Alumínium és réz törékenyesség az áramátváltókban: költség- és teljesítményösszehasonlítás

Jelenleg a réz piaci ára magas, és 70 000-80 000 yuan per tonna között ingadozik. Szemben ezzel az alumínium ára alacsony, és 18 000-20 000 yuan per tonna között tartózkodik. Az erőművek transzformátorainál a rézből készült tekercsek helyettesítése alumíniumból készült tekercsekkel a tervezés során kétségkívül jelentősen csökkenteni fogja a termékek anyagköltségét, amely jelentős költségcsökkentést hoz az végfelhasználóknak.

Hosszú ideje széles körben elterjedt a gyárkarban, hogy az alumíniumból készült tekercsek csak 35 kV-os vagy annál alacsonyabb feszültségi szintű erőművek transzformátoraihoz használhatók. Valójában ez egy nagy tévedés. A valóságban az alumíniumból készült tekercsek nagyobb előnyöket biztosíthatnak magasfeszültségű erőművek transzformátorai esetén. A tényező, ami valóban korlátozza az alumíniumból készült tekercsek elterjedését, az, hogy az alumínium vezetők jelenlegi megengedett nyomatékai csak kb. 70 MPa-ra érnek, ami néhány esetben nem elegendő lehet a transzformátor tekercseinek rövidzárló-képességéhez.

1. Jelenlegi helyzet és normák
1.1 Az alumíniumból készült tekercsek transzformátorainak jelenlegi helyzete

A külföldön az alumíniumból készült tekercsek széles körben alkalmazottak a szétosztó transzformátorok területén, és kevésbé a főtranszformátoroknál. Kínában, bár az alumíniumból készült tekercsek már szétosztó transzformátorokon is alkalmazva vannak, a 110 kV-tól 1000 kV-ig terjedő főtranszformátoroknál még nem történt jogi alkalmazásuk.

1.2 Az alumíniumból készült tekercsek transzformátoraihoz kapcsolódó normák

Az IEC nemzetközi norma és a GB nemzeti norma egyaránt engedélyezi, hogy a hatáskörben lévő transzformátorok tekercsei rézből vagy alumíniumból készüljenek. Ezen felül a Nemzeti Energiaügyi Ügynökség 2016. januárban adott ki iparnormákat az alumíniumból készült tekercsek transzformátoraira, beleértve a 6 kV-35 kV olajeltartós alumíniumból készült tekercsek szétosztó transzformátorai technikai paramétereit és követelményeit, valamint a 6 kV-35 kV száraz típusú alumíniumból készült tekercsek transzformátorai technikai paramétereit és követelményeit. Ez teljesen arra utal, hogy a normatív szempontból az alumíniumból készült tekercsek transzformátorainak alkalmazása jogi.

2. Mennyiségi költséghasonlítás

A hagyományos tervezési tapasztalatok szerint, ha garantáltak a transzformátorok működési paraméterei (pl. üres futást veszteség, terhelési veszteség, rövidzárló-ellenállás, rövidzárló-ellenállás maradék, stb.), és figyelembe vesszük a jelenlegi alapanyagok árait (a fedett réz piaci ára kb. 70 000 yuan per tonna, a fedett alumínium piaci ára pedig kb. 20 000 yuan per tonna), akkor az alumíniumból készült tekercsek transzformátorai esetén a főanyagköltség több mint 20%-kal csökkenhet a rézből készült tekercsekhez képest.

A következő példa egy SZ20-50000/110-NX2 erőművek transzformátorával illusztrálja a részleteket.

A fenti összehasonlításból látható, hogy ugyanazon működési paraméterek mellett, egy 50 MVA/110 kV-os, II. osztályú energiateljesítményű kéttekercses erőművek transzformátoránál az alumíniumból készült tekercs költsége kb. 23,5%-kal alacsonyabb, mint a rézből készült tekercs költsége, ami jelentős költségcsökkentést jelent.

Teljesítmény minőségi összehasonlítása

Az alumíniumból készült tekercsek és a rézből készült tekercsek transzformátorainak fő teljesítményei a következő aspektusok szerint válik összehasonlíthatóvá:

3.1 Üres futást veszteség

Az alumíniumból készült tekercsek transzformátorának vasmagja relatíve nagyobb. Ugyanazon üres futást veszteség biztosításához lehetséges, hogy a mágneses fluxust vagy a vasmag átmérőjét megfelelően csökkentjük, vagy alacsonyabb egységveszteségű silícium-vaslapokat választunk.

