Aluminio vs Cobre en Enrolamentos de Transformadores de Potencia: Comparación de Custos e Rendemento

Actualmente, o prezo de mercado do cobre permanece alto, fluctuando no rango de 70.000 a 80.000 yuan por tonelada. En contraste, o prezo do aluminio permanece baixo, situándose no rango de 18.000 a 20.000 yuan por tonelada. Para os transformadores eléctricos, substituír as bobinas de cobre por bobinas de aluminio no deseño reducirá significativamente o custo de materiais do produto, proporcionando unha gran poupanza de custos aos clientes finais.

Durante moito tempo, na industria creuse xeralmente que as bobinas de aluminio só podían utilizarse en transformadores eléctricos cun nivel de tensión de 35kV ou inferior. De feito, isto é un gran malentendido. Na realidade, as bobinas de aluminio poden ofrecer maiores vantaxes cando se aplican en transformadores eléctricos de alta tensión. O factor central que realmente restrinxe a popularización e aplicación das bobinas de aluminio é que a resistencia ao flujo dos conductores de aluminio só pode alcanzar uns 70MPa actualmente, o que pode levar a unha capacidade insuficiente de resistencia a cortocircuitos nas bobinas do transformador en algúns escenarios.

1. Situación Actual e Normas
1.1 Situación Actual dos Transformadores con Bobinas de Aluminio

No estranxero, os transformadores con bobinas de aluminio son ampliamente utilizados no campo dos transformadores de distribución e teñen un número pequeno de aplicacións en transformadores principais. En China, aínda que as bobinas de aluminio foron aplicadas en transformadores de distribución, os transformadores principais cun nivel de tensión de 110kV a 1000kV aínda non foron legalmente aplicados.

1.2 Normas Relevantes para Transformadores con Bobinas de Aluminio

Tanto a norma internacional IEC como a norma nacional GB permitten claramente que os transformadores eléctricos utilicen cobre ou aluminio como materiais de conductor para as bobinas. Ademais, a Administración Nacional de Energía emitiu normas de industria para transformadores con bobinas de aluminio en xaneiro de 2016, incluíndo Parámetros Técnicos e Requisitos para Transformadores de Distribución de Aluminio Sumergidos en Aceite de 6kV～35kV e Parámetros Técnicos e Requisitos para Transformadores Secos de Aluminio de 6kV～35kV. Isto indica plenamente que, desde o punto de vista da normativa, a aplicación de transformadores con bobinas de aluminio é legal.

2. Comparación Cuantitativa de Custos

Segundo a experiencia de deseño convencional, no suposto de garantir parámetros de rendemento consistentes do transformador (como perdas en vacío, perdas en carga, impedancia a cortocircuito, margen de resistencia a cortocircuito, etc.), combinado cos prezos actuais de materias primas (o prezo de mercado do cobre nu é de uns 70.000 yuan por tonelada, e o prezo de mercado do aluminio nu é de uns 20.000 yuan por tonelada), o custo principal de materiais dos transformadores que utilizan bobinas de aluminio pode ser salvado en máis do 20% comparado co uso de bobinas de cobre.

A continuación, presenta unha comparación específica tomando como exemplo un transformador de potencia SZ20-50000/110-NX2.

Pódese ver nos resultados da comparación anterior que, no suposto de garantir os mesmos parámetros de rendemento, para un transformador de potencia de clase II de eficiencia energética de 50MVA/110kV de dobre bobina, o custo da bobina de aluminio é aproximadamente un 23,5% menor que o da bobina de cobre, e o efecto de redución de custos é moi significativo.

Comparación Cualitativa de Rendemento

A comparación cualitativa dos principais rendementos dos transformadores de potencia con bobinas de aluminio e de cobre divide-se nos seguintes aspectos:

3.1 Perdas en Vacío

O tamaño do núcleo de ferro do transformador con bobinas de aluminio é relativamente grande. Para garantir as mesmas perdas en vacío, pódese lograr reducindo adecuadamente a densidade de fluxo magnético ou o diámetro do núcleo de ferro ou seleccionando laminacións de silicio con menor perda unitaria.

