Aluminium jämfört med kopparvindningar i strömförstärkare: Jämförelse av kostnad och prestanda

Just nu håller kopparpriset fortfarande på ett högt nivå, med svängningar i intervallet 70 000 till 80 000 yuan per ton. I kontrast står aluminiumpriset lågt, med en nivå på cirka 18 000 till 20 000 yuan per ton. För krafttransformatorer kommer att byta ut kopparvindningar mot aluminiumvindningar i designen utan tvivel att minska materialkostnaderna för produkterna betydligt, vilket ger slutkunderna stora kostnadsbesparingar.

Länge har det inom industrin varit ett allmänt föreställning att aluminiumvindningar endast kan användas i krafttransformatorer med en spänningsnivå på 35kV och under. I själva verket är detta ett stort missförstånd. Faktiskt kan aluminiumvindningar visa större fördelar när de används i högspänningskrafttransformatorer. Den faktiska begränsningsfaktorn som verkligen begränsar spridningen och användningen av aluminiumvindningar är att draghållfastheten för aluminiumledare endast når omkring 70MPa just nu, vilket kan leda till otillräcklig kortslutningsuthållighet hos transformatorvindningar i vissa scenarier.

1. Nuvarande situation och standarder
1.1 Nuvarande situation för aluminiumvindnings-transformatorer

Utomlands används aluminiumvindnings-transformatorer ofta inom distributionstransformatorer och har en liten mängd tillämpningar inom huvudtransformatorer. I Kina, även om aluminiumvindningar har använts i distributionstransformatorer, har huvudtransformatorer med en spänningsnivå på 110kV till 1000kV ännu inte lagligt tillämpats.

1.2 Relevanta standarder för aluminiumvindnings-transformatorer

Både den internationella standarden IEC och den nationella standarden GB tillåter tydligt att krafttransformatorer använder koppar eller aluminium som ledarmaterial för vindningar. Dessutom utfärdade Nationella energiadministrationen branschstandarder för aluminiumvindnings-transformatorer i januari 2016, inklusive Tekniska parametrar och krav för 6kV～35kV oljebaserade aluminiumvindnings-distributionstransformatorer och Tekniska parametrar och krav för 6kV～35kV torrtyper av aluminiumvindnings-transformatorer. Detta visar fullständigt på att, ur ett standardperspektiv, är användningen av aluminiumvindnings-transformatorer laglig.

2. Kvantitativ kostnadsjämförelse

Enligt konventionell designerfarenhet, under förutsättning av att säkerställa enhetliga prestandaparametrar för transformatorer (som tomgångsförlust, belastningsförlust, kortslutningsimpedans, marginal för kortslutningsuthållighet, etc.), kombinerat med de nuvarande råmaterialpriserna (marknadspriset för bar koppar är runt 70 000 yuan per ton, och marknadspriset för bar aluminium är runt 20 000 yuan per ton), kan huvudmaterialkostnaden för transformatorer som använder aluminiumvindningar sparas mer än 20% jämfört med dem som använder kopparvindningar.

Följande är en specifik jämförelse med en SZ20-50000/110-NX2 krafttransformator som exempel.

Det går att se från ovanstående jämförelseresultat att, under förutsättning av att säkerställa samma prestandaparametrar, för en 50MVA/110kV dubbelvindnings klass II energieffektiv krafttransformator, är kostnaden för aluminiumvindningen ungefär 23,5% lägre än den för kopparvindningen, och kostnadsminskningseffekten är mycket signifikant.

Kvalitativ jämförelse av prestanda

Den kvalitativa jämförelsen av huvudprestandan för krafttransformatorer med aluminiumvindningar och kopparvindningar delas in i följande aspekter:

3.1 Tomgångsförlust

Storleken på järnkärnan för aluminiumvindnings-transformatorer är relativt stor. För att säkerställa samma tomgångsförlust kan detta uppnås genom att lämpligt minska magnetflödestätheten eller diametern av järnkärnan eller välja siliciumstålplattor med lägre enhetsförlust.

3.2 Belastningsförlust

Eftersom resistiviteten för aluminiumledare är omkring 1,63 gånger så stor som för kopparledare, för att säkerställa samma belastningsförlust, sänks vanligtvis strömstätheten för aluminiumvindnings-ledarna.

3.3 Kortslutningsuthållighet

Under villkoren för konventionell kortslutningsimpedans och en nominell effekt under 100MVA, så länge designen är rimlig, kan aluminiumvindnings-transformatorn också ha tillräcklig kortslutningskapacitet. Men när nominell effekt för transformatorn överstiger 100MVA eller impedansen är signifikant låg, kan aluminiumvindnings-transformatorn visa karaktären av otillräcklig kortslutningsuthållighet.

3.4 Isoleringsskyddsmarginal

På grund av den generellt större storleken på aluminiumledarnas kaliber och den större ledarradie, kommer aluminiumvindningen att få ett mer jämnt elektriskt fält jämfört med kopparvindningen. Under samma huvudisoleringsskyddsdistanse för vindning och oljeskillnad, kommer det att finnas en större huvudisoleringsskyddsmarginal. När det gäller vindningens longitudinella isolering, innebär den stora storleken på aluminiumledaren en större mellanvarvs-kapacitans, vilket också är mer gynnsamt för vågprocessens fördelning. Detta är den grundläggande principen som gör aluminiumvindningar särskilt lämpliga för högspännings-transformatorer.

3.5 Temperaturhöjningsnivå

På grund av den generellt större storleken på aluminiumledarnas kaliber, kommer aluminiumvindnings-transformatorn att ha en större värmeavledningsyta jämfört med kopparvindnings-transformatorn. Under förutsättning av samma värmekälla, kommer en lägre koppar-olje temperaturhöjning att erhållas. Dessutom, eftersom aluminiumledarens skinneffekt är signifikant svagare än för kopparvindning och virvelströmsförlusten är mindre, kommer aluminiumvindningen att ha en lägre hetpunktstemperaturhöjning.

3.6 Överbelastning och livslängd

På grund av den svagare skinneffekten hos vindningen själv och den lägre hetpunktstemperaturhöjningen, kommer aluminiumvindnings-transformatorn, under samma villkor, att ha en längre livslängd och starkare överbelastningsförmåga.

4 Sammanfattning

Under förutsättning av att säkerställa samma prestandaparametrar, enligt de nuvarande marknadspriserna för koppar och aluminium, minskar krafttransformatorer med aluminiumvindningar generellt kostnaden mer än 20% jämfört med dem med kopparvindningar. Objektivt sett ur teknisk synvinkel, utom kortslutningsuthålligheten, är den sammanlagda prestandan för krafttransformatorer med aluminiumvindningar utan tvekan överlägsen den för dem med kopparvindningar.

Grundligen sett ligger begränsningen av krafttransformatorer med aluminiumvindningar inte i hög spänning, utan i stor kapacitet. Egentligen ligger det i det naturliga bristfallet av aluminiumledarnas draghållfasthet, vilket gör det svårt att uppfylla kortslutningsuthålligheten för vissa storkapacitativa eller lågimpedans krafttransformatorer. Uppkomsten av ledare för aluminiumlegerings-transformatorvindningar är precis ett försök att lösa detta problem.

Men genom att öka kortslutningsimpedansen för krafttransformatorer kan detta problem snabbt lösas. Efter att ha ökat kortslutningsimpedansen för krafttransformatorer, kommer kortslutningsströmmen att minska. Även för storkapacitativa (som över 180MVA) krafttransformatorer, kan kortslutningsuthålligheten för aluminiumvindningar inte längre vara ett begränsande problem.