変圧器巻線の銅とアルミニウム: バイヤーズガイド

先月、同じ 1000 kVA パッドマウント変圧器の 2 つの見積もりが 17% の差で返されました。下はアルミ巻きでした。高いほうは銅巻きでした。当社のセールスエンジニアに対する購入者の最初の質問は、損失、温度上昇、または短絡強度についてではありませんでした。それは、「実際のところ、どちらが優れているのか？」ということです。

これは短いバージョンです: どちらの金属も真空中では「優れている」わけではありません。適切に設計されたアルミ巻線トランス銅製設計と同じ損失保証を満たすことができますが、不適切に構築された銅製ユニットは、良好なアルミニウム製ユニットよりも早く故障する可能性があります。のトランス巻線の銅とアルミニウムの比較この決定は、導電率、断面積、機械的強度、認証、実際の負荷プロファイルと結び付けた場合にのみ意味を持ちます。このガイドでは、工場のフロアに立っているお客様に説明する方法で、それぞれについて説明します。

トランス巻線の銅とアルミニウムの決定が直感以上の価値がある理由

この議論は変圧器業界そのものと同じくらい古く、両方の材料が北米の実務で完全に受け入れられています。米国とカナダの電力会社は、主に重量と初期コストを理由に、数十年にわたってアルミニウム巻の配電変圧器を運用してきました。産業ユーザー、データセンター、採掘現場は、通常、スペースの制約と信頼性の認識から、銅に傾いています。

ほとんどの購入者が見逃しているのは、素材は物語の半分にすぎないということです。残りの半分は、メーカーが実際に使用される材料に合わせて、窓のサイズ、コアの断面、ブレース、接続方法などの設計を調整したかどうかです。私たちの工場では、最初に尋ねる質問は「銅ですか、それともアルミニウムですか？」ということではありません。それは、「仕様ではどのような損失、インピーダンス、短絡定格が必要ですか?」ということです。そこから、適切な巻線材料と形状が続きます。

有用なメンタルモデルは伝導率から生まれます。電気グレードの銅は約 100 パーセントの IACS で導電しますが、EC グレードのアルミニウム (1350 合金) は 61 パーセント近くの IACS に達します。同じ DC 抵抗に達するには、アルミニウム導体は銅の約 1.6 倍の断面積が必要です。この 1 つの数値によって、コイル ウィンドウ、コア サイズ、タンク寸法、オイル量、総重量など、下流のすべてが決定されます。

工学の基礎: 導電率、断面積、重量

工学的な結果は単純明快です。より大きな導体にはより大きなコイルウィンドウが必要であり、これは通常、液浸ユニットの場合はより大きなコア、タンク、およびオイルの体積、または乾式タイプの場合はより大きなエンクロージャを意味します。重量のイメージはアルミニウムに有利に働きます。余分な断面積があっても、アルミニウム コイルの重量は同等の銅コイルの約半分です。そのため、コンクリート パッド上のパッド取り付けユニットや柱上変圧器にはアルミニウムが巻かれていることが非常に多いのです。

アルミニウムが尊重すべき点は機械的強度です。焼き鈍しアルミニウムは銅よりも引張強度が低いため、定格電流の何倍にも達する可能性がある短絡力に耐えるために、巻線をより慎重に固定する必要があります。 ANSI スタイルの短絡試験では、定格耐電流で - 2 秒間行われますが、ここでずさんなアルミニウム設計が露呈します。評価するとき変圧器巻線材料クライアントにとって、機械的耐久性は最初の検討ポイントの 1 つであり、最後の検討ポイントではありません。

損失と温度上昇: 設計が実際に異なる箇所

どちらの巻線も負荷損失 (I2R) に加えて浮遊損失と渦損失を生成します。適切に設計されたアルミニウム コイルは、より多くの導体面積で低い導電率を補うため、同じ kVA と同じ保証損失で、2 つの材料はテスト レポートでほぼ同じ性能を発揮できます。トレードオフは物理的なもので、そこに到達するためにスペースとアクティブな材料を犠牲にすることになります。

温度上昇は巻線材質に関わらず同一基準となります。 IEEE Std C57.12.00-2015 では、液浸変圧器は、抵抗法でテストする場合、巻線の平均温度上昇を周囲温度より 65 度高く維持する必要があります。銅またはアルミニウムは限界まで差がありません (IEEE C57.12.00-2015）。乾式ユニットは独自のクラス制限に従います。通常、F クラス設計では平均 115 度、H クラスでは 150 度です。

ここに、パンフレットにはめったに掲載されない当社の工場での経験の一部があります。温度上昇テストでは、アルミニウムを巻いたコイルは、銅を巻いたコイルよりも接続部分にホットスポットが現れることがあります。これは、導体が原因ではなく、接合部が原因です。そのため、当社の QC チームはすべてのアルミニウム接続を管理された作業として扱います。ろう付けまたは酸化防止処理を施した特殊な圧着、コイルがタンクに入る前にトルクのチェックと再測定が行われます。接合部を間違えると、巻線自体が劣化する何年も前に、ユニットの端子が過熱してしまいます。

北米における認証の現実: UL、CSA、DOE の 2029 年の期限

認証機関は特定の金属を優先するわけではありません。米国の乾式配電変圧器は通常、UL 1561 または UL 1562 に基づいて評価されます。カナダのユニットは、パッド取り付け液体浸漬設計に対する No. 47 などの CSA C22.2 規格に従っています。認証では、温度上昇、誘電体、および短絡テストを通じて、巻線、ブレース、接続、クリアランスなどの完全な設計を検証します。これらのテストに合格したアルミニウム巻きユニットは、銅巻きユニットと同様に認定されます。

