So sánh Chi phí và Hiệu suất của Cuộn dây Nhôm và Đồng trong Máy biến áp

Hiện nay, giá thị trường của đồng vẫn ở mức cao, dao động trong khoảng từ 70.000 đến 80.000 nhân dân tệ mỗi tấn. Trong khi đó, giá nhôm vẫn ở mức thấp, dao động trong khoảng từ 18.000 đến 20.000 nhân dân tệ mỗi tấn. Đối với các biến áp điện, việc thay thế cuộn dây đồng bằng cuộn dây nhôm trong thiết kế chắc chắn sẽ giảm đáng kể chi phí vật liệu của sản phẩm, mang lại tiết kiệm chi phí đáng kể cho khách hàng cuối cùng.

Trong một thời gian dài, ngành công nghiệp đã tin rằng cuộn dây nhôm chỉ có thể được sử dụng trong các biến áp điện có mức điện áp 35kV và dưới. Trên thực tế, đây là một hiểu lầm lớn. Thực tế, cuộn dây nhôm có thể phát huy ưu điểm lớn hơn khi được áp dụng trong các biến áp điện có điện áp cao. Yếu tố cốt lõi thực sự hạn chế sự phổ biến và ứng dụng của cuộn dây nhôm là cường độ chịu lực của dây dẫn nhôm hiện tại chỉ đạt khoảng 70MPa, điều này có thể dẫn đến khả năng chịu đựng ngắn mạch không đủ của cuộn dây biến áp trong một số trường hợp.

1. Tình hình hiện tại và Tiêu chuẩn
1.1 Tình hình hiện tại của Biến áp Cuộn Dây Nhôm

Ngoài nước, biến áp cuộn dây nhôm được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực biến áp phân phối và có một số ứng dụng nhỏ trong biến áp chính. Tại Trung Quốc, mặc dù cuộn dây nhôm đã được áp dụng trong biến áp phân phối, nhưng biến áp chính có mức điện áp từ 110kV đến 1000kV chưa được áp dụng theo pháp luật.

1.2 Các Tiêu chuẩn Liên quan đến Biến áp Cuộn Dây Nhôm

Cả tiêu chuẩn quốc tế IEC và tiêu chuẩn quốc gia GB đều rõ ràng cho phép biến áp điện sử dụng đồng hoặc nhôm làm vật liệu dây dẫn cho cuộn dây. Ngoài ra, Cục Năng lượng Quốc gia đã ban hành các tiêu chuẩn ngành cho biến áp cuộn dây nhôm vào tháng 1 năm 2016, bao gồm Tham số Kỹ thuật và Yêu cầu cho Biến áp Phân phối Ngâm Dầu 6kV～35kV Cuộn Dây Nhôm và Tham số Kỹ thuật và Yêu cầu cho Biến áp Không Dầu 6kV～35kV Cuộn Dây Nhôm. Điều này hoàn toàn cho thấy, từ góc độ tiêu chuẩn, việc áp dụng biến áp cuộn dây nhôm là hợp pháp.

2. So sánh Chi phí Định lượng

Theo kinh nghiệm thiết kế thông thường, trên cơ sở đảm bảo các thông số hiệu suất của biến áp (như tổn thất không tải, tổn thất tải, trở kháng ngắn mạch, biên độ chịu đựng ngắn mạch, v.v.), kết hợp với giá nguyên liệu hiện tại (giá thị trường của đồng trần khoảng 70.000 nhân dân tệ mỗi tấn, và giá thị trường của nhôm trần khoảng 20.000 nhân dân tệ mỗi tấn), chi phí vật liệu chính của biến áp sử dụng cuộn dây nhôm có thể tiết kiệm hơn 20% so với sử dụng cuộn dây đồng.

Dưới đây là so sánh cụ thể với biến áp điện SZ20-50000/110-NX2 làm ví dụ.

Có thể thấy từ kết quả so sánh trên, trên cơ sở đảm bảo các thông số hiệu suất tương đương, đối với biến áp điện hiệu suất lớp II 50MVA/110kV hai cuộn dây, chi phí cuộn dây nhôm thấp hơn khoảng 23,5% so với cuộn dây đồng, và hiệu quả tiết kiệm chi phí rất đáng kể.

