Алюміній проти мідних обмоток в електроперетворювачах: порівняння вартості та продуктивності

Наразі ринкова ціна міді залишається високою, коливання відбуваються в діапазоні від 70 000 до 80 000 юань за тонну. Натомість ціна алюмінію залишається низькою, утримуючись в діапазоні від 18 000 до 20 000 юань за тонну. Для електроперетворювачів заміна мідних обмоток на алюмінієві в проектуванні безумовно значно знизить витрати на матеріали, що призведе до суттєвої економії для кінцевих клієнтів.

Довгий час у галузі широко вірилося, що алюмінієві обмотки можуть бути використані лише в електроперетворювачах з напругою до 35кВ. Насправді, це велике перекручено. Справді, алюмінієві обмотки можуть мати більші переваги при застосуванні в електроперетворювачах високої напруги. Фактор, який справді обмежує поширення і застосування алюмінієвих обмоток, полягає в тому, що міцність на розтяг алюмінієвих провідників на даний момент може досягати лише близько 70МПа, що може призвести до недостатньої стійкості обмоток електроперетворювача до коротких замикань в деяких ситуаціях.

1. Поточна ситуація та стандарти
1.1 Поточна ситуація з алюмінієвими обмотками

З-за кордону алюмінієві обмотки широко використовуються у сфері розподільчих перетворювачів і мають невелику кількість застосувань у головних перетворювачах. У Китаї, хоча алюмінієві обмотки вже застосовуються у розподільчих перетворювачах, головні перетворювачі з напругою від 110кВ до 1000кВ ще не були законно застосовані.

1.2 Відповідні стандарти для алюмінієвих обмоток

Міжнародний стандарт IEC та національний стандарт GB чітко дозволяють використовувати мідь або алюміній як матеріали для обмоток електроперетворювачів. Крім того, Національне управління енергетики видавло промислові стандарти для алюмінієвих обмоток у січні 2016 року, включаючи Технічні параметри та вимоги для 6кВ～35кВ масляних алюмінієвих обмоток розподільчих перетворювачів та Технічні параметри та вимоги для 6кВ～35кВ сухих алюмінієвих обмоток перетворювачів. Це повністю свідчить про те, що з точки зору стандартів, застосування алюмінієвих обмоток є легальним.

2. Кількісне порівняння витрат

За звичайним досвідом проектування, при передбаченні однакових параметрів продуктивності перетворювача (таких як втрати при нульовому навантаженні, втрати при навантаженні, опір короткого замикання, запас стійкості до коротких замикань тощо), разом з поточними цінами на суровини (ринкова ціна голої міді становить близько 70 000 юань за тонну, а ціна голого алюмінію — близько 20 000 юань за тонну), основні витрати на матеріали перетворювачів з алюмінієвими обмотками можуть бути знижені більше ніж на 20% по відношенню до перетворювачів з мідними обмотками.

Нижче наведено конкретне порівняння на прикладі електроперетворювача SZ20-50000/110-NX2.

З результатів порівняння видно, що при передбаченні однакових параметрів продуктивності, для двообмоткового енергоефективного перетворювача класу II з потужністю 50МВА/110кВ, вартість алюмінієвої обмотки становить приблизно на 23,5% нижчу, ніж вартість мідної обмотки, і ефект зниження витрат є дуже значущим.

Кількісне порівняння продуктивності

Кількісне порівняння основних характеристик продуктивності електроперетворювачів з алюмінієвими обмотками та мідними обмотками поділяється на наступні аспекти:

3.1 Втрати при нульовому навантаженні

Розмір сердечника перетворювача з алюмінієвою обмоткою є відносно великим. Для забезпечення однакових втрат при нульовому навантаженні, це можна досягти, певним чином зменшивши магнітну щільність або діаметр сердечника, або вибравши сталі з низькими втратами.

3.2 Втрати при навантаженні

Оскільки удельна електрична опірність алюмінієвих провідників становить приблизно 1,63 рази від удельної електричної опірності мідних провідників, для забезпечення однакових втрат при навантаженні, загальновживана щільність струму алюмінієвих провідників зазвичай зменшується.

3.3 Стійкість до коротких замикань

При звичайних умовах опору короткого замикання та номінальній потужності нижче 100МВА, якщо дизайн є раціональним, перетворювач з алюмінієвою обмоткою також може мати достатню стійкість до коротких замикань. Однак, коли номінальна потужність перетворювача перевищує 100МВА або опір значно нижчий, перетворювач з алюмінієвою обмоткою може показувати характеристику недостатньої стійкості до коротких замикань.

3.4 Запас ізоляції

Завдяки загальновживано більшому розміру алюмінієвого провідника та більшому радіусу кривизни провідника, алюмінієва обмотка отримає більш рівномірне електричне поле порівняно з мідною обмоткою. При однаковій основній відстані ізоляції обмотки та поділі масляного шару, буде більший запас основної ізоляції. Щодо продольної ізоляції обмотки, великий розмір алюмінієвого провідника означає більшу міжвиткову ємність, що також сприяє розподілу хвильового процесу. Це є основним принципом, який робить алюмінієві обмотки особливо придатними для високонапігних перетворювачів.

3.5 Рівень нагріву

Завдяки загальновживано більшому розміру алюмінієвого провідника, перетворювач з алюмінієвою обмоткою матиме більшу поверхню теплообміну порівняно з перетворювачем з мідною обмоткою. При однаковому джерелі тепла, буде отримано нижчий температурний підйом меді-олії. Крім того, оскільки ефект шкіри алюмінієвого провідника значно слабший, ніж у мідної обмотки, а втрати завдяки вихоревим струмам менші, алюмінієва обмотка матиме нижчий температурний підйом гарячої точки.

3.6 Перенавантаження та термін служби

Завдяки слабшому ефекту шкіри самій обмотці та нижчому температурному підйому гарячої точки, при однакових умовах, перетворювач з алюмінієвою обмоткою матиме довший термін служби та більші можливості перенавантаження.

4. Висновок

При передбаченні однакових параметрів продуктивності, згідно з поточними ринковими цінами на мідь та алюміній, витрати на перетворювачі з алюмінієвими обмотками загалом знижуються більше ніж на 20% по відношенню до перетворювачів з мідними обмотками. Об'єктивно говорячи з технічної точки зору, окрім стійкості до коротких замикань, комплексна продуктивність перетворювачів з алюмінієвими обмотками безумовно відмінно перевищує продуктивність перетворювачів з мідними обмотками.

Фундаментально, обмежене застосування перетворювачів з алюмінієвими обмотками не полягає у високій напругі, але у великих потужностях. По суті, це полягає в природній недостатності міцності на розтяг алюмінієвих провідників, що робить важким задоволення стійкості до коротких замикань деяких великих потужностей або низькоопірних перетворювачів. Виникнення провідників для обмоток перетворювачів з алюмінієвого сплаву саме спроба вирішення цієї проблеми.

Проте, збільшення опору короткого замикання перетворювачів може швидко вирішити цю проблему. Після збільшення опору короткого замикання перетворювачів, струм короткого замикання зменшиться. Навіть для великих потужностей (наприклад, вище 180МВА) перетворювачів, стійкість до коротких замикань алюмінієвих обмоток може більше не бути обмежуючим фактором.