Alluminio vs Rame nelle Bobine dei Trasformatori Elettrici: Confronto tra Costi e Prestazioni

Attualmente, il prezzo di mercato del rame rimane elevato, oscillando nell'intervallo di 70.000 a 80.000 yuan per tonnellata. In contrasto, il prezzo dell'alluminio rimane basso, aggirandosi nell'intervallo di 18.000 a 20.000 yuan per tonnellata. Per i trasformatori elettrici, sostituire le spire di rame con quelle di alluminio nel design ridurrà senza dubbio in modo significativo il costo dei materiali del prodotto, portando risparmi di costi sostanziali ai clienti finali.

Per molto tempo, si è diffusa nell'industria l'opinione che le spire di alluminio possano essere utilizzate solo nei trasformatori elettrici con un livello di tensione di 35kV o inferiore. In realtà, questa è una grande fraintendimento. Di fatto, le spire di alluminio possono esercitare maggiori vantaggi quando applicate nei trasformatori ad alta tensione. Il fattore chiave che realmente limita la diffusione e l'applicazione delle spire di alluminio è che la resistenza allo snervamento dei conduttori di alluminio può raggiungere attualmente solo circa 70MPa, il che potrebbe portare a una capacità di resistenza a cortocircuito insufficiente delle spire del trasformatore in alcuni scenari.

1. Situazione attuale e standard
1.1 Situazione attuale dei trasformatori con spire di alluminio

All'estero, i trasformatori con spire di alluminio sono ampiamente utilizzati nel campo dei trasformatori di distribuzione e hanno un numero limitato di applicazioni nei trasformatori principali. In Cina, sebbene le spire di alluminio siano state applicate nei trasformatori di distribuzione, i trasformatori principali con un livello di tensione da 110kV a 1000kV non sono ancora stati legalmente applicati.

1.2 Standard rilevanti per i trasformatori con spire di alluminio

Entrambi lo standard internazionale IEC e lo standard nazionale GB consentono chiaramente l'uso di rame o alluminio come materiali conduttivi per le spire dei trasformatori elettrici. Inoltre, l'Amministrazione Nazionale dell'Energia ha emesso standard industriali per i trasformatori con spire di alluminio nel gennaio 2016, inclusi i Parametri Tecnici e Requisiti per Trasformatori di Distribuzione a Immersione in Olio con Spire di Alluminio da 6kV～35kV e i Parametri Tecnici e Requisiti per Trasformatori a Secco con Spire di Alluminio da 6kV～35kV. Ciò dimostra pienamente che, dal punto di vista degli standard, l'applicazione dei trasformatori con spire di alluminio è legale.

2. Confronto quantitativo dei costi

Secondo l'esperienza di progettazione convenzionale, sul presupposto di garantire parametri di prestazione del trasformatore coerenti (come perdita a vuoto, perdita a carico, impedenza a cortocircuito, margine di resistenza a cortocircuito, ecc.), combinato con i prezzi attuali dei materiali grezzi (il prezzo di mercato del rame nudo è di circa 70.000 yuan per tonnellata, e il prezzo di mercato dell'alluminio nudo è di circa 20.000 yuan per tonnellata), il costo principale dei materiali dei trasformatori che utilizzano spire di alluminio può essere risparmiato di oltre il 20% rispetto a quelli che utilizzano spire di rame.

Di seguito viene presentato un confronto specifico con un trasformatore elettrico SZ20-50000/110-NX2 come esempio.

Dai risultati del confronto sopra riportati, si può vedere che, sul presupposto di garantire gli stessi parametri di prestazione, per un trasformatore elettrico di classe II a doppia avvolgura di 50MVA/110kV, il costo della spira di alluminio è circa il 23,5% inferiore a quello della spira di rame, e l'effetto di riduzione dei costi è molto significativo.

Confronto qualitativo delle prestazioni

Il confronto qualitativo delle principali prestazioni dei trasformatori elettrici con spire di alluminio e spire di rame si divide in seguenti aspetti:

3.1 Perdita a vuoto

La dimensione del nucleo del trasformatore con spire di alluminio è relativamente grande. Per garantire la stessa perdita a vuoto, ciò può essere ottenuto riducendo appropriate la densità di flusso magnetico o il diametro del nucleo o selezionando lastre di acciaio silicio con minori perdite unitarie.