3.2 Perdas en Carga

Dado que a resistividade dos conductores de aluminio é aproximadamente 1,63 veces a dos conductores de cobre, para garantir as mesmas perdas en carga, xeralmente réducese a densidade de corrente dos conductores de las bobinas de aluminio.

3.3 Capacidade de Resistencia a Cortocircuitos

Bajo as condicións de impedancia de cortocircuito convencional e unha capacidade nominal inferior a 100MVA, sempre que o deseño sexa razoable, o transformador con bobinas de aluminio tamén pode ter suficiente capacidade de cortocircuito. No entanto, cando a capacidade nominal do transformador é superior a 100MVA ou a impedancia é significativamente baixa, o transformador con bobinas de aluminio pode mostrar a característica de insuficiente capacidade de resistencia a cortocircuitos.

3.4 Margen de Aislamento

Debido ao xeralmente maior tamaño da sección transversal do conductor de aluminio e ao maior radio de curvatura do conductor, a bobina de aluminio obterá un campo eléctrico máis uniforme en comparación coa bobina de cobre. Baixo a mesma distancia de aislamento principal da bobina e a división da fenda de aceite, habrá un maior margen de aislamento principal. En termos de aislamento longitudinal da bobina, o gran tamaño do conductor de aluminio significa unha maior capacitancia interturno, que tamén é máis favorable para a distribución do proceso de onda. Este é o principio básico que fai que as bobinas de aluminio sexan particularmente adecuadas para transformadores de alta tensión.

3.5 Nivel de Elevación de Temperatura

Debido ao xeralmente maior tamaño da sección transversal do conductor de aluminio, o transformador con bobinas de aluminio terá unha superficie de dissipación de calor maior en comparación co transformador con bobinas de cobre. No suposto de a mesma fonte de calor, obtérase unha menor elevación de temperatura cobre-aceite. Ademais, dado que o efecto de pele do conductor de aluminio é significativamente menor que o da bobina de cobre e a perda de corriente de Foucault é menor, a bobina de aluminio terá unha menor elevación de temperatura de punto quente.

3.6 Sobrecarga e Vida Útil

Debido ao efecto de pele máis débil da propia bobina e a unha menor elevación de temperatura de punto quente, baixo as mesmas condicións, o transformador con bobinas de aluminio terá unha vida útil máis longa e unha capacidade de sobrecarga máis forte.

4 Resumo

No suposto de garantir os mesmos parámetros de rendemento, segundo os prezos actuais de mercado do cobre e do aluminio, os transformadores de potencia con bobinas de aluminio xeralmente reducen o custo en máis do 20% en comparación co uso de bobinas de cobre. Obxectivamente falando en termos técnicos, excepto a capacidade de resistencia a cortocircuitos, o rendemento comprensivo dos transformadores de potencia con bobinas de aluminio está indubitabelmente á frente do dos que usan bobinas de cobre.

Fundamentalmente, a aplicación limitada dos transformadores de potencia con bobinas de aluminio non reside na alta tensión, senón na gran capacidade. Essencialmente, reside na insuficiencia natural da resistencia ao flujo dos conductores de aluminio, que dificulta inherentemente a satisfacción da capacidade de resistencia a cortocircuitos de algúns transformadores de gran capacidade ou baixa impedancia. A aparición de conductores de aleación de aluminio para bobinas de transformadores é precisamente un intento de resolver este problema.

No entanto, aumentar a impedancia de cortocircuito dos transformadores de potencia pode resolver rapidamente este problema. Despois de aumentar a impedancia de cortocircuito dos transformadores de potencia, a corrente de cortocircuito será reducida. Incluso para transformadores de potencia de gran capacidade (como por encima de 180MVA), a capacidade de resistencia a cortocircuitos das bobinas de aluminio xa non pode ser un problema restrinxente.