Alumínio vs Cobre em Bobinas de Transformadores de Potência: Comparação de Custo e Desempenho

Atualmente, o preço de mercado do cobre permanece alto, flutuando na faixa de 70.000 a 80.000 yuan por tonelada. Em contraste, o preço do alumínio permanece baixo, oscilando na faixa de 18.000 a 20.000 yuan por tonelada. Para transformadores de energia, substituir as bobinas de cobre por bobinas de alumínio no design certamente reduzirá significativamente o custo de material dos produtos, trazendo uma economia substancial para os clientes finais.

Por muito tempo, foi amplamente acreditado na indústria que as bobinas de alumínio só poderiam ser usadas em transformadores de energia com nível de tensão de 35kV ou inferior. Na verdade, isso é um grande mal-entendido. De fato, as bobinas de alumínio podem oferecer maiores vantagens quando aplicadas em transformadores de alta tensão. O fator central que realmente restringe a popularização e aplicação de bobinas de alumínio é que a resistência à tração dos condutores de alumínio atualmente só pode atingir cerca de 70MPa, o que pode levar a uma capacidade insuficiente de suportar curto-circuito das bobinas do transformador em alguns cenários.

1. Situação Atual e Padrões
1.1 Situação Atual dos Transformadores com Bobinas de Alumínio

No exterior, os transformadores com bobinas de alumínio são amplamente utilizados no campo de transformadores de distribuição e têm algumas aplicações em transformadores principais. Na China, embora as bobinas de alumínio tenham sido aplicadas em transformadores de distribuição, os transformadores principais com nível de tensão de 110kV a 1000kV ainda não foram legalmente aplicados.

1.2 Padrões Relevantes para Transformadores com Bobinas de Alumínio

Tanto o padrão internacional IEC quanto o padrão nacional GB permitem claramente que os transformadores de energia usem cobre ou alumínio como materiais condutores para as bobinas. Além disso, a Administração Nacional de Energia emitiu padrões da indústria para transformadores com bobinas de alumínio em janeiro de 2016, incluindo Parâmetros Técnicos e Requisitos para Transformadores de Distribuição de Imersão em Óleo com Bobinas de Alumínio de 6kV～35kV e Parâmetros Técnicos e Requisitos para Transformadores Secos de 6kV～35kV com Bobinas de Alumínio. Isso indica plenamente que, do ponto de vista dos padrões, a aplicação de transformadores com bobinas de alumínio é legal.

2. Comparação Quantitativa de Custos

Com base na experiência de design convencional, sob a premissa de garantir parâmetros consistentes de desempenho do transformador (como perda a vazio, perda de carga, impedância de curto-circuito, margem de capacidade de suportar curto-circuito, etc.), combinado com os preços atuais de matérias-primas (o preço de mercado do cobre nu é de cerca de 70.000 yuan por tonelada, e o preço de mercado do alumínio nu é de cerca de 20.000 yuan por tonelada), o custo principal de material dos transformadores que usam bobinas de alumínio pode ser economizado em mais de 20% em comparação com aqueles que usam bobinas de cobre.

A seguir está uma comparação específica com um transformador de potência SZ20-50000/110-NX2 como exemplo.

Pode-se ver nos resultados da comparação acima que, sob a premissa de garantir os mesmos parâmetros de desempenho, para um transformador de potência de classe II de alta eficiência de 50MVA/110kV com duas bobinas, o custo da bobina de alumínio é cerca de 23,5% menor que o da bobina de cobre, e o efeito de redução de custo é muito significativo.

Comparação Qualitativa de Desempenho

A comparação qualitativa dos principais desempenhos dos transformadores de potência com bobinas de alumínio e bobinas de cobre é dividida nos seguintes aspectos:

3.1 Perda a Vazio

O tamanho do núcleo de ferro do transformador com bobinas de alumínio é relativamente maior. Para garantir a mesma perda a vazio, pode-se alcançar reduzindo apropriadamente a densidade do fluxo magnético ou o diâmetro do núcleo de ferro ou selecionando chapas de silício com menor perda unitária.

3.2 Perda de Carga

Como a resistividade dos condutores de alumínio é aproximadamente 1,63 vezes a dos condutores de cobre, para garantir a mesma perda de carga, a densidade de corrente dos condutores de bobina de alumínio geralmente é reduzida.

3.3 Capacidade de Suportar Curto-Circuito

Sob condições de impedância de curto-circuito convencional e capacidade nominal abaixo de 100MVA, desde que o design seja razoável, o transformador com bobinas de alumínio também pode ter capacidade suficiente de suportar curto-circuito. No entanto, quando a capacidade nominal do transformador é superior a 100MVA ou a impedância é significativamente baixa, o transformador com bobinas de alumínio pode apresentar a característica de capacidade insuficiente de suportar curto-circuito.

3.4 Margem de Isolamento

Devido ao calibre geralmente maior do condutor de alumínio e ao raio de curvatura maior do condutor, a bobina de alumínio obterá um campo elétrico mais uniforme em comparação com a bobina de cobre. Com a mesma distância principal de isolamento da bobina e divisão de intervalo de óleo, haverá uma margem de isolamento principal maior. Em termos de isolamento longitudinal da bobina, o tamanho maior do condutor de alumínio significa uma maior capacitância inter-turno, o que também é mais favorável à distribuição do processo de onda. Este é o princípio básico que torna as bobinas de alumínio particularmente adequadas para transformadores de alta tensão.

3.5 Nível de Aquecimento

Devido ao calibre geralmente maior do condutor de alumínio, o transformador com bobinas de alumínio terá uma superfície de dissipação de calor maior em comparação com o transformador com bobinas de cobre. Sob a premissa da mesma fonte de calor, será obtido um aumento de temperatura cobre-óleo menor. Além disso, como o efeito de pele do condutor de alumínio é significativamente mais fraco que o da bobina de cobre e a perda por correntes parasitas é menor, a bobina de alumínio terá um aumento de temperatura de ponto quente menor.

3.6 Sobrecarga e Vida Útil

Devido ao efeito de pele mais fraco da própria bobina e ao menor aumento de temperatura de ponto quente, nas mesmas condições, o transformador com bobinas de alumínio terá uma vida útil mais longa e maior capacidade de sobrecarga.

4 Resumo

Sob a premissa de garantir os mesmos parâmetros de desempenho, de acordo com os preços atuais de mercado do cobre e do alumínio, os transformadores de potência com bobinas de alumínio geralmente reduzem o custo em mais de 20% em comparação com aqueles com bobinas de cobre. Falando objetivamente em termos tecnológicos, exceto pela capacidade de suportar curto-circuito, o desempenho abrangente dos transformadores de potência com bobinas de alumínio é indiscutivelmente superior ao dos transformadores com bobinas de cobre.

Fundamentalmente, a aplicação limitada dos transformadores de potência com bobinas de alumínio não reside na alta tensão, mas na grande capacidade. Essencialmente, reside na insuficiência natural da resistência à tração dos condutores de alumínio, tornando intrinsecamente difícil atender à capacidade de suportar curto-circuito de alguns transformadores de grande capacidade ou baixa impedância. A emergência de condutores para bobinas de transformadores de liga de alumínio é exatamente uma tentativa de resolver esse problema.

No entanto, aumentar a impedância de curto-circuito dos transformadores de potência pode resolver rapidamente esse problema. Após o aumento da impedância de curto-circuito dos transformadores de potência, a corrente de curto-circuito será reduzida. Mesmo para transformadores de grande capacidade (como acima de 180MVA), a capacidade de suportar curto-circuito das bobinas de alumínio pode não ser mais um problema restritivo.