林子應(yīng)，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(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 8300472；2.上海申北愛(ài)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(duì)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(xiàn)代化社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)干式電力變壓器的需求量也日趨增大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)生產(chǎn)干式變壓器的制造廠家超過(guò)5000 家，每年可生產(chǎn)數(shù)千萬(wàn)伏安，市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)2 千億人民幣。如此大的規(guī)模下，降低干式變壓器的原材料成本成為當(dāng)前變壓器廠商關(guān)注的重點(diǎn)。目前，變壓器銅箔的價(jià)格已經(jīng)達(dá)到了10 萬(wàn)元/噸。由于銅價(jià)的居高不下，市場(chǎng)上的部分空調(diào)、電纜等產(chǎn)業(yè)采用了以鋁代替銅的方式來(lái)降低產(chǎn)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(chǎn)品，其繞組也可采用與銅箔性質(zhì)相近的鋁箔來(lái)代替，變壓器用鋁箔價(jià)格一直在2.5萬(wàn)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(yōu)勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外干式變壓器繞組用箔發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外干式變壓器繞組用鋁箔發(fā)展?fàn)顩r

用鋁箔代替銅箔或銅線繞制低壓或高壓線圈已經(jīng)是國(guó)外干式變壓器企業(yè)普遍采用的一種方式。國(guó)外干式變壓器廠家有較好的基礎(chǔ)件和基礎(chǔ)材料的制造工藝，重視干式變壓器的運(yùn)行可靠性，持續(xù)向超高壓、大容量方向發(fā)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(guó)外市場(chǎng)主要流通的變壓器。

1.2 國(guó)內(nèi)干式變壓器繞組用鋁箔發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)不同規(guī)格的干式變壓器，或者不同的生產(chǎn)工藝，對(duì)銅箔的寬度要求也不同，國(guó)內(nèi)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(duì)鋁箔的寬度要求也是如此。而在變壓器市場(chǎng)，今后數(shù)年的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)更激烈，各家企業(yè)在產(chǎn)品發(fā)展、技術(shù)水平、質(zhì)量保證上都會(huì)有所提高，由此可以預(yù)測(cè)變壓器用優(yōu)質(zhì)銅箔（鋁箔）的用量將可能呈緩慢上升的趨勢(shì)[1]。另外，由于性能相近，在整個(gè)變壓器的生產(chǎn)中，鋁箔的價(jià)格近年變化不大（約2.5 萬(wàn)元/噸），而銅箔價(jià)格持續(xù)走高（約10萬(wàn)元/噸），使得兩者之間原材料成本差異越來(lái)越大?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在當(dāng)前鋁價(jià)格變動(dòng)不大而銅價(jià)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(lǐng)干式變壓器市場(chǎng)。

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(yīng)用現(xiàn)狀及選擇

國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)制造的干式變壓器存在工藝技術(shù)上的不足，高、低壓線圈的引出端子（銅質(zhì)）與鋁箔線圈之間可靠穩(wěn)定的銅鋁連接技術(shù)問(wèn)題無(wú)法得到完美解決。許多無(wú)法掌握高壓線圈的加工技藝的企業(yè)只能使用銅箔來(lái)繞制高壓線圈。這也是我國(guó)的干式變壓器會(huì)加大干燥性，加大體積，增加損耗的主要原因。又因?qū)w層間電壓減小，從而使高壓線圈抗操作過(guò)電壓的能力降低，影響干式變壓器整機(jī)的使用壽命和運(yùn)行安全。

從制造費(fèi)用考慮，如果銅繞組額定功率降低后的制造費(fèi)用仍比相同額定功率的鋁繞組變壓器高，采用鋁則較經(jīng)濟(jì)[2]。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，鋁在變壓器繞組中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性取決于鋁和銅的價(jià)格比。對(duì)于小于2.5 MVA 的變壓器，采用鋁繞組比銅繞組更經(jīng)濟(jì)。事實(shí)上，全球90%的變壓器容量都小于2.5 MVA。對(duì)于大于2.5 MVA 的變壓器來(lái)說(shuō)，由于鋁繞組的尺寸問(wèn)題，采用鋁繞組并不合適。從載荷和尺寸的角度來(lái)看，在空氣冷卻式變壓器中，采用鋁繞組是經(jīng)濟(jì)且成本較低的選擇。鋁繞組材料是半硬狀態(tài)的線材，其導(dǎo)電率為35×103S/m，伸長(zhǎng)率為12%，抗拉強(qiáng)度為110 MPa，布氏硬度為200。

近年來(lái)，一些額定功率達(dá)到4 MVA 的干式變壓器或油浸變壓器已經(jīng)開(kāi)始采用鋁箔繞組。鋁箔繞組具有優(yōu)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(diǎn)，并且制作該繞組也較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[3]。

