Aluminijum kontra bakar u transformatorima: Upoređivanje troškova i performansi

Trenutno, tržišna cena bakra ostaje visoka, fluktuirajući u opsegu od 70.000 do 80.000 juana po toni. U suprotnosti, cena aluminijuma ostaje niska, oscilirajući u opsegu od 18.000 do 20.000 juana po toni. Za transformere snage, zamena bakrenih vijaka aluminijumskim vijacima u dizajnu neizbežno značajno smanjiće materijalne troškove proizvoda, donoseći značajne uštede na troškovima krajnjim korisnicima.

Dugo vremena u industriji je široko verovano da se aluminijumske vijci mogu koristiti samo u transformatorima snage sa nivoom napona do 35kV. U stvari, ovo je veliko nesporazume. Zapravo, aluminijumske vijci mogu imati veće prednosti kada se primene u visokonaponskim transformatorima snage. Ključni faktor koji zaista ograničava širenje i primenu aluminijumskih vijaka jeste to što trenutno prinosna čvrstoća aluminijumskih vodnika može dostići samo oko 70MPa, što može dovesti do nedostatka izdržljivosti na kratkom kolu vijaka transformatora u nekim scenarijima.

1. Trenutno stanje i standardi
1.1 Trenutno stanje transformatora sa aluminijumskim vijcima

U inozemstvu, transformatori sa aluminijumskim vijcima su široko korišćeni u polju distribucijskih transformatora i imaju malobrojne primene u glavnim transformatorima. U Kini, iako su aluminijumske vijci primenjene u distribucijskim transformatorima, glavni transformatori sa nivoom napona od 110kV do 1000kV još uvek nisu legalno primenjeni.

1.2 Relevantni standardi za transformatore sa aluminijumskim vijcima

Međunarodni standard IEC i nacionalni standard GB jasno dozvoljavaju da se u transformatorima snage koriste bakar ili aluminijum kao materijal vodnika za vijake. Takođe, Nacionalna uprava za energetiku objavila je industrijske standarde za transformatore sa aluminijumskim vijcima u januaru 2016, uključujući Tehničke parametre i zahteve za 6kV～35kV masnoumrvane transformatore sa aluminijumskim vijcima za distribuciju i Tehničke parametre i zahteve za 6kV～35kV suhom umrlane transformatore sa aluminijumskim vijcima. Ovo potpuno pokazuje da, sa aspekta standarda, primena transformatora sa aluminijumskim vijcima je legalna.

2. Kvantitativno poređenje troškova

Prema konvencionalnom iskustvu u dizajnu, uz pretpostavku da su performanse transformatora (poput gubitaka bez opterećenja, gubitaka pod opterećenjem, impedancije na kratkom kolu, marža izdržljivosti na kratkom kolu itd.) iste, kombinovano sa trenutnim cenama sirovina (tržišna cena golego bakra je oko 70.000 juana po toni, a tržišna cena golego aluminijuma je oko 20.000 juana po toni), glavni materijalni troškovi transformatora sa aluminijumskim vijcima mogu biti smanjeni za više od 20% u odnosu na one sa bakrenim vijcima.

Ispod sledi specifično poređenje na primeru transformatora snage SZ20-50000/110-NX2.

Iz gore navedenih rezultata poređenja može se videti da, uz osiguranje istih parametara performansi, za 50MVA/110kV dvostrani transformator II klase efikasnosti, trošak aluminijumskog vijka je oko 23,5% niži od troška bakrenog vijka, a efekat smanjenja troškova je veoma značajan.

Kvalitativno poređenje performansi

Kvalitativno poređenje glavnih performansi transformatora sa aluminijumskim vijcima i bakrenim vijcima deli se na sledeće aspekte:

3.1 Gubitci bez opterećenja

Veličina železnog jezgra transformatora sa aluminijumskim vijcima je relativno veća. Da bi se osigurali isti gubitci bez opterećenja, to se može postići odgovarajućim smanjenjem gustoće magnetnog toka ili prečnika železnog jezgra ili odabirom silikonskih čelika sa nižim gubitcima po jedinici.

