Aluminium vs kobber vindinger i strømtransformatorer: Sammenligning av kostnad og ytelse

For øyeblikket holder kobberprisen seg høy, og varierer mellom 70 000 og 80 000 yuan per tonn. I motsetning til dette holder aluminiumsprisen seg lav, og ligger i området 18 000 til 20 000 yuan per tonn. For krafttransformatorer vil utskifting av kobberbobiner med aluminiumsbobiner i designet uten tvil redusere produktets materielle kostnad betydelig, noe som vil gi store kostnadsbesparelser for sluttkundene.

Lenge har det vært et bredt ansett innen industrien at aluminiumsbobiner bare kan brukes i krafttransformatorer med en spenning på 35kV eller lavere. Dette er faktisk en stor misforståelse. Faktisk kan aluminiumsbobiner utnytte større fordeler når de brukes i høyspenningskrafttransformatorer. Den virkelige begrensende faktoren for utbredelsen og bruken av aluminiumsbobiner er at aluminiumsleders overdragstyrke for tiden kun kan nå omtrent 70MPa, noe som kan føre til utilstrekkelig kortslutningskapasitet for transformatorbobiner i noen situasjoner.

1. Gjeldende situasjon og standarder
1.1 Gjeldende situasjon for transformatorer med aluminiumsbobiner

Utenfor landet er transformatorer med aluminiumsbobiner vidt brukte i feltet for distribusjonstransformatorer, og har få anvendelser i hovedtransformatorer. I Kina, selv om aluminiumsbobiner allerede er brukt i distribusjonstransformatorer, har hovedtransformatorer med en spenning på 110kV til 1000kV ikke blitt lovlig brukt ennå.

1.2 Relevante standarder for transformatorer med aluminiumsbobiner

Både den internasjonale standarden IEC og den nasjonale standarden GB tillater klart at krafttransformatorer kan bruke kobber eller aluminium som ledermateriale for bobiner. I tillegg utga Statens energiverk industristandarder for transformatorer med aluminiumsbobiner i januar 2016, inkludert Tekniske parametre og krav for 6kV～35kV oljebeholdtransformatorer med aluminiumsbobiner og Tekniske parametre og krav for 6kV～35kV torrtransformatorer med aluminiumsbobiner. Dette viser fullstendig at, fra et standardperspektiv, er bruken av transformatorer med aluminiumsbobiner lovlig.

2. Kvantitativ kostnadsjuxtaposisjon

Ifølge konvensjonell design erfaring, under forutsetningen om å sikre konsistente transformatorprestandaparametre (som tomgangtap, belastningstap, kortslutningsimpedans, margin for kortslutningskapasitet osv.), kombinert med gjeldende råvarpriser (markedsprisen for bar kobber er omtrent 70 000 yuan per tonn, mens markedsprisen for bar aluminium er omtrent 20 000 yuan per tonn), kan hovedmaterielle kostnader for transformatorer som bruker aluminiumsbobiner bli spart mer enn 20% sammenlignet med de som bruker kobberbobiner.

Nedenfor følger en spesifikk sammenligning med en SZ20-50000/110-NX2 krafttransformator som eksempel.

Det kan ses fra ovennevnte sammenligningsresultater at, under forutsetningen av å sikre samme prestandaparametre, for en 50MVA/110kV dobbeltbobin II-klasse energieffektiv krafttransformator, er kostnaden for aluminiumsbobinen omtrent 23,5% lavere enn for kobberbobinen, og kostnadsreduksjonseffekten er veldig betydelig.

Kvalitativ sammenligning av ytelse

Den kvalitative sammenligningen av hovedytelsene for krafttransformatorer med aluminiumsbobiner og kobberbobiner er delt inn i følgende aspekter:

3.1 Tomgangstap

Størrelsen på jernkjernen til transformatorer med aluminiumsbobiner er relativt stor. For å sikre samme tomgangstap, kan dette oppnås ved å redusere magnetfelttettheten eller diameteren på jernkjernen, eller ved å velge silisijernplater med lavere enhetstap.

3.2 Belastningstap

Ettersom resistiviteten til aluminiumsledere er omtrent 1,63 ganger høyere enn for kobberledere, for å sikre samme belastningstap, blir strømtettheten til aluminiumsledere generelt redusert.

3.3 Kortslutningskapasitet

Under vanlige betingelser for kortslutningsimpedans og en nominell kapasitet under 100MVA, så lenge designet er rimelig, kan transformatorer med aluminiumsbobiner også ha tilstrekkelig kortslutningskapasitet. Imidlertid, når transformatorens nominelle kapasitet er over 100MVA, eller impedansen er betydelig lav, kan transformatorer med aluminiumsbobiner vise tegn på utilstrekkelig kortslutningskapasitet.

3.4 Isoleringssikkerhetsmargin

På grunn av generelt større størrelse på aluminiumslederne og større radius på ledernes kurve, vil aluminiumsbobinen oppnå en mer jevn elektrisk felt sammenlignet med kobberbobinen. Under samme hovedisolering av bobinen og oljeavstand, vil det være en større hovedisoleringssikkerhetsmargin. Når det gjelder den longitudinale isoleringen av bobinen, betyr den store størrelsen på aluminiumslederen en større mellomvendingseksemitet, som også er mer gunstig for bølgeprosessens fordeling. Dette er den grunnleggende prinsippet som gjør aluminiumsbobiner spesielt egnet for høyspennings-transformatorer.

3.5 Varmetilvækst-nivå

På grunn av generelt større størrelse på aluminiumslederne, vil transformatorer med aluminiumsbobiner ha en større varmekildeoverflate sammenlignet med de med kobberbobiner. Under forutsetningen av samme varmekilde, vil en lavere kobber-olje varmetilvækst oppnås. I tillegg, siden hud-effekten av aluminiumsleder er signifikant svakere enn for kobberbobin, og hvirvlingstapet er mindre, vil aluminiumsbobinen ha en lavere hetepunkt-varmetilvækst.

3.6 Overlast og levetid

På grunn av den svakere hud-effekten av selve bobinen og den lavere hetepunkt-varmetilvæksten, vil transformatorer med aluminiumsbobiner ha en lengre levetid og sterkere overlastevne under samme betingelser.

4 Oppsummering

Under forutsetningen av å sikre samme prestandaparametre, ifølge de gjeldende markedspresene for kobber og aluminium, reduserer krafttransformatorer med aluminiumsbobiner generelt kostnaden med mer enn 20% sammenlignet med de med kobberbobiner. Objektiv sett, teknologisk, er den totale ytingen av krafttransformatorer med aluminiumsbobiner uten tvil overlegen til de med kobberbobiner, unntatt kortslutningskapasiteten.

Fundamentalt sett, ligger den begrensede anvendelsen av krafttransformatorer med aluminiumsbobiner ikke i høy spenning, men i stor kapasitet. Essensielt ligger det i den naturlige utilstrekkeligheten i aluminiumslederens overdragstyrke, som gjør det vanskelig å møte kortslutningskapasiteten for noen store kapasiteter eller lav-impedans krafttransformatorer. Utviklingen av aluminiumsleger for transformatorbobiner er nettopp et forsøk på å løse dette problemet.

Imidlertid kan økningen av kortslutningsimpedansen for krafttransformatorer raskt løse dette problemet. Etter at kortslutningsimpedansen for krafttransformatorer er økt, vil kortslutningsstrømmen bli redusert. Selv for store kapasiteter (som over 180MVA) krafttransformatorer, kan kortslutningskapasiteten til aluminiumsbobiner ikke lenger være et begrensende problem.