Aluminium a miedź w cewkach transformatorów: porównanie kosztów i wydajności

Obecnie cena miedzi na rynku pozostaje wysoka, oscylując w zakresie od 70 000 do 80 000 yuan za tonę. W porównaniu z tym, cena aluminium pozostaje niska, utrzymując się w zakresie od 18 000 do 20 000 yuan za tonę. W przypadku transformatorów energetycznych, zastąpienie wirowanek miedzianych wirowankami aluminiowymi w projekcie niechybnie znacząco obniży koszt materiałów produktu, przynosząc końcowym klientom istotne oszczędności.

Od dawna w branży powszechnie uważa się, że wirowanki aluminiowe mogą być używane tylko w transformatorach energetycznych o poziomie napięcia 35kV i poniżej. W rzeczywistości jest to wielkie nieporozumienie. Faktycznie, wirowanki aluminiowe mogą wykazać większe zalety, gdy są stosowane w transformatorach o wysokim napięciu. Prawdziwym czynnikiem ograniczającym popularność i zastosowanie wirowanek aluminiowych jest to, że wytrzymałość na rozciąganie przewodników aluminiowych obecnie wynosi około 70MPa, co może prowadzić do niewystarczającej wytrzymałości na krótkie zacięcie wirowanek transformatora w niektórych scenariuszach.

1. Obecna sytuacja i standardy
1.1 Obecna sytuacja transformatorów z wirowankami aluminiowymi

Na świecie, transformatory z wirowankami aluminiowymi są szeroko stosowane w dziedzinie transformatorów dystrybucyjnych i mają niewielkie zastosowania w głównych transformatorach. W Chinach, choć wirowanki aluminiowe są stosowane w transformatorach dystrybucyjnych, główne transformatory o poziomie napięcia 110kV do 1000kV nie zostały jeszcze legalnie zastosowane.

1.2 Relevante standardy dla transformatorów z wirowankami aluminiowymi

Międzynarodowy standard IEC oraz krajowy standard GB jasno pozwalają na użycie miedzi lub aluminium jako materiałów przewodnikowych dla wirowanek w transformatorach energetycznych. Ponadto, w styczniu 2016 roku Administracja Energetyczna Narodowa wydała branżowe standardy dla transformatorów z wirowankami aluminiowymi, w tym Parametry techniczne i wymagania dla olejowych transformatorów dystrybucyjnych z wirowankami aluminiowymi 6kV～35kV oraz Parametry techniczne i wymagania dla suchych transformatorów z wirowankami aluminiowymi 6kV～35kV. To w pełni pokazuje, że z perspektywy standardów, zastosowanie transformatorów z wirowankami aluminiowymi jest legalne.

2. Porównanie kosztów ilościowe

W oparciu o konwencjonalne doświadczenia projektowe, przy zachowaniu spójnych parametrów wydajności transformatora (takich jak straty bezobciążone, straty obciążone, impedancja krótkiego zacięcia, margines wytrzymałości na krótkie zacięcie itp.), połączone z obecnymi cenami surowców (rynkowa cena gołej miedzi wynosi około 70 000 yuan za tonę, a rynkowa cena gołego aluminium wynosi około 20 000 yuan za tonę), główny koszt materiałów transformatorów z wirowankami aluminiowymi może być niższy o ponad 20% w porównaniu z transformatorami z wirowankami miedzianymi.

Poniżej znajduje się konkretne porównanie na przykładzie transformatora energii SZ20-50000/110-NX2.

Z powyższych wyników porównania można zobaczyć, że przy zachowaniu tych samych parametrów wydajności, dla dwuwitkowego transformatora klasy II efektywności energetycznej 50MVA/110kV, koszt wirowanek aluminiowych jest około 23,5% niższy niż koszt wirowanek miedzianych, a efekt obniżenia kosztów jest bardzo znaczący.

Porównanie jakościowe wydajności

Jakościowe porównanie głównych wydajności transformatorów z wirowankami aluminiowymi i miedzianymi dzieli się na następujące aspekty:

3.1 Straty bezobciążone

Rozmiar rdzenia transformatora z wirowankami aluminiowymi jest względnie duży. Aby zapewnić takie same straty bezobciążone, można to osiągnąć poprzez odpowiednie zmniejszenie gęstości magnetycznej lub średnicy rdzenia lub wybranie taśmy żelaza o niższych stratach jednostkowych.

