Aluminium vs cuivre dans les enroulements des transformateurs de puissance : comparaison des coûts et des performances

Actuellement, le prix de marché du cuivre reste élevé, fluctuant dans la fourchette de 70 000 à 80 000 yuans par tonne. En revanche, le prix de l'aluminium reste bas, se situant dans la fourchette de 18 000 à 20 000 yuans par tonne. Pour les transformateurs de puissance, remplacer les enroulements en cuivre par des enroulements en aluminium dans la conception permettra indubitablement de réduire considérablement le coût des matériaux des produits, apportant des économies substantielles aux clients finaux.

Depuis longtemps, il est largement admis dans l'industrie que les enroulements en aluminium ne peuvent être utilisés que dans les transformateurs de puissance avec un niveau de tension de 35kV et moins. En fait, c'est une grande méprise. En réalité, les enroulements en aluminium peuvent présenter de plus grands avantages lorsqu'ils sont appliqués dans les transformateurs de puissance haute tension. Le facteur clé qui limite véritablement la généralisation et l'application des enroulements en aluminium est que la résistance à la traction des conducteurs en aluminium ne peut actuellement atteindre que environ 70MPa, ce qui peut entraîner une capacité de résistance insuffisante aux courts-circuits des enroulements de transformateur dans certains scénarios.

1. Situation actuelle et normes
1.1 Situation actuelle des transformateurs à enroulement en aluminium

À l'étranger, les transformateurs à enroulement en aluminium sont largement utilisés dans le domaine des transformateurs de distribution et ont une application limitée dans les transformateurs principaux. En Chine, bien que les enroulements en aluminium aient été appliqués dans les transformateurs de distribution, les transformateurs principaux avec un niveau de tension de 110kV à 1000kV n'ont pas encore été légalement appliqués.

1.2 Normes pertinentes pour les transformateurs à enroulement en aluminium

Les normes internationales IEC et les normes nationales GB autorisent clairement l'utilisation de cuivre ou d'aluminium comme matériau de conducteur pour les enroulements des transformateurs de puissance. De plus, l'Administration nationale de l'énergie a émis des normes industrielles pour les transformateurs à enroulement en aluminium en janvier 2016, y compris Paramètres techniques et exigences pour les transformateurs de distribution à enroulement en aluminium trempé dans l'huile de 6kV à 35kV et Paramètres techniques et exigences pour les transformateurs à enroulement en aluminium sec de 6kV à 35kV. Cela indique pleinement que, du point de vue des normes, l'application des transformateurs à enroulement en aluminium est légale.

2. Comparaison quantitative des coûts

Selon l'expérience de conception conventionnelle, sous réserve de garantir des paramètres de performance cohérents du transformateur (tels que la perte à vide, la perte de charge, l'impédance de court-circuit, la marge de résistance au court-circuit, etc.), combinée aux prix actuels des matières premières (le prix de marché du cuivre nu est d'environ 70 000 yuans par tonne, et le prix de marché de l'aluminium nu est d'environ 20 000 yuans par tonne), le coût principal des matériaux des transformateurs utilisant des enroulements en aluminium peut être réduit de plus de 20% par rapport à ceux utilisant des enroulements en cuivre.

Voici une comparaison spécifique avec un transformateur de puissance SZ20-50000/110-NX2 comme exemple.

On peut voir à partir des résultats de la comparaison ci-dessus que, sous réserve de garantir les mêmes paramètres de performance, pour un transformateur de puissance double-enroulement de classe II économe en énergie de 50MVA/110kV, le coût de l'enroulement en aluminium est d'environ 23,5% inférieur à celui de l'enroulement en cuivre, et l'effet de réduction des coûts est très significatif.

Comparaison qualitative des performances

La comparaison qualitative des principales performances des transformateurs de puissance avec des enroulements en aluminium et en cuivre est divisée en plusieurs aspects :

3.1 Perte à vide

La taille du noyau de fer du transformateur à enroulement en aluminium est relativement grande. Pour garantir la même perte à vide, cela peut être réalisé en réduisant légèrement la densité de flux magnétique ou le diamètre du noyau de fer, ou en sélectionnant des tôles de silicium avec une perte unitaire plus faible.

