Aluminij vs bakreni vikovi v električnih transformatorjih: primerjava stroškov in zmogljivosti

Trenutno je tržna cena bakra visoka in se giblje v obsegu od 70.000 do 80.000 jenov na tono. Na drugi strani pa je cena aluminija nizka in se giblje v obsegu od 18.000 do 20.000 jenov na tono. Za električne transformatorje bo zamenjava bakrenih ovitkov z aluminijevimi v dizajnu nevzdržno znižala materialne stroške izdelkov, kar bo prineslo bistvene stroškovne uštevčenosti končnim strankam.

Dolgo časa se je v industriji široko verjelo, da se aluminijevi ovitki lahko uporabljajo samo v električnih transformatorjih s napetostnimi ravnmi do 35 kV. V resnici je to velik nesporazum. V resnici lahko aluminijevi ovitki prikazujejo večje prednosti, kadar so uporabljeni v visokonapetostnih električnih transformatorjih. Ključni dejavnik, ki resnično omejuje širšo uporabo aluminijevih ovitkov, je, da dosežejo le okoli 70 MPa, kar v nekaterih scenarijih lahko vodi do nedostatka zmogljivosti za prenašanje kratkih krmel.

1. Trenutno stanje in standardi
1.1 Trenutno stanje aluminijevih transformatorjev

V tujini so aluminijevi transformatorji široko uporabljeni v področju distribucijskih transformatorjev in imajo malo uporabe v glavnih transformatorjih. V Kitajski, čeprav so aluminijevi ovitki bili uporabljeni v distribucijskih transformatorjih, glavni transformatorji s napetostnimi ravnmi od 110 kV do 1000 kV še niso bili zakonsko uporabljeni.

1.2 Povezani standardi za aluminijeve transformatorje

Oba mednarodna standard IEC in nacionalni standard GB jasno dovoljujeta uporabo bakra ali aluminija kot materiala za vodilne ovitke v električnih transformatorjih. Poleg tega je Nacionalna uprava za energijo januarja 2016 izdala industrijske standarde za aluminijeve transformatorje, vključno z Tehničnimi parametri in zahtevami za 6 kV-35 kV mazane aluminijeve distribucijske transformatorje in Tehničnimi parametri in zahtevami za 6 kV-35 kV suhe aluminijeve transformatorje. To popolnoma kaže, da je uporaba aluminijevih transformatorjev z vidika standardov zakonita.

2. Količinsko primerjava stroškov

Glede na konvencionalno izkušnjo s projektiranjem, pod pogoji zagotavljanja enakih parametrov delovanja transformatorja (kot so prazni izgubi, izgube pod naložo, kratkokrmelna impedanca, marža za prenašanje kratkih krmel itd.), kombinirano s trenutnimi cenami surovine (tržna cena golega bakra je okoli 70.000 jenov na tono, tržna cena golega aluminija pa je okoli 20.000 jenov na tono), se lahko osnovni materialni stroški transformatorjev z aluminijevimi ovitki zmanjšajo za več kot 20 % v primerjavi s temi z bakrenimi ovitki.

Naslednja je specifična primerjava s SZ20-50000/110-NX2 električnim transformatorjem kot primerom.

Iz zgornjih rezultatov primerjave je razvidno, da, pod pogoji zagotavljanja enakih parametrov delovanja, za 50 MVA/110 kV dvojni ovitek II. razreda energijsko učinkovitega električnega transformatorja, je strošek aluminijevih ovitkov približno 23,5 % nižji od stroška bakrenih ovitkov, kar kaže na zelo značilen učinek znižanja stroškov.

Kvalitativna primerjava delovanja

Kvalitativna primerjava glavnih lastnosti električnih transformatorjev z aluminijevimi in bakrenimi ovitki je razdeljena na naslednje vidike:

3.1 Prazni izgubi

Velikost železnega jedra aluminijevih transformatorjev je relativno večja. Da bi se zagotovili enaki prazni izgubi, je mogoče doseči z ustrezno zmanjšanjem gostote magnetnega toka ali premera železnega jedra ali z izbiro silikatnih listov z nižjimi enotskimi izgubami.

