電力變壓器換位導線的工藝研究和試制

摘 要：文章描述了電力變壓器換位導線的生產新工藝、設備的技術參數、設備的自動控制參數設定，研究換位導線的生產方法、工藝流程和質量控制，并進行了試制，滿足設計要求，說明該產品節能、節材，經濟效益高。

關鍵詞：換位導線；尺寸偏差；連續擠壓；半硬化；換位節距

在西電東送的背景下，新疆即將建立三條特高壓輸電線路，需求質量高、結構優、長期運行安全可靠的電力變壓器。新疆具有一定規模的電力變壓器制造企業約3家，尚無企業能夠進行批量化生產換位導線，所需換位導線均需內地采購，運距長、運輸質量無法保證，存在較大的質量隱患。由于電力變壓器結構及成本的優化，需要大量的換位導線制造繞組，以提高電力變壓器的綜合質量。國內經歷了10～12年制造換位導線，目前工藝尚不成熟、完善。研究生產換位導線，將會提升新疆的資源的利用并提升電力變壓器制造的技術含量。[1][2][3]

換位導線是一組多根漆包扁線（一般為奇數根）按照一定的節距（根據線圈中心尺寸，一般為根數的整數倍）進行連續換位，形成一整根導線。換位導線的生產工藝流程為：模具制造-銅（鋁）導體制造-導體半硬化-漆包-換位。

1 導體尺寸偏差控制

導體尺寸偏差的關鍵在于模具形狀、模具表面質量、擠壓溫度有比較大的關系，通過對模具的形狀、模具的表面質量、擠壓溫度的研究來解決，擠壓模具的材料為特種鑄造合金CO20，模具形狀按照區域分：入口區、定徑區、出口區。

1.1 模具的入口為導流軟態導體進入模具定徑區，使設備負荷降低，控制擠壓腔內部溫度、防止模具口塌陷或破損的作用，通過不斷試驗，通過測定設備負荷最終得到較合理的數據：入口區長度（0.5～0.8）mm，入口錐度（90±5）°，表面光潔度0.8，使用鉆石粉拋光。

1.2 模孔中的直邊部分稱為模具定徑區，使導流體形成穩定形狀的區域，是決定模具的使用壽命、產品尺寸的重要因素。較長的定徑帶會增加擠壓時金屬流動的阻力并容易粘附氧化物；較短的定徑帶會加速模具的磨損并使模口容易損壞。該區域對導體尺寸變化、設備負荷起較大作用，通過試驗得到定徑區長度（1.8～2.5）mm，表面光潔度0.1，使用鉆石粉拋光。

1.3 出口區由定徑帶末端開始呈（5 ±1）°的喇叭形，模具定徑區與喇叭形出口結合處應平滑相交，該區域與導體之間形成楔形，（800～900）℃的導體從模具定徑區進入，在防氧化管內消耗去氧氣，迅速產生水蒸氣，先有水蒸氣對導體進行初次降溫，降溫后的導體進入蒸餾水中繼續進行降溫，對導體起著冷卻、防氧化作用，同時防止導體產生刮碰，出口錐度（8～12）°，表面光潔度0.8，使用鉆石粉拋光。

1.4 根據以上試驗，最終得出理想的模具形狀如下圖：

2 導體半硬化的偏差控制

通過連續擠壓成形后的導體電阻率低、塑性好、易成型；但機械強度較差，強度低，線圈受壓后導體表面不平整，高場強下易產生局放；制造變壓器線圈后變壓器抗突發短路能力差，存在較大的質量隱患。通過半硬化處理，可在滿足導體電阻率的情況下，較好的提高變壓器抗突發短路能力，提高變壓器的運行穩定性。但原工藝中半硬導線制造采用的熱處理不能達到合理的硬度，屈服強度σp0.2的生產偏差超過了20%，同時操作過程不可控，在實際生產中不能得到滿足需求的產品。新工藝采用機械強化的方法可以將屈服強度σp0.2的生產偏差控制在小于10%，從而提高線圈繞制工藝質量。可以實施的方法是：

2.1 通過連續機械彎曲進行強化：對導體預留一定的變形量，采用多對輥輪，使導體在輥輪上進行連續彎曲變形而使導體截面面積減小，導體經過連續的機械彎曲，使金屬晶體晶粒細化、排列更加整齊致密，導體整體得到了強化。通過試驗增加輥輪對數、使用合理的輥輪直徑、調節導體的彎曲量進行數據采集并分析。經過綜合比較，輥輪采用寬度55mm，直徑φ48的滾針軸承，上下輥輪中心錯開100mm；輥輪對數選擇4對；導線彎曲量根據屈服強度值進行調節，能夠達到將導體的屈服強度σp0.2值控制在±10%的范圍內。通過分析研究制作工裝進行試制，導體的機械強度可通過擠壓產品尺寸變形量（偏差）進行可靠控制，該工裝生產，班產30噸，定額1人，生產100噸產品后只需將輥輪表面使用鉆石粉進行拋光，生產成本小，效率高。