2.2 鋁箔和銅箔制造的干式變壓器線圈的技術(shù)性能比較

2.2.1 鋁和銅的機(jī)械性能區(qū)別

銅的機(jī)械強(qiáng)度高于鋁，但干式變壓器使用鋁箔線圈因機(jī)械強(qiáng)度不足而引起的負(fù)面影響近乎于無(wú)。因?yàn)楦墒阶儔浩鞑捎昧苏婵諠仓姆椒▉?lái)繞制高壓線圈，使得線圈內(nèi)沒(méi)有空隙和氣孔。同時(shí)玻璃纖維網(wǎng)骨架安裝在線圈內(nèi)外，將玻璃纖維和樹(shù)脂結(jié)合，使鋁箔和絕緣薄膜緊緊結(jié)合為一整體，這樣增強(qiáng)了鋁箔的機(jī)械強(qiáng)度，制成后的鋁箔高壓線圈足以抵抗突發(fā)短路時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力作用[4]。

2.2.2 鋁導(dǎo)電率略遜于銅

鋁導(dǎo)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(duì)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(shí)，鋁的需要量?jī)H為銅的一半。也正是如此，鋁制線圈導(dǎo)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(shí)所需的材料成本也有所降低，相對(duì)于干式變壓器的銅質(zhì)線圈來(lái)說(shuō)，它的性價(jià)比更加優(yōu)越。

2.2.3 鋁箔線圈抗熱應(yīng)力性能優(yōu)于銅箔或銅線線圈

環(huán)氧樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)為3.3×10-5K-1，鋁材的熱膨脹系數(shù)為2.3×10-5K-1，只比樹(shù)脂小1.0×10-5K-1。干式變壓器的運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)荷的變化會(huì)使干式變壓器線圈的溫度隨著變化，兩個(gè)熱膨脹系數(shù)差別較大的導(dǎo)體和樹(shù)脂之間會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，而樹(shù)脂在過(guò)大熱應(yīng)力反復(fù)作用下會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，所以使用與樹(shù)脂熱膨脹系數(shù)相近的鋁箔線圈，讓樹(shù)脂不容易開(kāi)裂，提高了干式變壓器的防裂性能和安全性[4-5]。

2.3 國(guó)內(nèi)干式變壓器的規(guī)格技術(shù)要求

鋁的導(dǎo)電性能低于銅，在制造同規(guī)格變壓器產(chǎn)品時(shí)，為了達(dá)到能耗要求及容量指標(biāo)，鋁箔在寬度和厚度上要遠(yuǎn)大于銅箔產(chǎn)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(dá)到2500 kVA左右。市場(chǎng)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(jù)此可以推斷常用鋁箔的規(guī)格應(yīng)為寬幅、厚板產(chǎn)品。另外，鋁箔邊部的毛刺極容易造成變壓器局部短路，對(duì)鋁箔切邊質(zhì)量要求較高。其它技術(shù)要求與一般鋁箔材相同，尺寸公差、外觀質(zhì)量、力學(xué)性能等無(wú)特殊要求。

2.4 干式變壓器繞組以鋁代銅的發(fā)展前景分析

干式變壓器的防火性能好，不污染環(huán)境，盡管價(jià)格為油浸式變壓器的2～2.5倍，但其在市場(chǎng)上總的產(chǎn)量仍有增無(wú)減。按照市場(chǎng)趨勢(shì)，今后數(shù)年內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)更激烈。因其良好的安全性，使得干式變壓器在未來(lái)的高層建筑及酒店等方面有很大的發(fā)展前景，由此可以預(yù)測(cè)變壓器用優(yōu)質(zhì)銅箔（鋁箔）的用量將可能呈緩慢上升的趨勢(shì)。未來(lái)幾年里，銅箔（鋁箔）廠將會(huì)有很大的發(fā)展空間，如果能在技術(shù)上進(jìn)行攻關(guān)，克服鋁箔導(dǎo)電性較差和在應(yīng)用性能中存在的少量問(wèn)題，那么在保持鋁銅價(jià)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(lǐng)干式變壓器市場(chǎng)[6-7]。

2.4.1 智能化干式變壓器的發(fā)展前景分析

針對(duì)干式變壓器的智能運(yùn)維需求，以一二次融合技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，干式變壓器的智能化主要有3種方案，即基礎(chǔ)改進(jìn)的智能方案，強(qiáng)化改進(jìn)的智能方案，全感增強(qiáng)的智能方案。并且在各種處理方案中著重強(qiáng)化了故障報(bào)警和高溫處理的預(yù)警，改進(jìn)以變壓器剩余工作年限等相應(yīng)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的算法，加強(qiáng)了變壓器的安全性，擴(kuò)展了變壓器的未來(lái)市場(chǎng)[8-9]。

