Entwicklung von Transformatorwicklungsmaterialien

—Kosten und Leistung im Gleichgewicht: Von Elektrolytkupfer zu kupferplattiertem Aluminium

Laut Angaben der International Copper Association (ICA) machen Wicklungsmaterialien 35–50 % der Gesamtkosten eines Transformators aus. In den letzten 30 Jahren sind die Kupferpreise um 380 % gestiegen, was Hersteller weltweit dazu veranlasst hat, nach kostengünstigen Alternativen zu suchen. Von reinem Elektrolytkupfer über kupferkaschiertes Aluminium (CCA) und kupferkaschierten Stahl (CCS) bis hin zu nanobeschichteten Verbundleitern – diese Materialrevolution hat die Leistung und Wirtschaftlichkeit von Energieanlagen maßgeblich beeinflusst. Dieser Artikel analysiert die Entwicklung und zukünftigen Trends von Wicklungsmaterialien anhand von Normen wie IEC 60076-7 und IEEE C57.18.10.

Inhalt

1.Die Ära des Elektrolytkupfers (1950–2000): Der Goldstandard für Leistung

● Eigenschaften und Struktur:Elektrolytkupfer (Reinheit ≥99.95 %) wird durch elektrolytische Raffination hergestellt und zeichnet sich durch gleichmäßige Gitterstrukturen und extrem geringe Verunreinigungen aus. Seine hohe freie Elektronendichte und sein geringer Migrationswiderstand bieten zwei wesentliche Vorteile:

(1)Außergewöhnliche Leitfähigkeit: Leitfähigkeit bis zu 58.5×10⁶ S/m, wodurch die Widerstandsverluste (I²R) im Vergleich zu Aluminium um 40 % reduziert werden.

(2)Überlegene Duktilität: Kann für komplexe Wickelstrukturen zu 0.1 mm Filamenten gezogen werden, wobei die Kriechfestigkeit eine Verformung von <0.2 % bei 150 °C gewährleistet.

● Wert für Transformatoren:

(1)Geringe Verluste: Bei 400-kV-Hochspannungstransformatoren bleiben die Leerlaufverluste <0.1 % (gemäß IEC 60076-1).

(2)Lange Lebensspanne: Ein 400 von Siemens hergestellter 1978-kV-Transformator arbeitet auch nach 5 Jahren noch mit Verlusten, die 43 % unter den Auslegungswerten liegen.

● Kostenherausforderungen und Nachfrage nach Alternativen:Nach dem Jahr 2000 stiegen die Kupferpreise sprunghaft von 0.6 $/kg auf 9.8 $/kg (Höchstwert 2022), verbunden mit hohen Kohlenstoffemissionen aus der Kupferverhüttung (8.5 t CO₂ pro Tonne Kupfer). Dies veranlasste die Industrie, nach Alternativen zu suchen. Der Kostenanteil von Kupfer an Verteiltransformatoren stieg von 28 % auf 52 %, was die Nachfrage nach leichten, kostengünstigen Lösungen für Netzausbauprojekte in Entwicklungsländern beschleunigte.

2. Kupferplattiertes Aluminium (CCA): Optimierung von Gewicht und Kosten 

● Materialzusammensetzung und Herstellung:Kupferkaschiertes Aluminium (CCA) wird durch Kaltwalzverfahren hergestellt, um eine 0.15 mm dicke Kupferschicht mit einem Aluminiumkern zu verbinden (Kupfer-Aluminium-Verhältnis 15:85). Kontinuierliche Extrusion gewährleistet eine Dickentoleranz von ±5 μm (EN 13602), während das Glühen Grenzflächenspannungen eliminiert. CCA hält über 5,000 Biegezyklen stand (IEC 60213).

● Die wichtigsten Vorteile:

(1)Leicht: Dichte von 4.5 g/cm³ (50 % des reinen  Kupfer), wodurch Transport- und Installationskosten reduziert werden.

(2)Kosteneffizient: Materialkosten von 4.8 USD/kg gegenüber 9.2 USD/kg für reines Kupfer, wodurch eine Gesamtkostenersparnis von 18 % erreicht wird.

(3)Leitfähigkeitserhaltung: 75 %–82 % IACS-Leitfähigkeit, erfüllt die meisten Anforderungen an Verteilungstransformatoren (IEC 60076-7).

● Anwendungen:

(1)Verteilungstransformatoren: Der 10-MVA-Transformator von Tata Power in Indien konnte durch den Einsatz von CCA die Kosten um 18 % senken.

(2)Umspannwerke für Windparks: 60 % der Umspannwerke von Windparks weltweit verwenden mittlerweile CCA-Wicklungen.

