配電變壓器用漆包銅、鋁扁繞組線高溫蠕變行為研究

陳 娟， 顧文娟， 謝利娜

（上海電纜研究所有限公司特種電纜技術國家重點實驗室，上海200093）

0 引 言

近年來，隨著鋁扁繞組線在變壓器行業中的廣泛使用，銅扁繞組線和鋁扁繞組線在干式配電變壓器中的性能對比越來越受到關注［1］。 其中，銅扁繞組線和鋁扁繞組線的長期蠕變行為是銅、鋁變壓器可靠性和穩定性的重要指標之一［2-3］。 本工作主要是測試干式配電變壓器用漆包銅、鋁扁繞組線的蠕變性能和常規性能，對銅、鋁扁繞組線的可靠性進行評估分析，為變壓器制造企業了解銅、鋁變壓器的差異和選擇可靠的材料與技術，起到一定的參考作用。

1 試驗部分

1.1 扁繞組線樣品

從市場上購置180 級聚酯亞胺漆包銅扁繞組線（QZYB-2／180）和180 級聚酯亞胺漆包鋁扁繞組線（QZYB-2／180L）。

1.2 蠕變試驗參數

根據GB 1094.11—2007《電力變壓器 第11 部分：干式變壓器》［4］、GB／T 1094.12—2013《電力變壓器 第12 部分：干式電力變壓器負載導則》［5］和GB 1094.5—2008《電力變壓器第5 部分：承受短路的能力》［6］標準的規定和實際工作經驗，漆包鋁扁繞組線蠕變試驗的耐受溫度建議設置為160 ℃。 因此銅扁繞組線和鋁扁繞組線蠕變性能對比試驗的試驗溫度設置為160 ℃，耐受應力在35 ～70 MPa（見表 1）。

表1 漆包扁繞組線蠕變試驗條件

1.3 試驗方法

蠕變試驗參照GB／T 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》［7］和 GB／T 4338—2006《金屬材料 高溫拉伸試驗方法》［8］進行。 主要試驗步驟如下：①在將試驗線放入加熱爐中后，在其上施加3 N偏置拉力（在室溫下），用于拉直試驗線并且不產生塑性變形；②使用杠桿系統的自重在試驗線上施加拉伸載荷；③在試驗線上施加要求的拉伸載荷之后，爐內溫度升高到需要的試驗溫度，在蠕變試驗期間保持試驗溫度和載荷恒定，直至試驗結束。

蠕變試驗前后試樣常規性能測試參照GB／T 7095.1—2008《漆包銅扁繞組線 第1 部分：一般規定》［9］、GB／T 7095.4—2008《漆包銅扁繞組線 第4 部 分： 180 級聚酯 亞 胺 漆 包銅 扁線》［10］、 IEC 60317-0-9：2015《特種繞組線標準 第0-9 部分：漆包鋁扁線一般規定》［11］、IEC 60317-74：2018《特種繞組線標準 第74 部分：180 級聚酯亞胺漆包鋁扁線》［12］等標準進行。

2 結果與討論

2.1 應力對銅扁繞組線和鋁扁繞組線蠕變試驗的影響

當試驗溫度設定為160 ℃，耐受應力為35 MPa和70 MPa 時，銅扁繞組線蠕變試驗結果見圖1。

圖1 銅扁繞組線（160 ℃）應力變化對蠕變性能的影響（50 mm 為試驗量程）

由圖1 可知：當耐受應力為35，70 MPa 時，蠕變曲線沒有明顯變化，蠕變時間到達75 h 時仍處于蠕變第二階段。 鋁扁繞組線蠕變試驗如圖2 所示，結果表明，當耐受應力為35 MPa 時，試樣在約10 h 時進入蠕變第二階段，在約50 h 時出現了蠕變第三階段。 當耐受應力大于或等于40 MPa 時，鋁扁繞組線試樣由于承受過大的應力，在極短的時間內直接被拉斷。 由此可以推測，當蠕變試驗溫度一定時，銅扁繞組線的耐受應力高于鋁扁繞組線。

圖2 鋁扁繞組線（160 ℃）應力變化對蠕變性能的影響

通過對試驗結果的分析（見圖3），可以知道：當蠕變試驗溫度為160 ℃、耐受應力為35 MPa 時，銅扁繞組線在蠕變時間為75 h 時仍然處于蠕變第二階段，而鋁扁繞組線在蠕變時間到達約50 h 時就出現了蠕變第三階段，表明相同蠕變試驗條件下，銅扁繞組線的抗蠕變性能比鋁扁繞組線好。