3.2 Perdita a carico

Poiché la resistività dei conduttori di alluminio è circa 1,63 volte quella dei conduttori di rame, per garantire la stessa perdita a carico, la densità di corrente dei conduttori delle spire di alluminio è generalmente ridotta.

3.3 Capacità di resistenza a cortocircuito

Sotto le condizioni di impedenza a cortocircuito convenzionale e una capacità nominale inferiore a 100MVA, purché il design sia ragionevole, il trasformatore con spire di alluminio può avere anche una sufficiente capacità di resistenza a cortocircuito. Tuttavia, quando la capacità nominale del trasformatore è superiore a 100MVA o l'impedenza è notevolmente bassa, il trasformatore con spire di alluminio potrebbe mostrare la caratteristica di una capacità di resistenza a cortocircuito insufficiente.

3.4 Margine di isolamento

A causa della dimensione generalmente maggiore del calibro del conduttore di alluminio e del raggio di curvatura del conduttore più grande, la spira di alluminio otterrà un campo elettrico più uniforme rispetto alla spira di rame. Con la stessa distanza principale di isolamento della spira e la divisione della fessura di olio, ci sarà un maggiore margine di isolamento principale. In termini di isolamento longitudinale della spira, la grande dimensione del conduttore di alluminio significa una maggiore capacità interturno, che è anche più favorevole alla distribuzione del processo d'onda. Questo è il principio fondamentale che rende le spire di alluminio particolarmente adatte ai trasformatori ad alta tensione.

3.5 Livello di aumento di temperatura

A causa della dimensione generalmente maggiore del calibro del conduttore di alluminio, il trasformatore con spire di alluminio avrà una superficie di dissipazione termica maggiore rispetto al trasformatore con spire di rame. Sul presupposto della stessa sorgente di calore, si otterrà un minore aumento di temperatura tra rame e olio. Inoltre, poiché l'effetto pelle del conduttore di alluminio è significativamente più debole rispetto a quello della spira di rame e la perdita per correnti indotte è minore, la spira di alluminio avrà un minore aumento di temperatura nel punto caldo.

3.6 Sovraccarico e durata di vita

A causa dell'effetto pelle più debole della spira stessa e del minore aumento di temperatura nel punto caldo, nelle stesse condizioni, il trasformatore con spire di alluminio avrà una durata di vita più lunga e una maggiore capacità di sovraccarico.

4. Riepilogo

Sul presupposto di garantire gli stessi parametri di prestazione, secondo i prezzi attuali di mercato del rame e dell'alluminio, i trasformatori elettrici con spire di alluminio riducono generalmente il costo di oltre il 20% rispetto a quelli con spire di rame. Obiettivamente, in termini tecnici, tranne per la capacità di resistenza a cortocircuito, le prestazioni complessive dei trasformatori elettrici con spire di alluminio sono indubbiamente superiori a quelle dei trasformatori con spire di rame.

Fondamentalmente, l'applicazione limitata dei trasformatori elettrici con spire di alluminio non sta nella tensione elevata, ma nella capacità elevata. Essenzialmente, si tratta dell'insufficienza naturale della resistenza allo snervamento dei conduttori di alluminio, rendendo difficile soddisfare la capacità di resistenza a cortocircuito di alcuni trasformatori ad alta capacità o a bassa impedenza. L'emergere dei conduttori per spire di trasformatori in lega di alluminio è proprio un tentativo di risolvere questo problema.

Tuttavia, aumentare l'impedenza a cortocircuito dei trasformatori elettrici può risolvere rapidamente questo problema. Dopo aver aumentato l'impedenza a cortocircuito dei trasformatori elettrici, la corrente a cortocircuito sarà ridotta. Anche per i trasformatori ad alta capacità (ad esempio, superiore a 180MVA), la capacità di resistenza a cortocircuito delle spire di alluminio potrebbe non essere più un problema restrittivo.