kV hanggang 1000kV ay hindi pa legal na naipapatupad.

1.2 Mga Nakaugaliang Pamantayan para sa Mga Transformer na May Aluminum Winding

Ang pandaigdigang pamantayan na IEC at ang pambansang pamantayan na GB ay malinaw na pinapayagan ang mga power transformer na gumamit ng tanso o aluminyum bilang materyales ng conductor para sa mga winding. Bukod dito, inilathala ng National Energy Administration ang mga pamantayan ng industriya para sa mga transformer na may aluminum winding noong Enero 2016, kabilang ang Teknikal na mga Parameter at Rekisito para sa 6kV～35kV Oil-immersed Aluminum Winding Distribution Transformers at Teknikal na mga Parameter at Rekisito para sa 6kV～35kV Dry-type Aluminum Winding Transformers. Ito'y buong nagpapakita na, mula sa perspektibo ng pamantayan, ang paggamit ng mga transformer na may aluminum winding ay legal.

2. Paghahambing ng Quantitative Cost

Ayon sa karaniwang karanasan sa disenyo, sa premisa ng pagse-secure ng pare-parehong mga parameter ng performance ng transformer (tulad ng no-load loss, load loss, short-circuit impedance, short-circuit withstand capacity margin, atbp.), kasama ang kasalukuyang presyo ng materyales (ang presyo ng bare copper sa merkado ay humigit-kumulang 70,000 yuan bawat tonelada, at ang presyo ng bare aluminum ay humigit-kumulang 20,000 yuan bawat tonelada), ang pangunahing gastos ng materyales ng mga transformer na gumagamit ng aluminum winding ay maaaring mapabawas ng higit sa 20% kumpara sa mga gumagamit ng copper winding.

Ang sumusunod ay isang partikular na paghahambing gamit ang SZ20-50000/110-NX2 power transformer bilang halimbawa.

Makikita mula sa resulta ng paghahambing na ito na, sa premisa ng pagse-secure ng parehong mga parameter ng performance, para sa 50MVA/110kV double-winding Class II energy-efficient power transformer, ang gastos ng aluminum winding ay humigit-kumulang 23.5% mas mababa kaysa sa copper winding, at ang epekto ng pagbabawas ng gastos ay napakalubhang.

Paghahambing ng Performance sa Qualitative

Ang qualitative comparison ng mga pangunahing performance ng mga power transformer na may aluminum winding at copper winding ay nahahati sa mga sumusunod na aspeto:

3.1 No-load Loss

Ang laki ng iron core ng aluminum-winding transformer ay mas malaki. Upang siguruhin ang parehong no-load loss, ito ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagbabawas ng magnetic flux density o diameter ng iron core o sa pamamagitan ng pagpili ng silicon steel sheets na may mas mababang unit loss.

3.2 Load Loss

Dahil ang resistivity ng mga aluminum conductor ay humigit-kumulang 1.63 beses na mas mataas kaysa sa mga copper conductor, upang siguruhin ang parehong load loss, ang current density ng mga aluminum winding conductor ay karaniwang binabawasan.

3.3 Short-circuit Withstand Capacity

Sa kondisyon ng conventional short-circuit impedance at rated capacity na mas mababa sa 100MVA, basta ang disenyo ay maaaring maging wasto, ang aluminum-winding transformer ay maaari ring magkaroon ng sapat na short-circuit capacity. Gayunpaman, kapag ang rated capacity ng transformer ay mas mataas sa 100MVA o ang impedance ay malaki, ang aluminum-winding transformer ay maaaring ipakita ang katangian ng hindi sapat na short-circuit withstand capacity.

3.4 Insulation Margin

Dahil sa karaniwang mas malaking laki ng gauge ng aluminum conductor at mas malaking radius ng curvature ng conductor, ang aluminum winding ay makakakuha ng mas pantay na electric field kumpara sa copper winding. Sa parehong main insulation distance ng winding at oil gap division, magkakaroon ng mas malaking main insulation margin. Sa longitudinal insulation ng winding, ang malaking laki ng aluminum conductor ay nangangahulugan ng mas malaking inter-turn capacitance, na mas nakakatulong din sa distribusyon ng wave process. Ito ang pangunahing prinsipyong nagpapahusay sa aluminum windings para sa mga high-voltage transformers.

3.5 Temperature Rise Level

Dahil sa karaniwang mas malaking laki ng gauge ng aluminum conductor, ang aluminum-winding transformer ay magkakaroon ng mas malaking heat dissipation surface kumpara sa copper-winding transformer. Sa premisa ng parehong heat source, mababawasan ang copper-oil temperature rise. Bukod dito, dahil ang skin effect ng aluminum conductor ay mas mahina kaysa sa copper winding at ang eddy current loss ay mas maliit, ang aluminum winding ay magkakaroon ng mas mababang hot-spot temperature rise.

3.6 Overload at Service Life

Dahil sa mas mahinang skin effect ng winding mismo at mas mababang hot-spot temperature rise, sa parehong kondisyon, ang aluminum-winding transformer ay magkakaroon ng mas mahabang service life at mas malakas na overload capacity.

4 Buod

Sa premisa ng pagse-secure ng parehong mga parameter ng performance, ayon sa kasalukuyang presyo ng tanso at aluminyum, ang mga power transformer na may aluminum winding ay karaniwang mababawasan ang gastos ng higit sa 20% kumpara sa mga may copper winding. Sa teknikal na salita, maliban sa short-circuit withstand capacity, ang komprehensibong performance ng mga power transformer na may aluminum winding ay walang dudang na nangunguna sa mga may copper winding.

Sa pundamental na salita, ang limitadong aplikasyon ng mga power transformer na may aluminum winding ay hindi nasa mataas na voltage, kundi sa malaking kapasidad. Sa esensya, ito ay nasa natural na hindi sapat na yield strength ng mga aluminum conductor, na nagpapahirap para masakop ang short-circuit withstand capacity ng ilang malaking kapasidad o mababang impedance na power transformer. Ang paglitaw ng mga conductor para sa aluminum alloy transformer winding ay isang pagsisikap upang solusyunan ang problema na ito.

Gayunpaman, ang pagtaas ng short-circuit impedance ng mga power transformer ay maaaring mabilis na solusyunan ang problema na ito. Matapos ang pagtaas ng short-circuit impedance ng mga power transformer, ang short-circuit current ay mababawasan. Kahit para sa malaking kapasidad (tulad ng 180MVA pataas) na mga power transformer, ang short-circuit withstand capacity ng aluminum winding ay maaaring hindi na maging isang hadlang.