알루미늄 대동선 권선 전력 변압기: 비용 및 성능 비교

현재 구리의 시장 가격은 여전히 높으며, 톤당 70,000원에서 80,000원 사이로 변동하고 있습니다. 반면 알루미늄의 가격은 낮게 유지되며, 톤당 18,000원에서 20,000원 사이를 오르내립니다. 전력 변압기 설계에서 구리 와인딩을 알루미늄 와인딩으로 대체하면 제품의 재료 비용이 크게 줄어들어 최종 고객에게 상당한 비용 절감 효과를 가져다줄 것입니다.

오랜 기간 동안 업계에서는 알루미늄 와인딩이 35kV 이하의 전압 수준의 전력 변압기에만 사용될 수 있다는 것이 널리 알려져 있었습니다. 사실 이것은 큰 오해입니다. 실제로 알루미늄 와인딩은 고전압 전력 변압기에 적용될 때 더 큰 장점을 발휘할 수 있습니다. 알루미늄 도체의 인성 강도가 현재 약 70MPa에 불과하여 일부 상황에서 변압기 와인딩의 단락 내구성이 부족할 수 있다는 것이 알루미늄 와인딩의 보급과 적용을 제약하는 핵심 요소입니다.

1. 현황 및 표준
1.1 알루미늄 와인딩 변압기의 현황

해외에서는 알루미늄 와인딩 변압기가 배전 변압기 분야에서 널리 사용되고 있으며, 주 변압기에서도 소수의 응용 사례가 있습니다. 중국에서는 알루미늄 와인딩이 배전 변압기에 이미 적용되고 있지만, 110kV부터 1000kV까지의 전압 수준의 주 변압기는 아직 법적으로 적용되지 않았습니다.

1.2 알루미늄 와인딩 변압기 관련 표준

국제 표준 IEC와 국가 표준 GB 모두 전력 변압기의 와인딩 재료로 구리나 알루미늄을 사용하도록 명시하고 있습니다. 또한 2016년 1월 국립 에너지 관리청은 알루미늄 와인딩 변압기 관련 산업 표준을 발표했으며, 이에는 6kV~35kV 유침식 알루미늄 와인딩 배전 변압기의 기술적 매개변수 및 요구사항과 6kV~35kV 건식 알루미늄 와인딩 변압기의 기술적 매개변수 및 요구사항이 포함되어 있습니다. 이는 표준적인 측면에서 알루미늄 와인딩 변압기의 적용이 합법적임을 충분히 나타냅니다.

2. 정량적 비용 비교

일반적인 설계 경험에 따르면, 변압기 성능 매개변수(공부하 손실, 부하 손실, 단락 임피던스, 단락 내구성 여유 등)를 일관되게 유지하면서 현재 원자재 가격(노출된 구리의 시장 가격은 약 70,000원/톤, 노출된 알루미늄의 시장 가격은 약 20,000원/톤)을 고려할 때, 알루미늄 와인딩을 사용하는 변압기의 주요 재료 비용은 구리 와인딩을 사용하는 변압기에 비해 20% 이상 절감될 수 있습니다.

다음은 SZ20-50000/110-NX2 전력 변압기를 예로 들어 구체적인 비교를 합니다.

위의 비교 결과에서 볼 수 있듯이, 동일한 성능 매개변수를 유지하는 조건에서 50MVA/110kV 이중 와인딩 2등급 효율 전력 변압기의 경우, 알루미늄 와인딩의 비용은 구리 와인딩보다 약 23.5% 낮으며, 비용 절감 효과가 매우 큽니다.

성능의 정성적 비교

알루미늄 와인딩과 구리 와인딩 전력 변압기의 주요 성능에 대한 정성적 비교는 다음과 같은 측면으로 나뉩니다:

3.1 공부하 손실

알루미늄 와인딩 변압기의 철심 크기는 상대적으로 크므로, 동일한 공부하 손실을 확보하기 위해서는 철심의 자기 유속 밀도나 직경을 적절히 줄이거나 단위 손실이 낮은 실리콘 강판을 선택함으로써 달성할 수 있습니다.

3.2 부하 손실

알루미늄 도체의 저항률은 구리 도체의 약 1.63배이므로, 동일한 부하 손실을 확보하기 위해서는 일반적으로 알루미늄 와인딩 도체의 전류 밀도를 줄입니다.

3.3 단락 내구성

일반적인 단락 임피던스 조건과 100MVA 이하의 정격 용량에서는 설계가 합리적이면 알루미늄 와인딩 변압기도 충분한 단락 내구성을 가질 수 있습니다. 그러나 변압기의 정격 용량이 100MVA를 초과하거나 임피던스가 매우 낮을 경우에는 알루미늄 와인딩 변압기가 단락 내구성이 부족하다는 특징을 보일 수 있습니다.

