อลูมิเนียมกับทองแดงในขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้า: การเปรียบเทียบต้นทุนและประสิทธิภาพ

ขณะนี้ราคาตลาดของทองแดงยังคงสูงอยู่ โดยมีการผันผวนในช่วง 70,000 ถึง 80,000 หยวนต่อตัน ในทางตรงกันข้าม ราคากะลามีความต่ำ และอยู่ในช่วง 18,000 ถึง 20,000 หยวนต่อตัน สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า การแทนที่วงจรทองแดงด้วยวงจรกะลาในการออกแบบจะช่วยลดต้นทุนวัสดุของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก ทำให้มีการประหยัดค่าใช้จ่ายอย่างมากสำหรับลูกค้าปลายทาง

มาเป็นเวลานานแล้วที่ในวงการเชื่อว่าวงจรกะลาสามารถใช้งานได้เฉพาะในหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีระดับแรงดันไม่เกิน 35kV ซึ่งเป็นความเข้าใจผิดใหญ่ แท้จริงแล้ววงจรกะลาสามารถแสดงประโยชน์ได้มากขึ้นเมื่อนำไปใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้าแรงดันสูง ปัจจัยหลักที่จำกัดการแพร่หลายและการใช้งานของวงจรกะลาคือ กำลังทนทานของสายนำกะลาในปัจจุบันสามารถทำได้ประมาณ 70MPa ซึ่งอาจทำให้วงจรหม้อแปลงขาดความสามารถในการทนทานต่อการลัดวงจรในบางสถานการณ์

1. สถานการณ์ปัจจุบันและมาตรฐาน
1.1 สถานการณ์ปัจจุบันของหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลา

ต่างประเทศหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาถูกใช้กันอย่างกว้างขวางในภาคการกระจายไฟฟ้าและมีการใช้งานเล็กน้อยในหม้อแปลงหลัก ในประเทศจีนแม้ว่าจะมีการใช้วงจรกะลาในหม้อแปลงการกระจายไฟฟ้าแล้ว แต่ยังไม่มีการใช้งานอย่างถูกกฎหมายในหม้อแปลงหลักที่มีระดับแรงดัน 110kV ถึง 1000kV

1.2 มาตรฐานที่เกี่ยวข้องสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลา

ทั้งมาตรฐานสากล IEC และมาตรฐานแห่งชาติ GB ระบุชัดเจนว่าหม้อแปลงไฟฟ้าสามารถใช้ทองแดงหรือกะลาเป็นวัสดุนำไฟฟ้าสำหรับวงจรได้ นอกจากนี้สำนักงานพลังงานแห่งชาติได้ประกาศมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาในเดือนมกราคม 2016 รวมถึง พารามิเตอร์ทางเทคนิคและการกำหนดค่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาแบบมีน้ำมันแช่ 6kV～35kV และ พารามิเตอร์ทางเทคนิคและการกำหนดค่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาแบบแห้ง 6kV～35kV ซึ่งแสดงให้เห็นว่าจากมุมมองของมาตรฐาน การใช้งานหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาเป็นเรื่องที่ถูกกฎหมาย

2. การเปรียบเทียบต้นทุนเชิงปริมาณ

ตามประสบการณ์การออกแบบทั่วไป เมื่อให้แน่ใจว่ามีพารามิเตอร์ประสิทธิภาพของหม้อแปลงที่เหมือนกัน (เช่น การสูญเสียพลังงานว่าง การสูญเสียพลังงานโหลด อิมพีแดนซ์ลัดวงจร ความเหลื่อมล้ำของการทนทานต่อการลัดวงจร เป็นต้น) ร่วมกับราคาวัสดุดิบในปัจจุบัน (ราคาตลาดของทองแดงเปลือยประมาณ 70,000 หยวนต่อตัน และราคาตลาดของกะลาเปลือยประมาณ 20,000 หยวนต่อตัน) ต้นทุนวัสดุหลักของหม้อแปลงที่ใช้วงจรกะลาสามารถประหยัดได้มากกว่า 20% เมื่อเทียบกับหม้อแปลงที่ใช้วงจรทองแดง

ต่อไปนี้เป็นการเปรียบเทียบเฉพาะเจาะจงโดยใช้หม้อแปลงไฟฟ้า SZ20-50000/110-NX2 เป็นตัวอย่าง

จากผลการเปรียบเทียบดังกล่าว จะเห็นได้ว่า เมื่อให้แน่ใจว่ามีพารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่เหมือนกัน สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีกำลัง 50MVA/110kV แบบสองวงจรประเภท II ที่มีประสิทธิภาพสูง ต้นทุนของวงจรกะลาจะต่ำกว่าวงจรทองแดงประมาณ 23.5% และผลของการลดต้นทุนนั้นชัดเจนมาก

การเปรียบเทียบคุณภาพของประสิทธิภาพ

การเปรียบเทียบคุณภาพของประสิทธิภาพหลักของหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาและวงจรทองแดงแบ่งออกเป็นด้านต่อไปนี้:

3.1 การสูญเสียพลังงานว่าง

ขนาดของแกนเหล็กของหม้อแปลงที่ใช้วงจรกะลาค่อนข้างใหญ่ เพื่อให้มั่นใจว่ามีการสูญเสียพลังงานว่างที่เท่ากัน สามารถทำได้โดยการลดความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กหรือเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนเหล็ก หรือเลือกแผ่นเหล็กซิลิคอนที่มีการสูญเสียต่อหน่วยต่ำลง

