干式變壓器繞組以鋁代銅可行性研究

林子應，董曉紅，趙子牛，李星慧，阿卜杜瓦哈普·阿卜力克木

（1.新疆工程學院機電工程學院，烏魯木齊 8300472；2.上海申北愛信諾航天信息有限公司，上海 200070）

0 前言

干式變壓器是依靠空氣對流冷卻，廣泛用于局部照明、電子線路等的小容量變壓器。隨著現代化社會經濟快速發展，市場對干式電力變壓器的需求量也日趨增大。據不完全統計，我國生產干式變壓器的制造廠家超過5000 家，每年可生產數千萬伏安，市場規模超過2 千億人民幣。如此大的規模下，降低干式變壓器的原材料成本成為當前變壓器廠商關注的重點。目前，變壓器銅箔的價格已經達到了10 萬元/噸。由于銅價的居高不下，市場上的部分空調、電纜等產業采用了以鋁代替銅的方式來降低產品成本，干式變壓器作為一種制造工藝占比較低，制造材料占比較高的產品，其繞組也可采用與銅箔性質相近的鋁箔來代替，變壓器用鋁箔價格一直在2.5萬元/噸左右，相比之下，干式變壓器繞組以鋁代銅，有著較大的成本優勢。

1 國內外干式變壓器繞組用箔發展現狀

1.1 國外干式變壓器繞組用鋁箔發展狀況

用鋁箔代替銅箔或銅線繞制低壓或高壓線圈已經是國外干式變壓器企業普遍采用的一種方式。國外干式變壓器廠家有較好的基礎件和基礎材料的制造工藝，重視干式變壓器的運行可靠性，持續向超高壓、大容量方向發展，有較為成熟的干式變壓器制造工藝和鋁箔加工工藝。鋁箔繞組的干式變壓器是國外市場主要流通的變壓器。

1.2 國內干式變壓器繞組用鋁箔發展狀況

國內不同規格的干式變壓器，或者不同的生產工藝，對銅箔的寬度要求也不同，國內干式變壓器銅箔的寬度一般要求為700 mm、800 mm 及其以上，500 mm 以下的較少，對鋁箔的寬度要求也是如此。而在變壓器市場，今后數年的競爭將會更激烈，各家企業在產品發展、技術水平、質量保證上都會有所提高，由此可以預測變壓器用優質銅箔（鋁箔）的用量將可能呈緩慢上升的趨勢[1]。另外，由于性能相近，在整個變壓器的生產中，鋁箔的價格近年變化不大（約2.5 萬元/噸），而銅箔價格持續走高（約10萬元/噸），使得兩者之間原材料成本差異越來越大。可以預見，在當前鋁價格變動不大而銅價飛漲的情況下，鋁箔將有可能大部分甚至全部代替銅箔占領干式變壓器市場。

2 干式變壓器繞組以鋁代銅可行性分析

2.1 干式變壓器“以鋁代銅”應用現狀及選擇

國內絕大多數企業制造的干式變壓器存在工藝技術上的不足，高、低壓線圈的引出端子（銅質）與鋁箔線圈之間可靠穩定的銅鋁連接技術問題無法得到完美解決。許多無法掌握高壓線圈的加工技藝的企業只能使用銅箔來繞制高壓線圈。這也是我國的干式變壓器會加大干燥性，加大體積，增加損耗的主要原因。又因導體層間電壓減小，從而使高壓線圈抗操作過電壓的能力降低，影響干式變壓器整機的使用壽命和運行安全。

從制造費用考慮，如果銅繞組額定功率降低后的制造費用仍比相同額定功率的鋁繞組變壓器高，采用鋁則較經濟[2]。從經濟性角度考慮，鋁在變壓器繞組中應用的經濟性取決于鋁和銅的價格比。對于小于2.5 MVA 的變壓器，采用鋁繞組比銅繞組更經濟。事實上，全球90%的變壓器容量都小于2.5 MVA。對于大于2.5 MVA 的變壓器來說，由于鋁繞組的尺寸問題，采用鋁繞組并不合適。從載荷和尺寸的角度來看，在空氣冷卻式變壓器中，采用鋁繞組是經濟且成本較低的選擇。鋁繞組材料是半硬狀態的線材，其導電率為35×103S/m，伸長率為12%，抗拉強度為110 MPa，布氏硬度為200。

近年來，一些額定功率達到4 MVA 的干式變壓器或油浸變壓器已經開始采用鋁箔繞組。鋁箔繞組具有優秀的熱耗散性能、高抗短路電流能力和改善電壓分布的特點，并且制作該繞組也較容易實現自動化[3]。