3.4 절연 여유

알루미늄 도체의 규격이 일반적으로 크고 도체 곡률 반경이 크기 때문에, 알루미늄 와인딩은 구리 와인딩에 비해 더 균일한 전기장을 얻습니다. 동일한 와인딩 주절연 거리와 오일 간격 분할 조건에서 더 큰 주절연 여유가 생깁니다. 와인딩의 종방향 절연에서는 알루미늄 도체의 큰 크기는 더 큰 회전 간 전용량을 의미하며, 이는 파형 과정의 분포에도 더욱 유리합니다. 이것이 알루미늄 와인딩이 특히 고전압 변압기에 적합한 기본 원리입니다.

3.5 온도 상승 수준

알루미늄 도체의 규격이 일반적으로 크기 때문에, 알루미늄 와인딩 변압기는 구리 와인딩 변압기보다 더 큰 열 방출 면적을 가지게 됩니다. 동일한 열원 조건에서 더 낮은 구리-오일 온도 상승을 얻을 수 있습니다. 또한 알루미늄 도체의 피부 효과가 구리 와인딩보다 현저히 약하고渦流损耗更小，因此铝绕组的热点温升会更低。

알루미늄 도체의 피부 효과가 구리 와인딩보다 현저히 약하고 소용돌이 전류 손실이 작기 때문에, 알루미늄 와인딩의 핫스팟 온도 상승이 더 낮습니다.

현재 구리의 시장 가격은 여전히 높으며, 톤당 70,000원에서 80,000원 사이로 변동하고 있습니다. 반면 알루미늄의 가격은 낮게 유지되며, 톤당 18,000원에서 20,000원 사이를 오르내립니다. 전력 변압기 설계에서 구리 와인딩을 알루미늄 와인딩으로 대체하면 제품의 재료 비용이 크게 줄어들어 최종 고객에게 상당한 비용 절감 효과를 가져다줄 것입니다.

오랜 기간 동안 업계에서는 알루미늄 와인딩이 35kV 이하의 전압 수준의 전력 변압기에만 사용될 수 있다는 것이 널리 알려져 있었습니다. 사실 이것은 큰 오해입니다. 실제로 알루미늄 와인딩은 고전압 전력 변압기에 적용될 때 더 큰 장점을 발휘할 수 있습니다. 알루미늄 도체의 인성 강도가 현재 약 70MPa에 불과하여 일부 상황에서 변압기 와인딩의 단락 내구성이 부족할 수 있다는 것이 알루미늄 와인딩의 보급과 적용을 제약하는 핵심 요소입니다.

1. 현황 및 표준
1.1 알루미늄 와인딩 변압기의 현황

해외에서는 알루미늄 와인딩 변압기가 배전 변압기 분야에서 널리 사용되고 있으며, 주 변압기에서도 소수의 응용 사례가 있습니다. 중국에서는 알루미늄 와인딩이 배전 변압기에 이미 적용되고 있지만, 110kV부터 1000kV까지의 전압 수준의 주 변압기는 아직 법적으로 적용되지 않았습니다.

1.2 알루미늄 와인딩 변압기 관련 표준

국제 표준 IEC와 국가 표준 GB 모두 전력 변압기의 와인딩 재료로 구리나 알루미늄을 사용하도록 명시하고 있습니다. 또한 2016년 1월 국립 에너지 관리청은 알루미늄 와인딩 변압기 관련 산업 표준을 발표했으며, 이에는 6kV~35kV 유침식 알루미늄 와인딩 배전 변압기의 기술적 매개변수 및 요구사항과 6kV~35kV 건식 알루미늄 와인딩 변압기의 기술적 매개변수 및 요구사항이 포함되어 있습니다. 이는 표준적인 측면에서 알루미늄 와인딩 변압기의 적용이 합법적임을 충분히 나타냅니다.

2. 정량적 비용 비교

일반적인 설계 경험에 따르면, 변압기 성능 매개변수(공부하 손실, 부하 손실, 단락 임피던스, 단락 내구성 여유 등)를 일관되게 유지하면서 현재 원자재 가격(노출된 구리의 시장 가격은 약 70,000원/톤, 노출된 알루미늄의 시장 가격은 약 20,000원/톤)을 고려할 때, 알루미늄 와인딩을 사용하는 변압기의 주요 재료 비용은 구리 와인딩을 사용하는 변압기에 비해 20% 이상 절감될 수 있습니다.