3.2 Izgube pod naložo

Ker je specifična upornost aluminijevih vodil približno 1,63-krat večja od specifične upornosti bakrenih vodil, da bi se zagotovile enake izgube pod naložo, se običajno zmanjša gostota toka aluminijevih ovitkov.

3.3 Zmogljivost za prenašanje kratkih krmel

Pod pogoji običajne kratkokrmelne impedanci in nominalne moči pod 100 MVA, če je projektiranje razumno, lahko aluminijevi transformatorji tudi imajo zadostno zmogljivost za prenašanje kratkih krmel. Vendar, ko je nominalna moč transformatorja nad 100 MVA ali je impedanca zelo nizka, aluminijevi transformatorji lahko prikazujejo karakteristiko nedostatka zmogljivosti za prenašanje kratkih krmel.

3.4 Marža za izolacijo

Zaradi običajno večjega premera aluminijevih vodil in večjega polmera ukrivljenosti vodila, bo aluminijevi ovitek dobil bolj enakomerno električno polje v primerjavi z bakrenim ovitkom. Pod isto glavno izolacijsko razdaljo ovitka in delitvi oljnega presledka, bo obstajala večja glavna izolacijska marža. Glede na longitudinalno izolacijo ovitka, velikost aluminijevih vodil pomeni večjo kapacitivnost med vrsticami, kar je tudi bolj koristno za porazdelitev valovnega procesa. To je osnovni princip, ki aluminijeve ovitke posebno primerne za visokonapetostne transformatorje.

3.5 Raven segrevanja

Zaradi običajno večjega premera aluminijevih vodil, bo aluminijevi transformator imel večjo površino za oddaljevanje toplote v primerjavi z bakrenim transformatorjem. Pod pogoji istega toplotnega vira, bo dosežena nižja toplotna raven bakra-vrta. Poleg tega, ker je efekt kože aluminijevih vodil bistveno manjši kot pri bakrenih ovitkih in indukcijske izgube so manjše, bo aluminijevi ovitek imel nižjo temperaturno raven točk.

3.6 Preobremenitev in življenjska doba

Zaradi slabšega efekta kože samega ovitka in nižje temperature točk, bo aluminijevi transformator pod istimi pogoji imel daljšo življenjsko dobo in močnejšo zmogljivost za preobremenitev.

4 Povzetek

Pod pogoji zagotavljanja enakih parametrov delovanja, glede na trenutne tržne cene bakra in aluminija, se običajno znižajo stroški električnih transformatorjev z aluminijevimi ovitki za več kot 20 % v primerjavi s temi z bakrenimi ovitki. Objektivno gledano z vidika tehnologije, razen zmogljivosti za prenašanje kratkih krmel, je celostna zmogljivost električnih transformatorjev z aluminijevimi ovitki brez dvoma vodilna v primerjavi z bakrenimi ovitki.

Fundamentalno gledano, omejena uporaba električnih transformatorjev z aluminijevimi ovitki ne leži v visoki napetosti, ampak v veliki moči. V bistvu, gre za naravno nepopolnost mehanske trdosti aluminijevih vodil, zaradi česar je težko izpolniti zmogljivost za prenašanje kratkih krmel nekaterih velikomernih ali nizkoimpedančnih električnih transformatorjev. Pojav aluminijevih legiranih vodil za transformatorje je ravno poskus rešitve tega problema.

Vendar pa se problem hitro reši z povečanjem kratkokrmelne impedanci električnih transformatorjev. Po povečanju kratkokrmelne impedanci električnih transformatorjev se bo zmanjšal tok kratkih krmel. Čeprav za velikomerno (na primer nad 180 MVA) električne transformatorje, zmogljivost za prenašanje kratkih krmel aluminijevih ovitkov morda ne bo več omejujoča težava.