2.2 鋁箔和銅箔制造的干式變壓器線圈的技術性能比較

2.2.1 鋁和銅的機械性能區別

銅的機械強度高于鋁，但干式變壓器使用鋁箔線圈因機械強度不足而引起的負面影響近乎于無。因為干式變壓器采用了真空澆筑的方法來繞制高壓線圈，使得線圈內沒有空隙和氣孔。同時玻璃纖維網骨架安裝在線圈內外，將玻璃纖維和樹脂結合，使鋁箔和絕緣薄膜緊緊結合為一整體，這樣增強了鋁箔的機械強度，制成后的鋁箔高壓線圈足以抵抗突發短路時產生的機械應力作用[4]。

2.2.2 鋁導電率略遜于銅

鋁導電率低于銅，因此必須擁有1.64倍于銅線圈的截面積，才能使鋁線圈與銅線圈的電阻值相同。但鋁的密度相對于銅而言僅為其1/3，因此在制作相同電阻值的線圈和輸送同樣的電能時，鋁的需要量僅為銅的一半。也正是如此，鋁制線圈導線才能更好地滿足輕量化的需求。而且通常鋁代替銅制造線圈時所需的材料成本也有所降低，相對于干式變壓器的銅質線圈來說，它的性價比更加優越。

2.2.3 鋁箔線圈抗熱應力性能優于銅箔或銅線線圈

環氧樹脂的熱膨脹系數為3.3×10-5K-1，鋁材的熱膨脹系數為2.3×10-5K-1，只比樹脂小1.0×10-5K-1。干式變壓器的運行過程中，負荷的變化會使干式變壓器線圈的溫度隨著變化，兩個熱膨脹系數差別較大的導體和樹脂之間會產生熱應力，而樹脂在過大熱應力反復作用下會出現開裂現象，所以使用與樹脂熱膨脹系數相近的鋁箔線圈，讓樹脂不容易開裂，提高了干式變壓器的防裂性能和安全性[4-5]。

2.3 國內干式變壓器的規格技術要求

鋁的導電性能低于銅，在制造同規格變壓器產品時，為了達到能耗要求及容量指標，鋁箔在寬度和厚度上要遠大于銅箔產品，例如，同是800 mm幅寬，鋁繞組變壓器的容量一般在1500 kVA以下，而銅則能達到2500 kVA左右。市場中常用銅箔的厚度為0.5～1.6 mm，寬度從400 mm 至1600 mm 不等。據此可以推斷常用鋁箔的規格應為寬幅、厚板產品。另外，鋁箔邊部的毛刺極容易造成變壓器局部短路，對鋁箔切邊質量要求較高。其它技術要求與一般鋁箔材相同，尺寸公差、外觀質量、力學性能等無特殊要求。

2.4 干式變壓器繞組以鋁代銅的發展前景分析

干式變壓器的防火性能好，不污染環境，盡管價格為油浸式變壓器的2～2.5倍，但其在市場上總的產量仍有增無減。按照市場趨勢，今后數年內競爭將會更激烈。因其良好的安全性，使得干式變壓器在未來的高層建筑及酒店等方面有很大的發展前景，由此可以預測變壓器用優質銅箔（鋁箔）的用量將可能呈緩慢上升的趨勢。未來幾年里，銅箔（鋁箔）廠將會有很大的發展空間，如果能在技術上進行攻關，克服鋁箔導電性較差和在應用性能中存在的少量問題，那么在保持鋁銅價格不變的情況下，鋁箔將有可能大部分或全部代替銅箔占領干式變壓器市場[6-7]。

2.4.1 智能化干式變壓器的發展前景分析

針對干式變壓器的智能運維需求，以一二次融合技術及物聯網技術為基礎，干式變壓器的智能化主要有3種方案，即基礎改進的智能方案，強化改進的智能方案，全感增強的智能方案。并且在各種處理方案中著重強化了故障報警和高溫處理的預警，改進以變壓器剩余工作年限等相應的數據為基礎的算法，加強了變壓器的安全性，擴展了變壓器的未來市場[8-9]。

2.4.2 綠色變壓器發展的前景分析

綠色變壓器是指變壓器及其組部件在產品使用階段，從選擇材料開始、到變壓器的生產和對運行中的維護及返廠中的重置都符合節約能源和材料、低碳環保和剩余材料可再一次使用的變壓器。使用干式變壓器的鐵芯改進方法，節約鐵芯和導線的制造材料，在節約能源和材料的條件下進一步地加強安全性能和降低噪音，同時利用鋁箔作為導電材料加強其輕便性，使變壓器未來發展更符合當下能源的時代背景[10]。