다음은 SZ20-50000/110-NX2 전력 변압기를 예로 들어 구체적인 비교를 합니다.

위의 비교 결과에서 볼 수 있듯이, 동일한 성능 매개변수를 유지하는 조건에서 50MVA/110kV 이중 와인딩 2등급 효율 전력 변압기의 경우, 알루미늄 와인딩의 비용은 구리 와인딩보다 약 23.5% 낮으며, 비용 절감 효과가 매우 큽니다.

성능의 정성적 비교

알루미늄 와인딩과 구리 와인딩 전력 변압기의 주요 성능에 대한 정성적 비교는 다음과 같은 측면으로 나뉩니다:

3.1 공부하 손실

알루미늄 와인딩 변압기의 철심 크기는 상대적으로 크므로, 동일한 공부하 손실을 확보하기 위해서는 철심의 자기 유속 밀도나 직경을 적절히 줄이거나 단위 손실이 낮은 실리콘 강판을 선택함으로써 달성할 수 있습니다.

3.2 부하 손실

알루미늄 도체의 저항률은 구리 도체의 약 1.63배이므로, 동일한 부하 손실을 확보하기 위해서는 일반적으로 알루미늄 와인딩 도체의 전류 밀도를 줄입니다.

3.3 단락 내구성

일반적인 단락 임피던스 조건과 100MVA 이하의 정격 용량에서는 설계가 합리적이면 알루미늄 와인딩 변압기도 충분한 단락 내구성을 가질 수 있습니다. 그러나 변압기의 정격 용량이 100MVA를 초과하거나 임피던스가 매우 낮을 경우에는 알루미늄 와인딩 변압기가 단락 내구성이 부족하다는 특징을 보일 수 있습니다.

3.4 절연 여유

알루미늄 도체의 규격이 일반적으로 크고 도체 곡률 반경이 크기 때문에, 알루미늄 와인딩은 구리 와인딩에 비해 더 균일한 전기장을 얻습니다. 동일한 와인딩 주절연 거리와 오일 간격 분할 조건에서 더 큰 주절연 여유가 생깁니다. 와인딩의 종방향 절연에서는 알루미늄 도체의 큰 크기는 더 큰 회전 간 전용량을 의미하며, 이는 파형 과정의 분포에도 더욱 유리합니다. 이것이 알루미늄 와인딩이 특히 고전압 변압기에 적합한 기본 원리입니다.

3.5 온도 상승 수준

알루미늄 도체의 규격이 일반적으로 크기 때문에, 알루미늄 와인딩 변압기는 구리 와인딩 변압기보다 더 큰 열 방출 면적을 가지게 됩니다. 동일한 열원 조건에서 더 낮은 구리-오일 온도 상승을 얻을 수 있습니다. 또한 알루미늄 도체의 피부 효과가 구리 와인딩보다 현저히 약하고 소용돌이 전류 손실이 작기 때문에, 알루미늄 와인딩의 핫스팟 온도 상승이 더 낮습니다.

3.6 과부하 및 수명

와인딩 자체의 피부 효과가 약하고 핫스팟 온도 상승이 낮기 때문에, 동일한 조건에서 알루미늄 와인딩 변압기는 더 긴 수명과 더 강한 과부하 능력을 가집니다.

4 요약

동일한 성능 매개변수를 유지하는 조건에서, 현재 구리와 알루미늄의 시장 가격을 고려할 때, 알루미늄 와인딩을 사용하는 전력 변압기는 구리 와인딩을 사용하는 변압기보다 일반적으로 20% 이상의 비용 절감 효과를 가져다줍니다. 기술적으로 객관적으로 보면, 단락 내구성 문제를 제외하고, 알루미늄 와인딩 전력 변압기의 종합적인 성능은 구리 와인딩 변압기보다 확실히 우월합니다.

본질적으로, 알루미늄 와인딩 전력 변압기의 제한된 적용은 고전압에 있지 않고, 대용량에 있습니다. 본질적으로, 알루미늄 도체의 인성 강도가 부족하여 일부 대용량 또는 저임피던스 전력 변압기의 단락 내구성을 충족시키는 데 어려움이 있는 것입니다. 알루미늄 합금 변압기 도체의 출현은 이러한 문제를 해결하기 위한 시도입니다.

그러나 전력 변압기의 단락 임피던스를 증가시키면 이 문제를 신속하게 해결할 수 있습니다. 전력 변압기의 단락 임피던스를 증가시키면 단락 전류가 감소하므로, 180MVA 이상의 대용량 전력 변압기에서도 알루미늄 와인딩의 단락 내구성 문제가 더 이상 제약적이지 않을 수 있습니다.