3.2 Perte de charge

Comme la résistivité des conducteurs en aluminium est d'environ 1,63 fois celle des conducteurs en cuivre, pour garantir la même perte de charge, la densité de courant des conducteurs d'enroulement en aluminium est généralement réduite.

3.3 Capacité de résistance au court-circuit

Dans les conditions d'une impédance de court-circuit conventionnelle et d'une capacité nominale inférieure à 100MVA, tant que la conception est raisonnable, le transformateur à enroulement en aluminium peut également avoir une capacité de court-circuit suffisante. Cependant, lorsque la capacité nominale du transformateur est supérieure à 100MVA ou que l'impédance est significativement faible, le transformateur à enroulement en aluminium peut montrer la caractéristique d'une capacité de résistance au court-circuit insuffisante.

3.4 Marge d'isolation

En raison de la taille généralement plus grande du calibre du conducteur en aluminium et du rayon de courbure plus grand du conducteur, l'enroulement en aluminium obtiendra un champ électrique plus uniforme par rapport à l'enroulement en cuivre. Avec la même distance d'isolation principale de l'enroulement et de division de l'interstice d'huile, il y aura une plus grande marge d'isolation principale. En termes d'isolation longitudinale de l'enroulement, la grande taille du conducteur en aluminium signifie une plus grande capacité intertour, ce qui est également plus favorable à la distribution du processus d'onde. C'est le principe fondamental qui rend les enroulements en aluminium particulièrement adaptés aux transformateurs haute tension.

3.5 Niveau de montée en température

En raison de la taille généralement plus grande du calibre du conducteur en aluminium, le transformateur à enroulement en aluminium aura une surface de dissipation thermique plus grande par rapport au transformateur à enroulement en cuivre. Sur la base de la même source de chaleur, une montée en température plus faible du cuivre-huile sera obtenue. De plus, puisque l'effet de peau du conducteur en aluminium est significativement plus faible que celui de l'enroulement en cuivre et que la perte par courants de Foucault est plus faible, l'enroulement en aluminium aura une montée en température des points chauds plus faible.

3.6 Surcharge et durée de vie

En raison de l'effet de peau plus faible du bobinage lui-même et de la montée en température des points chauds plus faible, dans les mêmes conditions, le transformateur à enroulement en aluminium aura une durée de vie plus longue et une capacité de surcharge plus forte.

4 Résumé

Sous réserve de garantir les mêmes paramètres de performance, selon les prix actuels du cuivre et de l'aluminium, les transformateurs de puissance à enroulement en aluminium réduisent généralement le coût de plus de 20% par rapport à ceux à enroulement en cuivre. Objectivement, en termes de technologie, à l'exception de la capacité de résistance au court-circuit, la performance globale des transformateurs de puissance à enroulement en aluminium est indubitablement supérieure à celle des transformateurs à enroulement en cuivre.

Fondamentalement, la limitation de l'application des transformateurs de puissance à enroulement en aluminium ne réside pas dans la haute tension, mais dans la grande capacité. Essentiellement, elle réside dans l'insuffisance naturelle de la résistance à la traction des conducteurs en aluminium, rendant difficile la satisfaction de la capacité de résistance au court-circuit de certains transformateurs de grande capacité ou de faible impédance. L'apparition des conducteurs pour les enroulements de transformateurs en alliage d'aluminium est précisément une tentative de résoudre ce problème.

Cependant, augmenter l'impédance de court-circuit des transformateurs de puissance peut résoudre rapidement ce problème. Après l'augmentation de l'impédance de court-circuit des transformateurs de puissance, le courant de court-circuit sera réduit. Même pour les transformateurs de grande capacité (comme au-dessus de 180MVA), la capacité de résistance au court-circuit des enroulements en aluminium peut ne plus être un problème restrictif.