Alüminyum ve Bakır Sarımli Güç Traforları: Maliyet ve Performans Karşılaştırması

Şu anda bakırın piyasa fiyatı yüksek seyrediyor ve ton başına 70.000 ile 80.000 yuan arasında dalgalanıyor. Buna karşılık, alüminyumun fiyatı düşük kalıyor ve ton başına 18.000 ile 20.000 yuan arasında seyrediyor. Güç transformatörleri için tasarımda bakır sarımlar yerine alüminyum sarımlar kullanılması, ürünlerin malzeme maliyetini önemli ölçüde azaltarak son kullanıcılara büyük maliyet tasarrufu sağlayacaktır.

Uzun süredir endüstride yaygın olarak, alüminyum sarımlar sadece 35kV ve altındaki gerilim seviyesindeki güç transformatörlerinde kullanılabilir olduğuna inanılıyor. Aslında, bu büyük bir yanlış anlaşılmadır. Gerçekten de, alüminyum sarımlar yüksek gerilimli güç transformatörlerinde uygulandığında daha büyük avantajlar sağlayabilir. Alüminyum sarımların yaygınlaşmasını ve uygulanmasını gerçekten kısıtlayan faktör, şu anki alüminyum iletkenlerin dayanma gücünün yaklaşık 70MPa'ya ulaşabilmesidir, bu da bazı senaryolarda transformatör sarımlarının kısa devre dayanım kapasitesinin yetersiz olmasına neden olabilir.

1. Güncel Durum ve Standartlar
1.1 Alüminyum Sarımlı Transformatörlerin Güncel Durumu

Yurtdışında, alüminyum sarımlı transformatörler dağıtım transformatörlerinde yaygın olarak kullanılmakta ve ana transformatörlerde sınırlı uygulamaları bulunmaktadır. Çin'de, alüminyum sarımlar dağıtım transformatörlerinde uygulanmış olsa da, 110kV ila 1000kV gerilim seviyesindeki ana transformatörlerde henüz yasal olarak uygulanmamıştır.

1.2 Alüminyum Sarımlı Transformatörler için İlgili Standartlar

Uluslararası IEC standartları ve ulusal GB standartları, güç transformatörlerinin sarımlar için iletken malzeme olarak bakır veya alüminyum kullanmasına açıkça izin vermektedir. Ayrıca, Ulusal Enerji İdaresi Ocak 2016'da alüminyum sarımlı transformatörler için endüstri standartları yayınlamıştır, bunlar arasında  6kV～35kV Yağ İşlemeli Alüminyum Sarımlı Dağıtım Transformatörleri için Teknik Parametreler ve Gereksinimler ve 6kV～35kV Kurutmalı Alüminyum Sarımlı Transformatörler için Teknik Parametreler ve Gereksinimler bulunmaktadır. Bu, standart açısından bakıldığında, alüminyum sarımlı transformatörlerin uygulanmasının yasal olduğunu tamamen göstermektedir.

2. Niceliksel Maliyet Karşılaştırması

Geleneksel tasarım deneyimine göre, transformatör performans parametrelerinin (boş yük kaybı, yüklü kayıp, kısa devre impedansı, kısa devre dayanım marjı vb.) tutarlılığını sağlamak koşuluyla, mevcut ham madde fiyatları (çıplak bakırın piyasa fiyatı yaklaşık 70.000 yuan per ton, çıplak alüminyumun piyasa fiyatı yaklaşık 20.000 yuan per ton) ile birleştirildiğinde, alüminyum sarımlı transformatörlerin ana malzeme maliyeti, bakır sarımlı transformatörlere kıyasla %20'den fazla tasarruf sağlayabilir.

Aşağıdaki, bir SZ20-50000/110-NX2 güç transformatörü örneğiyle belirli bir karşılaştırma bulunmaktadır.

Yukarıdaki karşılaştırma sonuçlarından görülebileceği gibi, aynı performans parametrelerini sağlarken, 50MVA/110kV çift sarımlı II. sınıf enerji verimli güç transformatörü için, alüminyum sarımı maliyeti bakır sarımı maliyetinden yaklaşık %23.5 daha düşük olup, maliyet azaltma etkisi çok belirgindir.

Performansın Niteliksel Karşılaştırması

Alüminyum sarımlı ve bakır sarımlı güç transformatörlerinin ana performanslarının niteliksel karşılaştırması aşağıdaki yönlerde yapılmaktadır:

3.1 Boş Yük Kaybı

Alüminyum sarımlı transformatörün çekirdek boyutu nispeten büyüktür. Aynı boş yük kaybını sağlamak için, manyetik akı yoğunluğunu veya çekirdek çapını uygun şekilde azaltarak veya daha düşük birim kayba sahip silikon çelik levhaları seçerek gerçekleştirilebilir.

