Aluminium versus koper windingen in stroomtransformators: kosten- en prestatievergelijking

Momenteel blijft de marktprijs van koper hoog, met schommelingen in het bereik van 70.000 tot 80.000 yuan per ton. Daarentegen blijft de prijs van aluminium laag, met een bedrag dat zich bevindt in het bereik van 18.000 tot 20.000 yuan per ton. Voor elektrische transformatoren zal het vervangen van kopervoeringen door aluminiumvoeringen in het ontwerp ongetwijfeld de grondstofkosten van de producten aanzienlijk verlagen, wat eindklanten aanzienlijke kostenbesparingen oplevert.

Langdurig is er in de industrie wijdverspreid geloofd dat aluminiumvoeringen alleen kunnen worden gebruikt in elektrische transformatoren met een spanning van 35kV en lager. In feite is dit een groot misverstand. Feitelijk kunnen aluminiumvoeringen grotere voordelen bieden wanneer ze worden toegepast in hogespanningselectrische transformatoren. De kernfactor die echt de verspreiding en toepassing van aluminiumvoeringen beperkt, is dat de vloeistofsterkte van aluminiumleiders momenteel slechts ongeveer 70MPa kan bereiken, wat in sommige scenario's kan leiden tot een onvoldoende korte-slagbestendigheid van de transformatorvoeringen.

1. Huidige situatie en normen
1.1 Huidige situatie van transformatoren met aluminiumvoering

Buitenlandse transformatoren met aluminiumvoering worden wijdverspreid gebruikt in het gebied van distributietransformatoren en hebben enkele toepassingen in hoofdtransformatoren. In China zijn, hoewel aluminiumvoeringen al zijn toegepast in distributietransformatoren, hoofdtransformatoren met een spanning van 110kV tot 1000kV nog niet legaal toegepast.

1.2 Relevante normen voor transformatoren met aluminiumvoering

Zowel de internationale norm IEC als de nationale norm GB staan duidelijk toe dat elektrische transformatoren koper of aluminium kunnen gebruiken als geleidermaterialen voor voeringen. Bovendien heeft de Nationale Energiebeheersautoriteit in januari 2016 sectornormen uitgevaardigd voor transformatoren met aluminiumvoering, waaronder Technische parameters en vereisten voor oliegedrenkte distributietransformatoren met aluminiumvoering van 6kV～35kV en Technische parameters en vereisten voor droogtype transformatoren met aluminiumvoering van 6kV～35kV. Dit geeft volledig aan dat, vanuit het standpunt van normen, de toepassing van transformatoren met aluminiumvoering legaal is.

2. Kwantitatieve kostenvergelijking

Volgens conventionele ontwerpperinningen, op voorwaarde van het waarborgen van consistente transformatorkenmerken (zoals ledigeloos, belastingsverlies, kortsluitimpedantie, marge van kortsluitbestendigheid, enz.), gecombineerd met de huidige grondstofprijzen (de marktprijs van bloot koper is ongeveer 70.000 yuan per ton, en de marktprijs van bloot aluminium is ongeveer 20.000 yuan per ton), kunnen de grondstofkosten van transformatoren met aluminiumvoering meer dan 20% besparen vergeleken met die met kopervoering.

Hieronder volgt een specifieke vergelijking met een SZ20-50000/110-NX2 elektrische transformer als voorbeeld.

Uit de bovenstaande vergelijkingsresultaten blijkt dat, onder de voorwaarde van het waarborgen van dezelfde prestatiekarakteristieken, voor een 50MVA/110kV dubbelgewonden Klasse II energie-efficiënte elektrische transformer, de kosten van de aluminiumvoering ongeveer 23,5% lager zijn dan die van de kopervoering, en het effect van kostenreductie is zeer aanzienlijk.

Kwalitatieve vergelijking van prestaties

De kwalitatieve vergelijking van de belangrijkste prestaties van elektrische transformatoren met aluminiumvoering en kopervoering wordt verdeeld in de volgende aspecten:

3.1 Ledigeloos

De grootte van het ijzeren kern van de transformator met aluminiumvoering is relatief groot. Om dezelfde ledigeloos te garanderen, kan dit worden bereikt door de magnetische fluxdichtheid of de diameter van de ijzeren kern te verlagen of siliciumstaalplaten met lagere eenheidsverliezen te selecteren.