現在、この決定を形作る大きな力は効率規制です。米国エネルギー省は、2024 年 4 月により厳格な配電変圧器の効率基準を最終決定し、2029 年に準拠が義務付けられました (DOE 配電変圧器規格）。新しいレベルでは、設計がより低い損失に向けて推進され、これはより大きな導体とより多くの活性材料を意味します。アルミニウムを巻いた設計の場合、2029 年のレベルを満たすと従来のコストと重量の利点が損なわれ、すでに必要なアルミニウムの追加断面がさらに大きくなります。

2023 年からイートンの合弁パートナーであるライアン エレクトリックは、銅設計を見積もってもアルミニウム設計を見積もっても、同じテスト規律に基づいて構築します。当社は代表的なユニットに対して温度上昇、雷インパルス、短絡耐性などの完全なタイプのテストを実行し、出荷されるすべてのテストレポートに実際の測定値を記録します。カナダの電力会社が CSA 認定のパッドマウント変圧器を求めた場合、巻線の材質によって証明書が変更されることはありません。設計レビューはそうします。

購入者が間違え続けるコストの問題

銅の価格はLME市場に応じて変動し、歴史的には1トン当たりアルミニウムの数倍の高値で取引されてきた。これにより、アルミニウムの最初のコストの議論が現実のものになります。通常、その差は、同じ kVA 定格の見積価格の低さとして現れます。

しかし、より賢明な比較方法は、何を購入するのかを尋ねることです。同じ保証された損失とインピーダンス、それとも同じ kVA 定格だけですか?当社の見積り業務では、物理的なスペースと重量を増やす代わりに、より低い初期コストで、銅製設計と同じ無負荷および負荷損失保証を満たすようにアルミニウム巻線ユニットを設計できます。プロジェクトのスペースに制約がある場合、または床面積が高価なデータセンターの屋内に変圧器が設置されている場合は、銅巻変圧器多くの場合、設置面積が小さいほど効果が得られるためです。

長期間にわたって負荷が軽い場合、負荷損失はそれほど重要ではなく、材料の選択によって 20 年間の光熱費はほとんど変わりません。継続的な重負荷、高調波、または繰り返しの短絡負荷を実行する場合、堅牢性の議論は銅線および十分な熱マージンを備えた設計の方に傾きます。当社のアプリケーション エンジニアは、見積り後ではなく見積り前にこれをモデル化し、アルミニウムが経済的な解決策となる場合とそうでない場合を明確にお客様に伝えます。

銅またはアルミニウムを推奨する前に確認すること

お客様からおすすめを教えてほしいと言われたときは、変圧器巻線材料では、短いレビュー チェックリストを見ていきます。

1. 負荷プロファイル:平均荷重、ピーク持続時間、および高調波 (K ファクターのニーズ)
2.短絡義務:%Z、耐電流、年間イベント数
3. スペースと重量の制限現場 - 金庫、パッド、屋内の部屋
4. 環境要因:塩気、湿気、接続メンテナンスへのアクセス
5. 最初のコストと 20 年間の総所有コスト
6. 認証パス:UL、CSA、または現地規格の要件

接続の問題は、低価格ショップで製造されたアルミニウム製ユニットで最もよく見られるフィールド障害であるため、強調する価値があります。アルミニウムは、通常のはんだでは濡れない強固な酸化物層を形成するため、接合はバイメタル コネクタ、適切な圧着工具、または資格のある溶接を使用して作成する必要があります。銅のラグと希望を持って現場で接続することは決してしないでください。また、20 年間の負荷サイクルを超える接合部の緩みは、ホットスポットとして発生する可能性があるため、アルミニウムのより高い熱膨張係数に合わせて設計された接合部の定格を下げ、トルクを再調整します。

過去 12 か月間、当社は CSA 認定のアルミニウム巻パッドマウント変圧器をカナダの配電プロジェクトに出荷し、銅巻乾式ユニットをデータセンターの顧客に出荷してきました。どちらも工場での立会いテストに合格し、一度も保証を請求することなくまだ稼働しています。これがこの議論の正直な要約です。つまり、マテリアルはデザインのインプットであり、品質を評価するものではありません。

性能を指定し、設計はそれに従う

結局指定するかどうかトランス巻線の銅とアルミニウムの比較、仕様には、kVA、電圧比、%Z、保証損失、温度上昇、騒音レベル、認証などの性能を記載する必要があります。サプライヤーが価格に見合った損失を見積もっている場合は、どのようにして損失を補ったのかを尋ねてください。サプライヤーが保証損失を書面で記載することを拒否した場合は、その場を立ち去りましょう。実際のリスクは巻線素材ではありませんでした。

Ryan Electric に仕様書または RFQ を送信してください。当社のエンジニアは 48 時間以内に、損失データと認定されたテスト結果を含む推奨材料を返送します。弊社のエンジニアリングチームにお問い合わせください.

著者について: この記事は、UL、CSA、IEEE、DEKRA、CNAS、および CE 認定生産で 120,000 平方メートルの施設を中国で運営する変圧器メーカー、Ryan Electric のエンジニアリング チームによって書かれました。また、2023 年からはイートンの合弁パートナーでもあります。当社は、北米、東南アジア、中東、アフリカのバイヤー向けに、乾式変圧器、液浸変圧器、パッド取り付け変圧器、および特殊変圧器を設計および構築しています。