2.2 導體硬化前產品截面厚度尺寸a與對應控制尺寸變形量如下表

單位：mm

3 確定換位節距計算方法，滿足線圈繞制工藝質量

換位導線的換位節距在標準中規定為（5～12）b（b為導體寬度），但在實際使用中存在導線難繞制，線圈回彈力較大，線圈出頭固定困難的問題。對以上問題進行分析研究，產生問題的原因在于線圈直徑千差萬別，而換位導線節距要求較籠統，導線在繞制過程中換位不完全，內部產生較大的應力，導致線圈繞制難度增大。通過分析完全換位次數等要求，使用換位導線生產設備進行導線換位。換位導線的根數一般為奇數根，利于換位設備的生產。換位導線的最小根數為5根，目前最大根數為109根，使用最普遍的是47根及以下，可以得到較高的生產效率。換位節距設置為每圈導線最低滿足1個完整的換位。根據調整，使設備彎曲換位的節距h大于5b（b是扁線寬度），通過調整放線絞籠與線速度之間的速率比實現的，對于換位節距，按照理論要求應為完整換位：

即N=L/h（N為自然整數）

其中N為整個線圈理論換位節距數量；

L為理論線圈長度；

h為節距長度；

通過試驗，將導線的換位節距調整為（5～12）b（b為導體寬度）、換位節距為每圈導線最低滿足1個完整的換位，可以導線難繞制，線圈回彈力較大，線圈出頭固定困難的難題。

4 換位導線的試制

根據換位導線生產的工序以及工藝流程，進行換位導線HQQ（N）-0.1/2.95-（15）-1.15×6.3的試制，

4.1 模具制作并生產導體

模具采用Ⅰ型擠壓模，模具厚度尺寸1.34mm（模具偏差0.15+半硬線偏差0.03），模具寬度尺寸6.38mm（模具偏差0.03+半硬線偏差0.05），在儀器下測量模具入口區尺寸0.6mm，入口錐度92°，表面光潔度0.8；定徑區尺寸2mm；表面光潔度0.1，出口區出口錐度10°，表面光潔度0.8。

將模具安裝到TRJ-300銅連續擠壓機組上進行導體生產，啟動設備后，產品表面光潔、平整，無劃痕，測量導體尺寸為1.185×6.355，符合標準要求；檢查設備電流，設備運行電流為123～138A，運行穩定，波動小；檢查設備轉速為12rpm，導體生產速度為108米/秒min。

4.2 將導線安裝到半硬線生產工裝上進行導體半硬化，上下輥輪間距調整為65mm，生產后測量導線尺寸1.16×6.31，取樣測量導線屈服強度σp0.2=151Mpa。導線屈服強度值偏小，導線尺寸偏大，需進行調整，將上下輥輪間距調整為58mm后測量導線尺寸1.15×6.285，取樣測量導線屈服強度σp0.2=161Mpa。導線屈服強度值滿足σp0.2=160±10Mpa的要求。

4.3 進行換位導線換位生產

4.3.1 線圈的直徑為φ2500mm，線圈高度1800mm，線圈匝高12.25mm，則線圈總匝數為N=1800/12.25=146.92，圓整為147匝；每匝線圈長度L0=φ2500×3.14=7850mm；根據h≥5b，則h≥5×6.3 ，最小換位節距h≥31.5mm，計算1次完全換位的換位節距h=7850/15=523.3mm，2次完全換位的換位節距h=7850/（2×15）=261.6mm，依此類推；確定最優的換位次數為8次，節距為最小節距的2倍，則實際導線換位節距h=7850/（8×15）=65.4mm，圓整為65mm；調整換位導線機步進節距為65進行換位導線生產。

4.3.2 在調整好的換位導線機上安裝導線（注意做好防塵、防碰撞措施），調整好線盤位置，按照序號將15個線盤上到換位導線機絞籠的搖籃架上（注意序號不要上錯），緊固并調整好線盤張力，上好線盤后按照線盤穿孔標記并與線盤號相對應將漆包線引到強迫退扭裝置，按照線盤排列號將導線按照順序并成兩列（導線按照逆時針方向排列，由下往上，第一根左下，第二根右下，第三根排在第一根上部，第四根排在第二根上部，以此類推，第十五根排在第十三根上部），將排列好的兩列導線送入換位頭的中心孔內，調整好換位頭的換位機構，設定好機組的速度比，輸入換位節距尺寸，進行數據修正。啟動主機進行換位加工，測量換位節距，復核修正值，根據修正值進行修正。

5 解決換位導線問題產生的成果

導線生產好后進行線圈繞制、烘干、固化、裝配、試驗，各項性能均為優秀，線圈工效提高15%，環流現象降低25%，空載損耗降低10%，生產周期縮短20%，變壓器試驗一次通過抗突發短路驗證。通過以上各項試驗數據，均能滿足用戶及設計要求，換位導線試制成功，工藝符合設計要求。

6 結束語

通過對換位導線生產工藝研究和試制，完善了換位導線生產工藝，使換位導線的各項性能均達到了設計要求。解決了生產過程中的瓶頸問題，提高了生產效率，提高電力變壓器產品的運行可靠性。

參考文獻

[1]龔仲華，孫毅，史建成.數控機床[M].北京：人民郵電出版社，2006，1.

[2]變壓器制造技術叢書編審委員會.變壓器處理工藝[M].北京：機械工業出版社，1998，6：1-68.

[3]伊克寧.變壓器設計原理[M].北京：中國電力出版社，2003，10.

[4]沈其文，徐鴻本.機械制造工藝禁忌手冊[C].機械工業出版社，2001，1：1-68

[5]姜佩東.液壓與氣動技術[M].北京：高等教育出版社，2000，8.

[6]王樹勛，蘇樹珊.模具實用技術設計手冊[C].華南理工大學出版社 （2003年第二版第六次印刷）.

作者簡介：劉燕（1975，10-），陜西定邊人，女，新疆，高級講師，新疆農業大學機械交通學院碩士研究生（自動化控制方向）。