3.2 Belastingsverlies

Aangezien de soortelijke weerstand van aluminiumleiders ongeveer 1,63 keer die van kopergleiders is, om dezelfde belastingsverliezen te garanderen, wordt de stroomdichtheid van de aluminiumvoeringleiders meestal verlaagd.

3.3 Kortsluitbestendigheid

Onder de omstandigheden van conventionele kortsluitimpedantie en een genoemd vermogen onder 100MVA, zolang het ontwerp redelijk is, kan de transformator met aluminiumvoering ook voldoende kortsluitcapaciteit hebben. Echter, wanneer het genoemd vermogen van de transformer boven de 100MVA is of de impedantie aanzienlijk laag is, kan de transformator met aluminiumvoering het kenmerk van onvoldoende kortsluitbestendigheid vertonen.

3.4 Isolatiemarge

Vanwege de over het algemeen grotere afmeting van de aluminiumleiderdoorsnede en de grotere leiderradius, zal de aluminiumvoering een meer uniform elektrisch veld verkrijgen in vergelijking met de kopervoering. Bij dezelfde hoofdisolatiedistances van de voering en oliegapdivisie, zal er een grotere hoofdisolatiemarge zijn. Wat betreft de longitudinale isolatie van de voering, betekent de grote afmeting van de aluminiumleider een grotere tussenwindingscapaciteit, wat ook meer gunstig is voor de verdeling van de golfproces. Dit is het basisprincipe dat maakt dat aluminiumvoeringen bijzonder geschikt zijn voor hogespanningstransformatoren.

3.5 Temperatuurstijgniveau

Vanwege de over het algemeen grotere afmeting van de aluminiumleiderdoorsnede, zal de transformator met aluminiumvoering een grotere warmteafgifteoppervlak hebben in vergelijking met de transformator met kopervoering. Op voorwaarde van dezelfde warmtebron, zal een lagere koper-olie temperatuurstijging worden verkregen. Bovendien, omdat het huideneffect van de aluminiumleider aanzienlijk zwakker is dan dat van de kopervoering en het eddyverlies kleiner is, zal de aluminiumvoering een lagere hot-spot temperatuurstijging hebben.

3.6 Overbelasting en levensduur

Vanwege het zwakkere huideneffect van de voering zelf en de lagere hot-spot temperatuurstijging, zal de transformator met aluminiumvoering onder dezelfde omstandigheden een langere levensduur en een sterker overbelastingsvermogen hebben.

4 Samenvatting

Op voorwaarde van het waarborgen van dezelfde prestatiekarakteristieken, volgens de huidige marktprijzen van koper en aluminium, verlagen elektrische transformatoren met aluminiumvoering in het algemeen de kosten met meer dan 20% in vergelijking met die met kopervoering. Objectief gesproken in technologisch opzicht, behalve de kortsluitbestendigheid, is de algehele prestatie van elektrische transformatoren met aluminiumvoering ongetwijfeld algeheel leidend ten opzichte van die met kopervoering.

Fundamenteel gezien ligt de beperkte toepassing van elektrische transformatoren met aluminiumvoering niet in hoge spanning, maar in grote capaciteit. In essentie ligt het in de natuurlijke onvoldoende vloeistofsterkte van aluminiumleiders, waardoor het inherent moeilijk is om de kortsluitbestendigheid van sommige transformatoren met grote capaciteit of lage impedantie te voldoen. Het verschijnen van geleiders voor aluminiumlegiertransformatoren is precies een poging om dit probleem op te lossen.

Echter, het verhogen van de kortsluitimpedantie van elektrische transformatoren kan dit probleem snel oplossen. Na het verhogen van de kortsluitimpedantie van elektrische transformatoren, zal de kortsluitstroom worden verlaagd. Zelfs voor transformatoren met grote capaciteit (bijvoorbeeld boven 180MVA) kan de kortsluitbestendigheid van aluminiumvoeringen geen beperkend probleem meer zijn.