3.2 Gubitci pod opterećenjem

Pošto je specificna otpornost aluminijumskih vodnika približno 1,63 puta veća od specificne otpornosti bakrenih vodnika, da bi se osigurali isti gubitci pod opterećenjem, obično se smanjuje gustoća struje aluminijumskih vijaka.

3.3 Izdržljivost na kratkom kolu

Pod uslovima konvencionalne impedancije na kratkom kolu i nominalne snage ispod 100MVA, ukoliko je dizajn razuman, transformator sa aluminijumskim vijcima takođe može imati dovoljnu izdržljivost na kratkom kolu. Međutim, kada je nominalna snaga transformatora iznad 100MVA ili kada je impedanca značajno niska, transformator sa aluminijumskim vijcima može pokazati karakteristiku nedostatka izdržljivosti na kratkom kolu.

3.4 Marža izolacije

Zbog opšte veće veličine preseka aluminijumskog vodnika i većeg radijusa zakrivljenosti vodnika, aluminijumska vijka će dobiti ravnomernije električno polje u poređenju sa bakrenom vijkom. Pod istom glavnom udaljenošću izolacije vijaka i podjelom ulja, postoji veća glavna marža izolacije. U pogledu longitudinalne izolacije vijaka, velika veličina aluminijumskog vodnika znači veću kapacitetnost između zavojaka, što je takođe korisnije za raspodelu talasa. To je osnovni princip zbog koga su aluminijumske vijci posebno prikladne za visokonaponske transformatore.

3.5 Nivo porasta temperature

Zbog opšte veće veličine preseka aluminijumskog vodnika, transformator sa aluminijumskim vijcima će imati veću površinu raspršivanja toplote u poređenju sa transformatorom sa bakrenim vijcima. Uz isti izvor toplote, dobit će se niži porast temperature bakar-ulje. Takođe, budući da je efekat kože aluminijumskog vodnika značajno slabiji od efekta kože bakrenog vijka i gubitci struja manji, aluminijumska vijka će imati niži porast temperature točke topnje.

3.6 Preopterećenje i vreme trajanja

Zbog slabijeg efekta kože same vijke i nižeg porasta temperature točke topnje, pod istim uslovima, transformator sa aluminijumskim vijcima će imati duže vreme trajanja i jaču sposobnost preopterećenja.

4 Zaključak

Uz pretpostavku da su parametri performansi isti, prema trenutnim tržišnim cenama bakra i aluminijuma, transformatori snage sa aluminijumskim vijcima obično smanjuju troškove za više od 20% u odnosu na one sa bakrenim vijcima. Objektivno rečeno sa tehničkog stajališta, osim izdržljivosti na kratkom kolu, kompletne performanse transformatora snage sa aluminijumskim vijcima su neupitno prevazilaze one sa bakrenim vijcima.

Fundamentalno, ograničena primena transformatora snage sa aluminijumskim vijcima ne leži u visokom naponu, već u velikoj snazi. Suštinski, leži u prirodnoj nedostatnosti prinosne čvrstoće aluminijumskih vodnika, što teško može zadovoljiti izdržljivost na kratkom kolu nekih transformatora velike snage ili niske impedancije. Pojava vodnika za vijake transformatora od legure aluminijuma upravo je pokušaj rešavanja ovog problema.

Međutim, povećanje impedancije na kratkom kolu transformatora snage može brzo rešiti ovaj problem. Nakon povećanja impedancije na kratkom kolu transformatora snage, struja na kratkom kolu će biti smanjena. Čak i za transformatore velike snage (na primer, iznad 180MVA), izdržljivost na kratkom kolu aluminijumskih vijaka više ne mora biti ograničavajući problem.