3.2 Terhelési veszteség

Mivel az alumínium vezetők ellenállása körülbelül 1,63-szerese a réz vezetők ellenállásának, ugyanazon terhelési veszteség biztosításához általában csökkentjük az alumíniumból készült tekercsek vezetőinek áramszűrő sűrűségét.

3.3 Rövidzárló-ellenállás

Szokásos rövidzárló-ellenállás és 100 MVA alatti nominális kapacitás mellett, ha a tervezés megfelelő, az alumíniumból készült tekercsek transzformátorai is elegendő rövidzárló-képességgel rendelkezhetnek. Azonban, ha a transzformátor nominális kapacitása 100 MVA felett van, vagy az ellenállás jelentősen alacsony, az alumíniumból készült tekercsek transzformátorai jelentősen kevésbé elegendő rövidzárló-ellenállással rendelkezhetnek.

3.4 Izolációs margó

Mivel az alumínium vezetők általában nagyobb méretűek, és nagyobb görbületi sugara van, az alumíniumból készült tekercsek jobban egyenletes elektromos mezőt kaphatnak, mint a rézből készült tekercsek. Ugyanazon fő izolációs távolság mellett, és olajréteg-elosztás esetén, nagyobb főizolációs margó lesz. A tekercs hosszirányú izolációja tekintetében, a nagyobb méretű alumínium vezetők nagyobb forgatóköri kapacitást jelentenek, ami kedvezőbb a hullám folyamatának eloszlásához. Ez az alapelve, ami különösen alkalmas a magasfeszültségű transzformátorokra.

3.5 Hőmérséklet-emelkedési szint

Mivel az alumínium vezetők általában nagyobb méretűek, az alumíniumból készült tekercsek transzformátorai nagyobb hőátadási felülettel rendelkeznek, mint a rézből készült tekercsek transzformátorai. Ugyanazon hőforrás mellett, alacsonyabb réz-olaj hőmérséklet-emelkedést kaphatunk. Továbbá, mivel az alumínium vezetők bőrének hatása jelentősen enyhebb, mint a rézből készült tekercsek bőrének, és a viharos veszteség kisebb, az alumíniumból készült tekercsek alacsonyabb forró pont hőmérséklet-emelkedést mutatnak.

3.6 Túlterhelés és élettartam

Mivel a tekercs saját bőrének hatása enyhebb, és a forró pont hőmérséklet-emelkedése alacsonyabb, ugyanazon feltételek mellett az alumíniumból készült tekercsek transzformátorai hosszabb élettartamot és erősebb túlterhelési képességet biztosítanak.

4 Összefoglalás

Ugyanazon működési paraméterek mellett, a jelenlegi réz és alumínium piaci árainak figyelembevételével, az alumíniumból készült tekercsek transzformátorai általában 20%-kal kevesebb költséget jelentenek, mint a rézből készült tekercsek transzformátorai. Technológiai szempontból objektíven, kivéve a rövidzárló-ellenállást, az alumíniumból készült tekercsek transzformátorai teljesítménye minden tekintetben meghaladja a rézből készült tekercsek transzformátorai teljesítményét.

Lényegében, az alumíniumból készült tekercsek transzformátorainak korlátozott alkalmazása nem a magas feszültség miatt van, hanem a nagy kapacitás miatt. Lényegében, az alumínium vezetők természetes hiányosságai, mint például a megengedett nyomaték alacsonysága, miatt nehéz biztosítani a néhány nagy kapacitású vagy alacsony ellenállású erőművek transzformátorainak rövidzárló-ellenállását. Az alumínium-alloy transzformátor tekercsek vezetőinek megjelenése pontosan arra szolgál, hogy megoldja ezt a problémát.

Azonban a hatáskörben lévő transzformátorok rövidzárló-ellenállásának növelése gyorsan megoldhatja ezt a problémát. A rövidzárló-ellenállás növelése után a rövidzárló áram csökken, ami azt jelenti, hogy még a nagy kapacitású (pl. 180 MVA felett) erőművek transzformátorainál is az alumíniumból készült tekercsek rövidzárló-ellenállása nem lesz korlátozó tényező.