Penggunaan Gulungan Aluminium vs Tembaga pada Trafo Daya: Perbandingan Biaya dan Kinerja

Saat ini, harga pasar tembaga tetap tinggi, berfluktuasi dalam kisaran 70.000 hingga 80.000 yuan per ton. Sebaliknya, harga aluminium tetap rendah, berkisar antara 18.000 hingga 20.000 yuan per ton. Untuk transformator daya, mengganti gulungan tembaga dengan gulungan aluminium dalam desain akan tidak diragukan lagi secara signifikan mengurangi biaya bahan produk, memberikan penghematan biaya yang substansial kepada pelanggan akhir.

Selama bertahun-tahun, telah luas dipercaya dalam industri bahwa gulungan aluminium hanya dapat digunakan pada transformator daya dengan tingkat tegangan 35kV dan di bawahnya. Faktanya, ini adalah kesalahpahaman besar. Pada kenyataannya, gulungan aluminium dapat menunjukkan keunggulan yang lebih besar ketika diterapkan pada transformator daya tekanan tinggi. Faktor inti yang benar-benar membatasi popularitas dan penerapan gulungan aluminium adalah bahwa kekuatan hasil dari konduktor aluminium saat ini hanya dapat mencapai sekitar 70MPa, yang mungkin menyebabkan kapasitas tahanan arus pendek dari gulungan transformator kurang dalam beberapa skenario.

1. Situasi Saat Ini dan Standar
1.1 Situasi Saat Ini Transformator dengan Gulungan Aluminium

Di luar negeri, transformator dengan gulungan aluminium banyak digunakan dalam bidang transformator distribusi dan memiliki sedikit aplikasi pada transformator utama. Di China, meskipun gulungan aluminium telah diterapkan pada transformator distribusi, transformator utama dengan tingkat tegangan 110kV hingga 1000kV belum diterapkan secara legal.

1.2 Standar Relevan untuk Transformator dengan Gulungan Aluminium

Baik standar internasional IEC maupun standar nasional GB jelas mengizinkan transformator daya menggunakan tembaga atau aluminium sebagai bahan konduktor untuk gulungan. Selain itu, Administrasi Energi Nasional mengeluarkan standar industri untuk transformator dengan gulungan aluminium pada Januari 2016, termasuk Parameter Teknis dan Persyaratan untuk Transformator Distribusi Berpendingin Minyak 6kV～35kV dengan Gulungan Aluminium dan Parameter Teknis dan Persyaratan untuk Transformator Tipe Kering 6kV～35kV dengan Gulungan Aluminium. Ini sepenuhnya menunjukkan bahwa, dari sudut pandang standar, penerapan transformator dengan gulungan aluminium adalah legal.

2. Perbandingan Biaya Kuantitatif

Berdasarkan pengalaman desain konvensional, dengan prasyarat memastikan parameter kinerja transformator konsisten (seperti kerugian tanpa beban, kerugian beban, impedansi arus pendek, margin tahanan arus pendek, dll.), dikombinasikan dengan harga bahan baku saat ini (harga pasar tembaga polos sekitar 70.000 yuan per ton, dan harga pasar aluminium polos sekitar 20.000 yuan per ton), biaya bahan utama transformator yang menggunakan gulungan aluminium dapat hemat lebih dari 20% dibandingkan dengan yang menggunakan gulungan tembaga.

Berikut adalah perbandingan spesifik dengan contoh transformator daya SZ20-50000/110-NX2.

Dapat dilihat dari hasil perbandingan di atas bahwa, dengan prasyarat memastikan parameter kinerja yang sama, untuk transformator daya efisiensi energi Kelas II 50MVA/110kV dengan dua gulungan, biaya gulungan aluminium sekitar 23,5% lebih rendah dibandingkan dengan gulungan tembaga, dan efek penghematan biaya sangat signifikan.

Perbandingan Kualitatif Kinerja

Perbandingan kualitatif kinerja utama transformator daya dengan gulungan aluminium dan gulungan tembaga dibagi menjadi aspek berikut:

3.1 Kerugian Tanpa Beban

Ukuran inti besi transformator dengan gulungan aluminium relatif lebih besar. Untuk memastikan kerugian tanpa beban yang sama, hal ini dapat dicapai dengan mengurangi densitas fluks magnetik atau diameter inti besi atau memilih lembaran baja silikon dengan kerugian unit yang lebih rendah.