3.2 Yüklü Kayıp

Alüminyum iletkenlerin direnç katsayısı, bakır iletkenlerin direnç katsayısının yaklaşık 1.63 katıdır. Aynı yüklü kaybı sağlamak için, genellikle alüminyum sarım iletkenlerinin akım yoğunluğu azaltılmaktadır.

3.3 Kısa Devre Dayanım Kapasitesi

Geleneksel kısa devre impedansı ve 100MVA'nın altında nominal kapasite koşullarında, tasarım uygunsa, alüminyum sarımlı transformatör de yeterli kısa devre kapasitesine sahip olabilir. Ancak, transformatörün nominal kapasitesi 100MVA'nın üzerinde veya impedans çok düşük olduğunda, alüminyum sarımlı transformatörde kısa devre dayanım kapasitesinin yetersiz olduğu karakteristik görülebilir.

3.4 yalıtım Marjı

Alüminyum iletken ölçülerinin genellikle daha büyük olması ve iletken eğrilik yarıçapının daha büyük olması nedeniyle, alüminyum sarım, bakır sarıma kıyasla daha homojen bir elektrik alan elde edecektir. Aynı sarım ve yağ aralığı bölünme ana yalıtım mesafesi altında, daha büyük bir ana yalıtım marjı olacaktır. Sarımın longitudinal yalıtımı açısından, alüminyum iletkenin büyük ölçüsü, daha büyük dönme kapasitesi anlamına gelir, bu da dalga sürecinin dağılımına daha uygun olur. Bu, alüminyum sarımların özellikle yüksek gerilimli transformatörler için çok uygun olduğunu gösteren temel prensiptir.

3.5 Sıcaklık Artışı Seviyesi

Alüminyum iletken ölçülerinin genellikle daha büyük olması nedeniyle, alüminyum sarımlı transformatör, bakır sarımlı transformatöre kıyasla daha büyük bir ısı verme yüzeyine sahip olacaktır. Aynı ısı kaynağı altında, daha düşük bir bakır-yağ sıcaklık artışı elde edilecektir. Ayrıca, alüminyum sarımın deri etkisinin bakır sarıma kıyasla çok daha zayıf olması ve fırça kaybının daha düşük olması nedeniyle, alüminyum sarımın daha düşük bir sıcak nokta sıcaklık artışı olacaktır.

3.6 Aşırı Yük ve Hizmet Ömrü

Sarımanın kendisinin daha zayıf deri etkisi ve daha düşük sıcak nokta sıcaklık artışı nedeniyle, aynı koşullar altında, alüminyum sarımlı transformatör daha uzun bir hizmet ömrüne ve daha güçlü aşırı yük kapasitesine sahip olacaktır.

4. Sonuç

Aynı performans parametrelerini sağlama koşuluyla, mevcut bakır ve alüminyum piyasa fiyatlarına göre, alüminyum sarımlı güç transformatörler genellikle bakır sarımlı güç transformatörlere kıyasla %20'den fazla maliyet tasarrufu sağlamaktadır. Teknik açıdan nesnel olarak konuşursak, kısa devre dayanım kapasitesi dışında, alüminyum sarımlı güç transformatörlerin kapsamlı performansı, bakır sarımlı güç transformatörlerin kapsamlı performansından kesinlikle önde gidiyor.

Temel olarak, alüminyum sarımlı güç transformatörlerin sınırlı uygulaması, yüksek gerilimde değil, büyük kapasitede yatar. Esasında, alüminyum iletkenlerin doğal dayanım gücünün yetersizliği, bazı büyük kapasiteli veya düşük impedanslı güç transformatörlerin kısa devre dayanım kapasitesini karşılamada zorluk yaratmaktadır. Alüminyum alaşım transformatör sarımı iletkenlerinin ortaya çıkışı, tam olarak bu sorunu çözmeye yönelik bir girişimdir.

Ancak, güç transformatörlerin kısa devre impedansını artırmak, bu sorunu hızlıca çözebilir. Güç transformatörlerin kısa devre impedansı artırıldığında, kısa devre akımı azalacaktır. Bu, 180MVA'nın üzerindeki büyük kapasiteli güç transformatörleri için bile, alüminyum sarımların kısa devre dayanım kapasitesinin artık bir kısıtlama oluşturmaması anlamına gelecektir.