アルミニウム対銅巻線の電力変圧器におけるコストと性能の比較

現在、銅の市場価格は依然として高く、トン当たり70,000～80,000元の範囲で変動しています。一方、アルミニウムの価格は低く、トン当たり18,000～20,000元の範囲で推移しています。電力変圧器において、設計上で銅巻線をアルミニウム巻線に置き換えることは、製品の材料コストを大幅に削減し、最終顧客にとって大きなコスト削減効果をもたらすことは疑いありません。

長年にわたり、業界ではアルミニウム巻線が35kV以下の電圧レベルの電力変圧器にのみ使用できると広く信じられてきました。実際には、これは大きな誤解です。事実、アルミニウム巻線は高電圧電力変圧器に適用される場合にさらに大きな利点を発揮します。アルミニウム巻線の普及と応用を制限している真の要因は、現在のアルミニウム導体の降伏強度が約70MPaに過ぎず、これがいくつかのシナリオで変圧器巻線の短絡耐え能力が不足する可能性があることです。

1. 現状と基準
1.1 アルミニウム巻線変圧器の現状

海外では、アルミニウム巻線変圧器は配電変圧器分野で広く使用されており、主変圧器にも少量ながら応用されています。中国では、アルミニウム巻線は配電変圧器に応用されていますが、110kV～1000kVの電圧レベルの主変圧器にはまだ法的に適用されていません。

1.2 アルミニウム巻線変圧器に関連する基準

国際標準IECと国家標準GBは、どちらも電力変圧器が銅またはアルミニウムを巻線の導体材料として使用することを明確に認めています。さらに、国家エネルギー局は2016年1月にアルミニウム巻線変圧器に関する産業標準を発行しました。これらには、「6kV～35kV油浸アルミニウム巻線配電変圧器の技術パラメータと要求事項」および「6kV～35kV乾式アルミニウム巻線変圧器の技術パラメータと要求事項」が含まれます。これにより、基準の観点からは、アルミニウム巻線変圧器の応用は合法であることが完全に示されています。

2. 定量的なコスト比較

従来の設計経験によれば、変圧器の性能パラメータ（無負荷損失、負荷損失、短絡インピーダンス、短絡耐え能力余裕など）を保証した上で、現在の原材料価格（裸銅の市場価格は約70,000元/トン、裸アルミニウムの市場価格は約20,000元/トン）を考慮すると、アルミニウム巻線を使用した変圧器の主要な材料コストは、銅巻線を使用した変圧器と比較して20%以上節約することができます。

以下は、SZ20-50000/110-NX2電力変圧器を例に具体的な比較を行います。

上記の比較結果から、同じ性能パラメータを保証した上で、50MVA/110kV二巻線II級省エネ電力変圧器の場合、アルミニウム巻線のコストは銅巻線と比較して約23.5%低いことがわかります。コスト削減効果は非常に顕著です。

性能の定性的比較

アルミニウム巻線と銅巻線の電力変圧器の主要な性能の定性的比較は以下の方面に分けられます：

3.1 無負荷損失

アルミニウム巻線変圧器の鉄心サイズは比較的大きいです。同じ無負荷損失を確保するためには、磁束密度や鉄心直径を適切に減少させたり、単位損失が低い珪素鋼板を選択したりすることで達成できます。

3.2 負荷損失

アルミニウム導体の電気抵抗率は銅導体のおよそ1.63倍であるため、同じ負荷損失を確保するためには、アルミニウム巻線導体の電流密度を一般に減少させます。

3.3 短絡耐え能力

通常の短絡インピーダンスと100MVA以下の定格容量の条件下では、設計が合理的であれば、アルミニウム巻線変圧器でも十分な短絡容量を持つことができます。しかし、変圧器の定格容量が100MVA以上またはインピーダンスが著しく低い場合、アルミニウム巻線変圧器は短絡耐え能力が不足するという特性を示すことがあります。

3.4 絶縁余裕

アルミニウム導体のゲージサイズが一般的に大きく、導体の曲率半径も大きいことから、アルミニウム巻線は銅巻線と比較してより均一な電界を得ることができます。同じ巻線の主絶縁距離と油隙分割の下で、より大きな主絶縁余裕があります。巻線の縦方向の絶縁に関しては、アルミニウム導体の大きさにより、巻間キャパシタンスが大きくなり、波過程の分布にも有利です。これがアルミニウム巻線が特に高電圧変圧器に適している基本原理です。

3.5 温度上昇レベル

アルミニウム導体のゲージサイズが一般的に大きいことから、アルミニウム巻線変圧器は銅巻線変圧器と比較してより大きな放熱面を持ちます。同じ熱源の下で、より低い銅-油温度上昇を得ることができます。また、アルミニウム導体の皮膚効果は銅巻線よりも著しく弱く、渦電流損失も小さいため、アルミニウム巻線はより低いホットスポット温度上昇を持ちます。

3.6 過負荷と寿命

巻線自体の皮膚効果が弱く、ホットスポット温度上昇が低いことから、同じ条件下でアルミニウム巻線変圧器はより長い寿命と強い過負荷能力を持ちます。

4 まとめ

同じ性能パラメータを保証した上で、現在の銅とアルミニウムの市場価格に基づいて、アルミニウム巻線を使用した電力変圧器は、銅巻線を使用した変圧器と比較して、一般的に20%以上のコスト削減が可能です。技術的には客観的に見て、短絡耐え能力を除いて、アルミニウム巻線の電力変圧器の総合性能は、銅巻線の電力変圧器を全面的に上回っています。

根本的に言って、アルミニウム巻線の電力変圧器の限定的な応用は高電圧にあるわけではなく、大容量にあると言えます。本質的には、アルミニウム導体の降伏強度が自然に不足しているため、一部の大容量または低インピーダンスの電力変圧器の短絡耐え能力を満たすのが困難です。アルミニウム合金変圧器巻線の導体の登場は、まさにこの問題を解決しようとする試みです。

しかし、電力変圧器の短絡インピーダンスを増加させることで、この問題は迅速に解決できます。電力変圧器の短絡インピーダンスを増加させると、短絡電流が減少します。これにより、大容量（例えば180MVA以上）の電力変圧器であっても、アルミニウム巻線の短絡耐え能力が制約となる問題はなくなる可能性があります。