Aluminij protiv bakra u zavojnicama transformatora: Usporedba troškova i performansi

Trenutno, tržišna cijena bakra ostaje visoka, oscilirajući u rasponu od 70.000 do 80.000 juana po toni. U suprotnosti, cijena aluminija ostaje niska, okretajući se u rasponu od 18.000 do 20.000 juana po toni. Za električne transformatore, zamjena bakrenih zavojnica s aluminijastim u dizajnu neizborno značajno smanjit će materijalne troškove proizvoda, donoseći značajne uštede krajnjim kupcima.

Dugo vremena, u industriji je široko smatrano da se aluminijaste zavojnice mogu koristiti samo u električnim transformatorima s naponskim nivoom od 35kV i niže. U stvari, to je velika nesporazum. Na činjenici, aluminijaste zavojnice mogu pokazati veće prednosti kada se primijene u visokonaponskim električnim transformatorima. Ključni faktor koji zapravo ograničava popularizaciju i primjenu aluminijastih zavojnica jest što trenutno otklon tenacije aluminijastih vodilja može doseći samo oko 70MPa, što u nekim scenarijima može dovesti do nedostatka otpornosti na kratkospoj.

1. Trenutno stanje i standardi
1.1 Trenutno stanje aluminijastih zavojnica u transformatorima

U inozemstvu, aluminijasti transformatori su široko korišteni u području distribucijskih transformatora i imaju malobrojne primjene u glavnim transformatorima. U Kini, iako su aluminijaste zavojnice primijenjene u distribucijskim transformatorima, glavni transformatori s naponskim nivoom od 110kV do 1000kV još uvijek nisu legalno primijenjeni.

1.2 Relevantni standardi za aluminijaste zavojnice u transformatorima

Međunarodni standard IEC i nacionalni standard GB jasno dopuštaju korištenje bakra ili aluminija kao materijala za vodilje zavojnica u električnim transformatorima. Osim toga, Nacionalna uprava za energiju objavila je industrijske standarde za aluminijaste zavojnice u transformatorima u siječnju 2016., uključujući Tehničke parametre i zahtjeve za 6kV～35kV maslinasto umocene aluminijaste zavojnice u distribucijskim transformatorima i Tehničke parametre i zahtjeve za 6kV～35kV suho umocene aluminijaste zavojnice u transformatorima. To potpuno pokazuje da, s aspekta standarda, primjena aluminijastih zavojnica u transformatorima je legalna.

2. Kvantitativno usporedba troškova

Prema konvencionalnom iskustvu u dizajnu, uz pretpostavku osiguranja istih performansnih parametara transformatora (poput praznog gubitka, opterećenog gubitka, impedancije pri kratkospoju, margine otpornosti na kratkospoj itd.), kombinirano s trenutnim cijenama sirovina (tržišna cijena goleg bakra iznosi otprilike 70.000 juana po toni, a tržišna cijena goleg aluminija iznosi otprilike 20.000 juana po toni), glavni materijalni troškovi transformatora s aluminijastim zavojnicama mogu biti smanjeni za više od 20% u usporedbi s onima s bakrenim zavojnicama.

Sljedeće je specifična usporedba s primjerom transformatora SZ20-50000/110-NX2.

Iz gornjih rezultata usporedbe može se vidjeti da, uz osiguranje istih performansnih parametara, za 50MVA/110kV dvoslojni II razred energetski učinkoviti transformator, trošak aluminijaste zavojnice iznosi otprilike 23,5% manje od troška bakrene zavojnice, a efekt smanjenja troškova je vrlo značajan.

Kvalitativna usporedba performansi

Kvalitativna usporedba glavnih performansi električnih transformatora s aluminijastim zavojnicama i bakrenim zavojnicama dijeli se na sljedeće aspekte:

3.1 Prazan gubitak

Veličina željeznog jezgra u transformatoru s aluminijastim zavojnicama je relativno veća. Da bi se osigurali isti prazni gubitci, to se može postići odgovarajućim smanjenjem gustoće magnetne fluksije ili promjera željeznog jezgra ili odabirom silikonskih čelika s nižim jediničnim gubitkom.