3 干式變壓器繞組以鋁代銅存在的問題

3.1 鋁制干式變壓器鋁箔質量問題

國內大多數鋁箔變壓器使用的鋁箔都是國產的，其基本可以達到普通的干式變壓器使用要求。只有生產一些質量要求較高的出口變壓器時，會使用日本進口箔，成本會提高很多。與日本進口箔相比，國產變壓器用箔主要存在的問題是導電率不穩定、箔面不平整以及邊部毛刺多。

國內干式變壓器主要的故障為繞組故障和鐵芯故障，對于繞組故障而言，主要原因是繞組之間存在部分空隙，若此時的變壓器仍在高強度地工作，其中的高電壓大概率會擊穿空氣，出現閘間的短路。

3.2 鋁制干式變壓器原材料能源消耗較大

干式變壓器鋁箔原材料電解鋁屬于高耗能行業，每生產1 t 鋁，需要消耗大約13200 kW·h 時電量，火電居多，是溫室氣體排放量較大的行業。為適應國家低碳綠色發展的需要，降低碳排放，推進供給側改革，需要修訂電解鋁單位產品能源消耗限額標準，從技術層面支持行業轉型發展，減少電解鋁排放的溫室氣體，提升鋁制品在國際上的競爭力[11]。

3.3 鋁制干式變壓器出現故障原因

市場上的部分廠家為降低成本，以劣質的鋁制導線代替銅制導線，增加了變壓器的風險性，降低其安全性。根據干式變壓器的故障研究報告顯示，每100臺故障變壓器中有23.44%會產生顯著的社會危害，據此，必須整頓市場產品質量。目前國內部分廠家以劣質鋁導線代替銅導線，增加了干式變壓器的風險，同時也降低了中國市場的可信度。因此，應加強市場監管，確保產品質量。

3.4 鋁制線圈易氧化增加熱效應和電阻率的原因及改進方法

以金屬性質來看，銅與氧化銅的性質差距不大，導電率和熱效應相近，而氧化鋁的熱效應和電阻率都高于鋁金屬，鋁制線圈易發熱，壽命低于銅制線圈。

可在鋁制導線的端口處使用銅鋁過渡端子接頭以減少鋁端口處產生電化學腐蝕后增加的熱效應，提高鋁制導線的使用壽命和安全性能。

4 干式變壓器以鋁代銅采取的措施

4.1 提高鋁的導電率

（1）改進傳統工業純鋁的制備工藝。提高純鋁制品的拉拔變形度，當變形量超過83.1%以后，強度和導電率不再相互制約，出現“反常強度-導電率關系”，強度和導電率轉而同步提升，以制備高導電率工業純鋁材料[12]。

（2）將鋁和銅兩種不同的導體利用機械或冶金方法制成復合材料，使其復合成一體。或以其他金屬復合鋁制備鋁合金，應用Al-Mg-Si-Mn-Ni 合金制成的鋁制品具有高強度、耐沖擊的特性，兼有適當的伸長率和導電率。

4.2 高導電率鋁箔的工藝路線和研究方向

（1）通過調整制備鋁液的成分、控制其中敏感元素成分以及微合金化等方法獲得性能更優良的高導電率硬鋁合金成分[13]。

（2）通過優化制備工藝、簡化生產過程進一步降低生產成本。

（3）采用高效排雜凈化熔劑，提高鋁合金的凈化效果，對其進行合理設計，提高鋁導電性能[13]。

4.3 先進鋁制導體新材料的創新發展

膜包和組合膜包矩形鋁絞線已成功應用于特超高壓輸電線路的電抗器繞組線圈中。此項技術具有很強的借鑒性，有效改善了趨膚效應，減少了渦流損耗，具有良好的均勻的電氣性能。

5 結論

本文對干式變壓器用鋁箔和銅箔兩種繞組材料的機械性能、導電性能、物理性能、工藝技術及安全性等進行了全面的對比，表明以鋁代銅是減輕原料壓力和降低干式變壓器成本、增加產量以及提高其穩定性的有效手段。論證了干式變壓器繞組材料“以鋁代銅”的可行性，并提出了干式變壓器中“以鋁代銅”改進措施。隨著鋁合金加工技術的進步，提高鋁合金材料的導電性能的同時，降低其熱效應，保證鋁箔產品質量和產出的穩定，以此為干式變壓器的繞組提供更好的材料。改進鋁的制備工藝和材料合成的技術研發，彌補使用鋁箔繞組材料的不足之處。并提出可通過提高鋁的拉拔變形度制備鋁合金、調整鋁導線中鋁液的成分以提高鋁的導電率。以此預測，未來的電器中鋁導線的應用前景將更加廣闊。