圖3 銅／鋁扁繞組線（160 ℃，35 MPa）應力變化對蠕變性能的影響

2.2 銅／鋁扁繞組線不同蠕變階段試驗結果

為了進一步分析銅／鋁扁繞組線蠕變性能的區別，開展了如下試驗：①在蠕變試驗溫度為160 ℃、耐受應力為35 MPa 條件下，鋁扁繞組線蠕變試驗3 個節點圖片采集：蠕變試驗開始時、蠕變第一階段結束、蠕變第二階段結束；銅扁繞組線圖片采集的時間點設定為鋁扁繞組線蠕變第二階段結束時所用的時間。 ②上述試驗在鋁扁繞組線蠕變第二階段結束后停止，測試導體的絕緣性能、電阻等電氣性能；在與①相同測試條件和蠕變時間（鋁扁繞組線第二階段結束時間）下，測試銅扁繞組線蠕變后試樣的絕緣及電阻等電氣性能。 具體試驗停止時間如下：

Al-stage 1：在蠕變第一階段快結束時停止試驗，試驗時間10 h；

Al-stage 2：在蠕變第二階段快結束時停止試驗，試驗時間72 h；

Cu-stage 2*：在72 h（鋁蠕變第二階段結束時間）停止試驗（“*”表明蠕變試驗停止時，銅扁繞組線仍處于蠕變第二階段）。

不同蠕變階段的蠕變曲線見圖4。

圖4 銅／鋁扁繞組線（160 ℃，35 MPa）不同蠕變階段

由圖4 可知：在蠕變試驗溫度為160 ℃、耐受應力為35 MPa 條件下，試驗時間為10 h 時，鋁扁繞組線從蠕變第一階段進入到蠕變第二階段（Al-stage 1），而銅扁繞組線不能清晰地判斷出是否進入蠕變第二階段；當試驗時間為72 h 時，鋁扁繞組線的蠕變曲線處于第二階段結束（Al-stage 2），而銅扁繞組線仍然處于蠕變第二階段（Cu-stage 2*），由此可以進一步推測出，相同試驗條件下，鋁扁繞組線的蠕變性能比銅扁繞組線明顯。

而對不同蠕變階段試樣表面微觀形貌分析可知，與鋁扁繞組線原始試樣相比［見圖5（a）］，在蠕變第一階段快結束時，試樣表面漆膜輕微鼓泡，沒有明顯的裂紋［見圖5（b）］，而在蠕變第二階段快結束時，試樣表面破損嚴重，漆膜發生鼓泡，有大量明顯的縱向裂紋或缺口［見圖5（c）］。 而在蠕變時間為72 h 時，銅扁繞組線表面漆膜［見圖5（e）］與原始試樣［見圖 5（d）］相比，沒有明顯的變化。 結果表明：在蠕變試驗溫度為 160 ℃、耐受應力為35 MPa條件下，蠕變時間達到72 h 時，鋁扁繞組線試樣發生了較大的變形，導致表面漆膜發生鼓泡、破損等現象，而銅扁繞組線試樣變形較小，表面漆膜未發生明顯變化。

圖5 不同蠕變階段試樣表面微觀形貌

不同蠕變階段試樣的導體尺寸及電氣性能的變化見表2。 通過分析蠕變前后試樣的數據可知：

表2 不同蠕變階段試樣導體尺寸和電氣性能的變化

（1）導體尺寸：與原始試樣相比，Al-stage 2 試樣窄邊縮小了約29%，寬邊縮小了20%；而Cu-stage 2*試樣窄邊縮小了24%，寬邊縮小了8%。 蠕變前后導體尺寸的變化結果表明，相同試驗條件下，鋁扁繞組線試樣截面尺寸收縮比銅扁繞組線試樣明顯。

（2）直流電阻：隨著蠕變時間的增加，鋁扁繞組線和銅扁繞組線試樣的直流電阻均增加。

（3）直流電阻率：兩種試樣的直流電阻率均隨著蠕變時間的增加而降低，與原始試樣相比，Alstage 2 試樣的直流電阻率降低了35%，而Cu-stage 2*試樣降低了5%。 結果表明，在相同試驗條件下，鋁扁繞組線試樣比銅扁繞組線的導電性能降低明顯。

3 結束語

當蠕變試驗溫度為160 ℃時，通過對銅／鋁扁繞組線的耐受應力、蠕變階段、表面形貌、導體尺寸和電氣性能的對比研究可以得到如下結論：

（1）在蠕變試驗溫度為160 ℃時，鋁扁繞組線的耐受應力明顯低于銅扁繞組線；

（2）在蠕變試驗溫度為 160 ℃、耐受應力為35 MPa時，鋁扁繞組線的蠕變行為比銅扁繞組線明顯；

（3）導體尺寸測試結果表明，相同試驗條件下，鋁扁繞組線試樣截面尺寸收縮比銅扁繞組線試樣的明顯；

（4）直流電阻率計算結果表明，相同試驗條件下，鋁扁繞組線試樣導電性能劣化比銅扁繞組線的明顯。

由此可以推測出，在相同蠕變試驗條件下，鋁扁繞組線的抗蠕變性能明顯劣于銅扁繞組線。