3. Kupferplattierter Stahl (CCS) und Nanobeschichtungen: Durchbrüche für extreme Bedingungen 

● Kupferplattierter Stahl (CCS): Struktur mit verbesserter Kurzschlussfestigkeit: CCS bettet einen Kohlenstoffstahlkern (30–40 % Durchmesser) in eine Aluminiummatrix ein und bildet so einen Kupfer-Aluminium-Stahl-Verbund. Der Stahlkern bietet eine Zugfestigkeit von ≥1200 MPa, während ≥0.1 mm dicke Kupferschichten Leitfähigkeit und mechanische Belastbarkeit ausgleichen.

(1)Vorteile:

● Kurzschlussfestigkeit: Hält einer elektromagnetischen Kraft von 120 kN/m stand (IEC 60076-5) und verbessert die Kurzschlusstoleranz um 60 %.

● Kosteneffizienz: Materialkosten von 5.1 USD/kg, 25 % niedriger als bei Hochleistungslösungen aus reinem Kupfer.

(2)Anwendungen:

● Ultrahochspannungsprojekte: Chinas ±1100-kV-Ji-Quan-UHV-Projekt verwendet CCS für eine Kurzschlussfestigkeit von 63 kA.

● Schwerindustrie: Die Stahlwerktransformatoren von ThyssenKrupp in Deutschland reduzierten die Kurzschlussausfälle um 45 %.

● Nano-Beschichtungen: Revolutionäre Korrosionsbeständigkeitsstruktur

Eine 50 nm dicke Graphen-Silica-Verbundbeschichtung wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht. Das hexagonale Gitter des Graphens blockiert Feuchtigkeit und Sauerstoff, während Silica die Verschleißfestigkeit erhöht.

(1)Vorteile:

● Korrosionsbeständigkeit: Besteht Salzsprühtests (ISO 3,000) über 9227 Stunden, 3.75-mal besser als reines Kupfer.

● Niedriger Kontaktwiderstand: Die Beschichtung reduziert den Kontaktwiderstand auf 0.15 mΩ (ASTM B539) und minimiert so die Wärmeentwicklung.

(2)Anwendungen:

● Küsten-Umspannwerke: Das Umspannwerk Yokohama von Toshiba in Japan verlängert die Lebensdauer der Ausrüstung auf 40 Jahre.

● Offshore-Windparks: Beschichtetes CCA reduziert Ausfälle in Salzsprühumgebungen um 70 % und verlängert die Wartungszyklen von 2 auf 5 Jahre.

4. Vergleichende Leistung von Wickelmaterialien

Zusammenfassend

Fazit: Durch die Innovation von Wickelmaterialien werden Kosten, Leistung und Nachhaltigkeit in Einklang gebracht:

● CCA liefert 80 % Leistung bei 60 % Kosten, dominieren die Märkte für Verteilungstransformatoren.

● CCS bietet eine Zugfestigkeit von 350 MPa, ideal für Ultrahochspannungs-Kurzschlussschutz.

● Nanobeschichtungen verlängern die Lebensdauer von Küstengeräten von 25 bis 40 Jahren. Zu den Zukunftstrends zählen Kohlefasern (Dichte 2.0 g/cm³) und Hochtemperatur-Supraleiter, die die Kosten bis 40 voraussichtlich um 2030 % senken und die globale Energiewende beschleunigen werden.

Kontakte

LuShan, Europäische Sommerzeit.1975, ist ein chinesischer professioneller Hersteller, spezialisiert auf Leistungstransformatoren und Reaktoren für50 Jahre. Führende Produkte sind Einphasentransformator, Dreiphasentransformator Isolierung Transformatoren, elektrischer Transformator, Verteiltransformator, Abwärts- und Aufwärtstransformator, Niederspannungstransformator, Hochspannungstransformator, Steuertransformator, Ringkerntransformator, R-Kern-Transformator;Gleichstrominduktoren, Wechselstromreaktoren, Filterreaktoren, Netz- und Lastreaktoren, Drosseln, Filterreaktoren und Zwischen- und Hochfrequenzprodukte.

Unsere Kraft Transformatoren und Reaktoren werden in zehn Anwendungsbereichen häufig eingesetzt: Schnellverkehr, Baumaschinen, erneuerbare Energien, intelligente Fertigung, medizinische Geräte, Explosionsschutz in Kohlebergwerken, Erregersysteme, Vakuumsintern (Öfen), zentrale Klimaanlagen.

Erfahren Sie mehr über Leistungstransformatoren und Reaktoren:www.lstransformer.com.

Wenn Sie maßgeschneiderte Lösungen für Transformatoren oder Drosseln wünschen, kontaktieren Sie uns bitte.

WhatsApp:+86 13787095096
E-Mail: marketing@hnlsdz.com