So sánh Chất lượng về Hiệu suất

So sánh chất lượng về các hiệu suất chính của biến áp điện cuộn dây nhôm và cuộn dây đồng được chia thành các khía cạnh sau:

3.1 Tổn thất Không tải

Kích thước lõi sắt của biến áp cuộn dây nhôm tương đối lớn. Để đảm bảo tổn thất không tải tương đương, có thể đạt được bằng cách giảm mật độ dòng từ hoặc đường kính lõi sắt hoặc chọn thép silic có tổn thất đơn vị thấp hơn.

3.2 Tổn thất Tải

Do điện trở riêng của dây dẫn nhôm khoảng 1,63 lần so với dây dẫn đồng, để đảm bảo tổn thất tải tương đương, mật độ dòng điện của dây dẫn cuộn dây nhôm thường được giảm.

3.3 Khả năng Chịu đựng Ngắn mạch

Trong điều kiện trở kháng ngắn mạch thông thường và công suất định mức dưới 100MVA, miễn là thiết kế hợp lý, biến áp cuộn dây nhôm cũng có thể có đủ khả năng chịu đựng ngắn mạch. Tuy nhiên, khi công suất định mức của biến áp trên 100MVA hoặc trở kháng rất thấp, biến áp cuộn dây nhôm có thể biểu hiện đặc tính không đủ khả năng chịu đựng ngắn mạch.

3.4 Biên độ Cách điện

Do kích thước dây dẫn nhôm thường lớn hơn và bán kính cong của dây dẫn lớn hơn, cuộn dây nhôm sẽ có điện trường đồng đều hơn so với cuộn dây đồng. Với cùng khoảng cách cách điện chính của cuộn dây và phân chia khe dầu, sẽ có biên độ cách điện chính lớn hơn. Về cách điện dọc của cuộn dây, kích thước lớn của dây dẫn nhôm nghĩa là dung điện giữa vòng lớn hơn, điều này cũng thuận lợi hơn cho phân bố quá trình sóng. Đây là nguyên tắc cơ bản khiến cuộn dây nhôm đặc biệt phù hợp cho biến áp điện áp cao.

3.5 Mức Tăng Nhiệt

Do kích thước dây dẫn nhôm thường lớn hơn, biến áp cuộn dây nhôm sẽ có diện tích tản nhiệt lớn hơn so với biến áp cuộn dây đồng. Trên cơ sở nguồn nhiệt giống nhau, tăng nhiệt đồng-dầu sẽ thấp hơn. Hơn nữa, do hiệu ứng da của dây dẫn nhôm yếu hơn nhiều so với cuộn dây đồng và tổn thất dòng xoáy nhỏ hơn, cuộn dây nhôm sẽ có tăng nhiệt điểm nóng thấp hơn.

3.6 Quá tải và Tuổi thọ

Do hiệu ứng da của cuộn dây yếu hơn và tăng nhiệt điểm nóng thấp hơn, trong cùng điều kiện, biến áp cuộn dây nhôm sẽ có tuổi thọ dài hơn và khả năng chịu quá tải mạnh hơn.

4 Kết luận

Trên cơ sở đảm bảo các thông số hiệu suất tương đương, theo giá thị trường hiện tại của đồng và nhôm, biến áp điện cuộn dây nhôm thường giảm chi phí hơn 20% so với cuộn dây đồng. Về mặt kỹ thuật, ngoại trừ khả năng chịu đựng ngắn mạch, hiệu suất tổng thể của biến áp điện cuộn dây nhôm chắc chắn vượt trội hơn so với cuộn dây đồng.

Nói chung, việc áp dụng hạn chế của biến áp điện cuộn dây nhôm không nằm ở điện áp cao, mà ở công suất lớn. Bản chất nằm ở sức chịu lực tự nhiên không đủ của dây dẫn nhôm, khiến nó khó đáp ứng khả năng chịu đựng ngắn mạch của một số biến áp công suất lớn hoặc trở kháng thấp. Sự xuất hiện của dây dẫn hợp kim nhôm cho cuộn dây biến áp chính là một nỗ lực giải quyết vấn đề này.

Tuy nhiên, việc tăng trở kháng ngắn mạch của biến áp điện có thể nhanh chóng giải quyết vấn đề này. Sau khi tăng trở kháng ngắn mạch của biến áp điện, dòng ngắn mạch sẽ giảm. Ngay cả đối với biến áp công suất lớn (như trên 180MVA), khả năng chịu đựng ngắn mạch của cuộn dây nhôm có thể không còn là vấn đề hạn chế.