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.

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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.

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