3.2 การสูญเสียพลังงานโหลด

เนื่องจากรีซิสติวิตี้ของสายนำกะลาประมาณ 1.63 เท่าของสายนำทองแดง เพื่อให้มั่นใจว่ามีการสูญเสียพลังงานโหลดที่เท่ากัน ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าของสายนำกะลาย่อมต้องลดลง

3.3 ความสามารถในการทนทานต่อการลัดวงจร

ภายใต้เงื่อนไขของอิมพีแดนซ์ลัดวงจรปกติและกำลังกำหนดต่ำกว่า 100MVA หากการออกแบบเหมาะสม หม้อแปลงที่ใช้วงจรกะลาสามารถมีความสามารถในการทนทานต่อการลัดวงจรเพียงพอ แต่หากกำลังกำหนดของหม้อแปลงสูงกว่า 100MVA หรืออิมพีแดนซ์ต่ำมาก หม้อแปลงที่ใช้วงจรกะลาอาจมีลักษณะของการทนทานต่อการลัดวงจรไม่เพียงพอ

3.4 ความเหลื่อมล้ำของฉนวน

เนื่องจากขนาดของสายนำกะลาทั่วไปใหญ่กว่าและมีรัศมีโค้งของสายนำใหญ่กว่า วงจรกะลาจะได้รับสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอมากกว่าวงจรทองแดง ภายใต้ระยะฉนวนหลักของวงจรและระยะการแบ่งช่องน้ำมันที่เท่ากัน จะมีความเหลื่อมล้ำของฉนวนหลักที่มากกว่า ในแง่ของฉนวนยาวของวงจร ขนาดใหญ่ของสายนำกะลาหมายความว่ามีความจุระหว่างวงจรที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งทำให้การกระจายกระบวนการคลื่นเป็นไปได้มากขึ้น นี่คือหลักการพื้นฐานที่ทำให้วงจรกะลาเหมาะอย่างยิ่งสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าแรงดันสูง

3.5 ระดับการเพิ่มอุณหภูมิ

เนื่องจากขนาดของสายนำกะลาทั่วไปใหญ่กว่า หม้อแปลงที่ใช้วงจรกะลาจะมีพื้นผิวระบายความร้อนที่ใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับหม้อแปลงที่ใช้วงจรทองแดง ภายใต้แหล่งความร้อนเดียวกัน จะได้รับการเพิ่มอุณหภูมิของทองแดงและน้ำมันที่ต่ำกว่า นอกจากนี้ เนื่องจากผลกระทบของผิวของสายนำกะลาน้อยกว่าของวงจรทองแดงและมีการสูญเสียกระแสน้ำวนน้อยกว่า วงจรกะลาจะมีการเพิ่มอุณหภูมิที่จุดร้อนต่ำกว่า

3.6 การโหลดเกินและความยาวชีวิตการใช้งาน

เนื่องจากผลกระทบของผิวของวงจรเองที่น้อยกว่าและการเพิ่มอุณหภูมิที่จุดร้อนต่ำกว่า ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน หม้อแปลงที่ใช้วงจรกะลาจะมีความยาวชีวิตการใช้งานที่นานกว่าและมีความสามารถในการโหลดเกินที่แข็งแกร่งกว่า

4 สรุป

ภายใต้เงื่อนไขที่มั่นใจว่ามีพารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่เท่ากัน ตามราคาตลาดของทองแดงและกะลาในปัจจุบัน หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาทั่วไปสามารถลดต้นทุนได้มากกว่า 20% เมื่อเทียบกับหม้อแปลงที่ใช้วงจรทองแดง จากมุมมองทางเทคนิค ยกเว้นความสามารถในการทนทานต่อการลัดวงจร ประสิทธิภาพรวมของหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาอย่างไม่ต้องสงสัยว่าเหนือกว่าหม้อแปลงที่ใช้วงจรทองแดง

ในทางพื้นฐาน การใช้งานจำกัดของหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรกะลาไม่ได้อยู่ที่แรงดันสูง แต่อยู่ที่กำลังสูง ที่สำคัญคือ อยู่ที่ความไม่เพียงพอของกำลังทนทานของสายนำกะลา ทำให้ยากที่จะตอบสนองความสามารถในการทนทานต่อการลัดวงจรของหม้อแปลงกำลังสูงหรืออิมพีแดนซ์ต่ำ การปรากฏของสายนำสำหรับวงจรกะลาผสมอลูมิเนียมในหม้อแปลงไฟฟ้าเป็นการพยายามแก้ปัญหานี้

อย่างไรก็ตาม การเพิ่มอิมพีแดนซ์ลัดวงจรของหม้อแปลงไฟฟ้าสามารถแก้ปัญหานี้ได้อย่างรวดเร็ว หลังจากเพิ่มอิมพีแดนซ์ลัดวงจรของหม้อแปลงไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะลดลง แม้กระทั่งสำหรับหม้อแปลงกำลังสูง (เช่น มากกว่า 180MVA) ความสามารถในการทนทานต่อการลัดวงจรของวงจรกะลาก็อาจไม่เป็นปัญหาที่จำกัดอีกต่อไป