3.2 Opterećeni gubitak

Budući da je specificna otpornost aluminija približno 1,63 puta veća od one bakra, da bi se osigurali isti gubitci pod opterećenjem, obično se smanjuje gustoća struja u aluminijastim zavojnicama.

3.3 Otpornost na kratkospoj

Pod uvjetima konvencionalne impedancije pri kratkospoju i nominalne snage ispod 100MVA, ako je dizajn razuman, transformator s aluminijastim zavojnicama također može imati dovoljnu otpornost na kratkospoj. Međutim, kada je nominalna snaga transformatora iznad 100MVA ili kada je impedancija značajno niska, transformator s aluminijastim zavojnicama može pokazati karakteristiku nedostatka otpornosti na kratkospoj.

3.4 Margina izolacije

Zbog općenito veće dimenzije aluminijastih vodilja i većeg radijusa zakrivljenosti vodilja, aluminijasta zavojnica će dobiti ravnomjernije električno polje u usporedbi s bakrenom zavojnicom. Pod istim glavnim izolacijskim udaljenošću zavojnice i podjelom ulja, bit će veća glavna izolacijska margina. U pogledu longitudinalne izolacije zavojnice, velika dimenzija aluminijastih vodilja znači veću kapacitet između zavojaka, što je također povoljnije za raspodjelu valovitog procesa. To je temeljni princip zbog kojeg su aluminijaste zavojnice posebno prikladne za visokonaponske transformatore.

3.5 Nivo temperature porasta

Zbog općenito veće dimenzije aluminijastih vodilja, transformator s aluminijastim zavojnicama će imati veću površinu toplinskog isparavanja u usporedbi s transformatorom s bakrenim zavojnicama. Pod pretpostavkom istog izvora topline, dobit će se niži porast temperature meda i bakra. Osim toga, budući da je efekt kože kod aluminijastih vodilja značajno slabiji od onog kod bakrenih zavojnica i induktivni gubitak manji, aluminijasta zavojnica će imati niži porast temperature točke toplote.

3.6 Preopterećenje i vijek trajanja

Zbog slabijeg efekta kože same zavojnice i nižeg porasta temperature točke toplote, pod istim uvjetima, transformator s aluminijastim zavojnicama će imati duže vrijeme trajanja i jaču sposobnost preopterećenja.

4 Sažetak

Pod pretpostavkom osiguranja istih performansnih parametara, prema trenutnim tržišnim cijenama bakra i aluminija, električni transformatori s aluminijastim zavojnicama obično smanjuju troškove za više od 20% u usporedbi s onima s bakrenim zavojnicama. Objektivno rečeno s tehničkog stajališta, osim otpornosti na kratkospoj, kompleksne performanse električnih transformatora s aluminijastim zavojnicama su neizborno nadmoćne onima s bakrenim zavojnicama.

Fundamentalno gledano, ograničena primjena električnih transformatora s aluminijastim zavojnicama ne leži u visokom naponu, već u velikoj kapacitetu. Suštinski, leži u prirodnoj nedostatnosti otklona tenacije aluminijastih vodilja, što teško zadovoljava otpornost na kratkospoj nekih velikih kapaciteta ili niskih impedancija električnih transformatora. Pojavlivanje vodilja za zavojnice aluminijastih legura transformatora upravo je pokušaj riješiti taj problem.

Međutim, povećanje impedancije pri kratkospoju električnih transformatora može brzo riješiti taj problem. Nakon povećanja impedancije pri kratkospoju električnih transformatora, struja pri kratkospoju će se smanjiti. Čak i za velike kapacitete (poput iznad 180MVA) električnih transformatora, otpornost na kratkospoj aluminijastih zavojnica može više ne biti ograničavajući problem.