3.2 Straty obciążone

Ponieważ rezystywność przewodników aluminiowych wynosi około 1,63 razy więcej niż przewodników miedzianych, aby zapewnić takie same straty obciążone, gęstość prądu przewodników wirowanek aluminiowych jest ogólnie mniejsza.

3.3 Wytrzymałość na krótkie zacięcie

W warunkach konwencjonalnej impedancji krótkiego zacięcia i mocy znamionowej poniżej 100MVA, o ile projekt jest rozsądny, transformator z wirowankami aluminiowymi może również mieć wystarczającą wytrzymałość na krótkie zacięcie. Jednak, gdy moc znamionowa transformatora jest powyżej 100MVA lub impedancja jest znacznie niska, transformator z wirowankami aluminiowymi może pokazać cechę niewystarczającej wytrzymałości na krótkie zacięcie.

3.4 Margines izolacji

Ze względu na ogólnie większy rozmiar przewodników aluminiowych i większy promień krzywizny przewodnika, wirowanka aluminiowa uzyska bardziej równomierny pola elektrycznego w porównaniu z wirowanką miedzianą. Przy takiej samej głównej odległości izolacyjnej wirowanek i podziału na szczeliny olejowe, będzie większy margines głównej izolacji. W kwestii pionowej izolacji wirowanek, duży rozmiar przewodników aluminiowych oznacza większą pojemność między okrężnicami, co jest również bardziej sprzyjające rozłożeniu procesu falowego. To jest podstawowy zasada, która sprawia, że wirowanki aluminiowe są szczególnie odpowiednie dla transformatorów o wysokim napięciu.

3.5 Poziom wzrostu temperatury

Ze względu na ogólnie większy rozmiar przewodników aluminiowych, transformator z wirowankami aluminiowymi będzie miał większą powierzchnię oddzielania ciepła w porównaniu z transformatorem z wirowankami miedzianymi. Przy takim samym źródle ciepła, otrzymano niższy wzrost temperatury miedź-olej. Ponadto, ponieważ efekt skórny przewodnika aluminiowego jest znacznie słabszy niż w przypadku wirowanek miedzianych i straty wirnikowe są mniejsze, wirowanka aluminiowa będzie miała niższy wzrost temperatury gorącego punktu.

3.6 Nadmierna obciążalność i żywotność

Ze względu na słabszy efekt skórny samej wirowanki i niższy wzrost temperatury gorącego punktu, w tych samych warunkach, transformator z wirowankami aluminiowymi będzie miał dłuższą żywotność i silniejszą zdolność do nadmiernego obciążenia.

4 Podsumowanie

Przy zachowaniu tych samych parametrów wydajności, według obecnych cen rynkowych miedzi i aluminium, transformatory energetyczne z wirowankami aluminiowymi ogólnie obniżają koszt o ponad 20% w porównaniu z transformatorami z wirowankami miedzianymi. Obiektywnie mówiąc, technologicznie, poza wytrzymałością na krótkie zacięcie, kompleksowa wydajność transformatorów z wirowankami aluminiowymi jest bezsprzecznie lepsza niż transformatorów z wirowankami miedzianymi.

Fundamentalnie mówiąc, ograniczone zastosowanie transformatorów z wirowankami aluminiowymi nie leży w wysokim napięciu, ale w dużej pojemności. Zasadniczo, leży to w naturalnej niewystarczalności wytrzymałości na rozciąganie przewodników aluminiowych, co sprawia, że trudno spełnić wymagania dotyczące wytrzymałości na krótkie zacięcie niektórych transformatorów o dużej pojemności lub niskiej impedancji. Powstanie przewodników do wirowanek transformatorów z aluminium stopionym jest właśnie próbą rozwiązania tego problemu.

Jednak, zwiększenie impedancji krótkiego zacięcia transformatorów energetycznych może szybko rozwiązać ten problem. Po zwiększeniu impedancji krótkiego zacięcia transformatorów, prąd krótkiego zacięcia zostanie zmniejszony. Nawet dla transformatorów o dużej pojemności (np. powyżej 180MVA), wytrzymałość na krótkie zacięcie wirowanek aluminiowych może już nie być ograniczającym problemem.