3.2 Kerugian Beban

Karena resistivitas konduktor aluminium sekitar 1,63 kali resistivitas konduktor tembaga, untuk memastikan kerugian beban yang sama, biasanya densitas arus konduktor gulungan aluminium diturunkan.

3.3 Kapasitas Tahanan Arus Pendek

Dalam kondisi impedansi arus pendek konvensional dan kapasitas nominal di bawah 100MVA, selama desainnya masuk akal, transformator dengan gulungan aluminium juga dapat memiliki kapasitas tahanan arus pendek yang cukup. Namun, ketika kapasitas nominal transformator di atas 100MVA atau impedansinya sangat rendah, transformator dengan gulungan aluminium mungkin menunjukkan karakteristik kapasitas tahanan arus pendek yang kurang.

3.4 Margin Insulasi

Karena ukuran penampang konduktor aluminium umumnya lebih besar dan radius kelengkungan konduktor lebih besar, gulungan aluminium akan mendapatkan medan listrik yang lebih merata dibandingkan dengan gulungan tembaga. Dengan jarak insulasi utama gulungan dan pembagian celah minyak yang sama, akan ada margin insulasi utama yang lebih besar. Dalam hal insulasi longitudinal gulungan, ukuran besar konduktor aluminium berarti kapasitansi antara putaran yang lebih besar, yang juga lebih menguntungkan untuk distribusi proses gelombang. Inilah prinsip dasar yang membuat gulungan aluminium sangat cocok untuk transformator tekanan tinggi.

3.5 Tingkat Peningkatan Suhu

Karena ukuran penampang konduktor aluminium umumnya lebih besar, transformator dengan gulungan aluminium akan memiliki permukaan pendinginan yang lebih besar dibandingkan dengan transformator dengan gulungan tembaga. Dengan prasyarat sumber panas yang sama, akan diperoleh peningkatan suhu tembaga-minyak yang lebih rendah. Selain itu, karena efek kulit konduktor aluminium jauh lebih lemah daripada gulungan tembaga dan kerugian arus eddy lebih kecil, gulungan aluminium akan memiliki peningkatan suhu titik panas yang lebih rendah.

3.6 Overload dan Umur Layanan

Karena efek kulit gulungan sendiri yang lebih lemah dan peningkatan suhu titik panas yang lebih rendah, dalam kondisi yang sama, transformator dengan gulungan aluminium akan memiliki umur layanan yang lebih lama dan kapasitas overload yang lebih kuat.

4 Ringkasan

Dengan prasyarat memastikan parameter kinerja yang sama, berdasarkan harga pasar tembaga dan aluminium saat ini, transformator daya dengan gulungan aluminium umumnya mengurangi biaya lebih dari 20% dibandingkan dengan yang menggunakan gulungan tembaga. Secara objektif dalam hal teknologi, kecuali untuk kapasitas tahanan arus pendek, kinerja komprehensif transformator daya dengan gulungan aluminium tidak diragukan lagi unggul secara komprehensif dibandingkan dengan yang menggunakan gulungan tembaga.

Secara fundamental, penerapan terbatas transformator daya dengan gulungan aluminium tidak terletak pada tekanan tinggi, tetapi pada kapasitas besar. Pada dasarnya, terletak pada kekurangan alami kekuatan hasil konduktor aluminium, sehingga sulit untuk memenuhi kapasitas tahanan arus pendek beberapa transformator daya kapasitas besar atau impedansi rendah. Munculnya konduktor untuk gulungan transformator paduan aluminium adalah upaya untuk menyelesaikan masalah ini.

Namun, meningkatkan impedansi arus pendek transformator daya dapat dengan cepat menyelesaikan masalah ini. Setelah meningkatkan impedansi arus pendek transformator daya, arus pendek akan berkurang. Bahkan untuk transformator daya kapasitas besar (seperti di atas 180MVA), kapasitas tahanan arus pendek gulungan aluminium mungkin tidak lagi menjadi masalah pembatas.