Алюминиевые и медные обмотки в силовых трансформаторах: сравнение стоимости и производительности

В настоящее время рыночная цена меди остается высокой, колеблясь в диапазоне от 70 000 до 80 000 юаней за тонну. В противоположность этому, цена на алюминий остается низкой, находясь в диапазоне от 18 000 до 20 000 юаней за тонну. Для силовых трансформаторов замена медных обмоток на алюминиевые при проектировании несомненно значительно снизит стоимость материалов, обеспечивая существенную экономию для конечных клиентов.

Долгое время в отрасли широко считалось, что алюминиевые обмотки могут использоваться только в силовых трансформаторах с уровнем напряжения 35 кВ и ниже. На самом деле это серьезное заблуждение. Фактически, алюминиевые обмотки могут демонстрировать значительные преимущества при применении в высоковольтных силовых трансформаторах. Основным фактором, действительно ограничивающим распространение и применение алюминиевых обмоток, является то, что предел текучести алюминиевых проводников в настоящее время достигает примерно 70 МПа, что может привести к недостаточной устойчивости обмоток трансформатора к короткому замыканию в некоторых сценариях.

1. Текущая ситуация и стандарты
1.1 Текущая ситуация с трансформаторами с алюминиевыми обмотками

Заграницей трансформаторы с алюминиевыми обмотками широко используются в области распределительных трансформаторов и имеют небольшое количество применений в главных трансформаторах. В Китае, хотя алюминиевые обмотки уже применяются в распределительных трансформаторах, главные трансформаторы с уровнем напряжения от 110 кВ до 1000 кВ пока еще не были легально применены.

1.2 Связанные стандарты для трансформаторов с алюминиевыми обмотками

Международный стандарт IEC и национальный стандарт GB четко разрешают использование меди или алюминия в качестве материала проводников для обмоток силовых трансформаторов. Кроме того, Национальное энергетическое управление выпустило отраслевые стандарты для трансформаторов с алюминиевыми обмотками в январе 2016 года, включая Технические параметры и требования для масляных распределительных трансформаторов с алюминиевыми обмотками 6 кВ-35 кВ и Технические параметры и требования для сухих трансформаторов с алюминиевыми обмотками 6 кВ-35 кВ. Это полностью указывает на то, что с точки зрения стандартов применение трансформаторов с алюминиевыми обмотками является законным.

2. Количественное сравнение затрат

Согласно обычному опыту проектирования, при условии обеспечения одинаковых параметров производительности трансформатора (например, потери холостого хода, потери нагрузки, импеданс короткого замыкания, запас устойчивости к короткому замыканию и т. д.), а также текущих цен на сырье (рыночная цена голой меди составляет около 70 000 юаней за тонну, а рыночная цена голого алюминия — около 20 000 юаней за тонну), основная стоимость материалов трансформаторов с алюминиевыми обмотками может быть снижена более чем на 20% по сравнению с трансформаторами с медными обмотками.

Ниже приведено конкретное сравнение на примере силового трансформатора SZ20-50000/110-NX2.

Из вышеуказанных результатов сравнения видно, что при условии обеспечения одинаковых параметров производительности, для двухобмоточного энергоэффективного силового трансформатора класса II мощностью 50 МВА/110 кВ, стоимость алюминиевой обмотки примерно на 23,5% ниже, чем стоимость медной обмотки, и эффект снижения стоимости очень значителен.

Качественное сравнение производительности

Качественное сравнение основных характеристик силовых трансформаторов с алюминиевыми и медными обмотками можно разделить на следующие аспекты:

3.1 Потери холостого хода

Размер сердечника трансформатора с алюминиевыми обмотками относительно больше. Чтобы обеспечить те же потери холостого хода, можно достичь этого, уменьшив магнитную индукцию или диаметр сердечника, либо выбрав листы из электротехнической стали с меньшими потерями на единицу.

3.2 Потери нагрузки

Поскольку удельное сопротивление алюминиевых проводников примерно в 1,63 раза выше, чем у медных проводников, чтобы обеспечить те же потери нагрузки, обычно уменьшают плотность тока в алюминиевых обмотках.

3.3 Устойчивость к короткому замыканию

При условиях обычного импеданса короткого замыкания и номинальной мощности ниже 100 МВА, при разумном проектировании, трансформатор с алюминиевыми обмотками также может иметь достаточную устойчивость к короткому замыканию. Однако, когда номинальная мощность трансформатора превышает 100 МВА или импеданс значительно ниже, трансформатор с алюминиевыми обмотками может показывать недостаточную устойчивость к короткому замыканию.

3.4 Запас изоляции

Из-за большего размера сечения алюминиевых проводников и большего радиуса изгиба проводников, алюминиевые обмотки обеспечивают более равномерное электрическое поле по сравнению с медными обмотками. При одинаковом основном расстоянии изоляции обмоток и разделении масляного зазора будет большим основной запас изоляции. Что касается продольной изоляции обмоток, больший размер алюминиевых проводников означает большую емкость между витками, что также способствует лучшему распределению волнового процесса. Это основной принцип, который делает алюминиевые обмотки особенно подходящими для высоковольтных трансформаторов.

3.5 Уровень нагрева

Из-за большего размера сечения алюминиевых проводников, трансформатор с алюминиевыми обмотками будет иметь большую поверхность теплоотдачи по сравнению с трансформатором с медными обмотками. При одинаковом источнике тепла будет получен меньший температурный подъем меди-масла. Кроме того, поскольку кожный эффект алюминиевых проводников значительно слабее, чем у медных обмоток, и потери от вихревых токов меньше, алюминиевые обмотки будут иметь меньший температурный подъем горячих точек.

3.6 Перегрузка и срок службы

Из-за слабого кожного эффекта самой обмотки и меньшего температурного подъема горячих точек, при одинаковых условиях, трансформатор с алюминиевыми обмотками будет иметь более длительный срок службы и большую перегрузочную способность.

4 Заключение

При условии обеспечения одинаковых параметров производительности, согласно текущим рыночным ценам на медь и алюминий, силовые трансформаторы с алюминиевыми обмотками обычно снижают стоимость более чем на 20% по сравнению с трансформаторами с медными обмотками. Объективно говоря, с технической точки зрения, за исключением устойчивости к короткому замыканию, комплексная производительность силовых трансформаторов с алюминиевыми обмотками бесспорно превосходит производительность трансформаторов с медными обмотками.

Фундаментально, ограниченное применение силовых трансформаторов с алюминиевыми обмотками не связано с высоким напряжением, а с большой мощностью. В сущности, это связано с естественной недостаточностью предела текучести алюминиевых проводников, что делает их трудно применимыми для некоторых трансформаторов с большой мощностью или низким импедансом. Появление проводников из алюминиевых сплавов для обмоток трансформаторов как раз направлено на решение этой проблемы.

Однако увеличение импеданса короткого замыкания силовых трансформаторов может быстро решить эту проблему. После увеличения импеданса короткого замыкания силовых трансформаторов, ток короткого замыкания уменьшится. Даже для трансформаторов с большой мощностью (например, свыше 180 МВА) устойчивость к короткому замыканию алюминиевых обмоток может уже не являться ограничивающей проблемой.