2.4.2 綠色變壓器發(fā)展的前景分析

綠色變壓器是指變壓器及其組部件在產(chǎn)品使用階段，從選擇材料開(kāi)始、到變壓器的生產(chǎn)和對(duì)運(yùn)行中的維護(hù)及返廠中的重置都符合節(jié)約能源和材料、低碳環(huán)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(jìn)方法，節(jié)約鐵芯和導(dǎo)線的制造材料，在節(jié)約能源和材料的條件下進(jìn)一步地加強(qiáng)安全性能和降低噪音，同時(shí)利用鋁箔作為導(dǎo)電材料加強(qiáng)其輕便性，使變壓器未來(lái)發(fā)展更符合當(dāng)下能源的時(shí)代背景[10]。

3 干式變壓器繞組以鋁代銅存在的問(wèn)題

3.1 鋁制干式變壓器鋁箔質(zhì)量問(wèn)題

國(guó)內(nèi)大多數(shù)鋁箔變壓器使用的鋁箔都是國(guó)產(chǎn)的，其基本可以達(dá)到普通的干式變壓器使用要求。只有生產(chǎn)一些質(zhì)量要求較高的出口變壓器時(shí)，會(huì)使用日本進(jìn)口箔，成本會(huì)提高很多。與日本進(jìn)口箔相比，國(guó)產(chǎn)變壓器用箔主要存在的問(wèn)題是導(dǎo)電率不穩(wěn)定、箔面不平整以及邊部毛刺多。

國(guó)內(nèi)干式變壓器主要的故障為繞組故障和鐵芯故障，對(duì)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(shí)的變壓器仍在高強(qiáng)度地工作，其中的高電壓大概率會(huì)擊穿空氣，出現(xiàn)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(yè)，每生產(chǎn)1 t 鋁，需要消耗大約13200 kW·h 時(shí)電量，火電居多，是溫室氣體排放量較大的行業(yè)。為適應(yīng)國(guó)家低碳綠色發(fā)展的需要，降低碳排放，推進(jìn)供給側(cè)改革，需要修訂電解鋁單位產(chǎn)品能源消耗限額標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)層面支持行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，減少電解鋁排放的溫室氣體，提升鋁制品在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力[11]。

3.3 鋁制干式變壓器出現(xiàn)故障原因

市場(chǎng)上的部分廠家為降低成本，以劣質(zhì)的鋁制導(dǎo)線代替銅制導(dǎo)線，增加了變壓器的風(fēng)險(xiǎn)性，降低其安全性。根據(jù)干式變壓器的故障研究報(bào)告顯示，每100臺(tái)故障變壓器中有23.44%會(huì)產(chǎn)生顯著的社會(huì)危害，據(jù)此，必須整頓市場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)部分廠家以劣質(zhì)鋁導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線，增加了干式變壓器的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也降低了中國(guó)市場(chǎng)的可信度。因此，應(yīng)加強(qiáng)市場(chǎng)監(jiān)管，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4 鋁制線圈易氧化增加熱效應(yīng)和電阻率的原因及改進(jìn)方法

以金屬性質(zhì)來(lái)看，銅與氧化銅的性質(zhì)差距不大，導(dǎo)電率和熱效應(yīng)相近，而氧化鋁的熱效應(yīng)和電阻率都高于鋁金屬，鋁制線圈易發(fā)熱，壽命低于銅制線圈。

可在鋁制導(dǎo)線的端口處使用銅鋁過(guò)渡端子接頭以減少鋁端口處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕后增加的熱效應(yīng)，提高鋁制導(dǎo)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(dǎo)電率

（1）改進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)純鋁的制備工藝。提高純鋁制品的拉拔變形度，當(dāng)變形量超過(guò)83.1%以后，強(qiáng)度和導(dǎo)電率不再相互制約，出現(xiàn)“反常強(qiáng)度-導(dǎo)電率關(guān)系”，強(qiáng)度和導(dǎo)電率轉(zhuǎn)而同步提升，以制備高導(dǎo)電率工業(yè)純鋁材料[12]。

（2）將鋁和銅兩種不同的導(dǎo)體利用機(jī)械或冶金方法制成復(fù)合材料，使其復(fù)合成一體。或以其他金屬?gòu)?fù)合鋁制備鋁合金，應(yīng)用Al-Mg-Si-Mn-Ni 合金制成的鋁制品具有高強(qiáng)度、耐沖擊的特性，兼有適當(dāng)?shù)纳扉L(zhǎng)率和導(dǎo)電率。

4.2 高導(dǎo)電率鋁箔的工藝路線和研究方向

（1）通過(guò)調(diào)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(yōu)良的高導(dǎo)電率硬鋁合金成分[13]。

（2）通過(guò)優(yōu)化制備工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

（3）采用高效排雜凈化熔劑，提高鋁合金的凈化效果，對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，提高鋁導(dǎo)電性能[13]。

4.3 先進(jìn)鋁制導(dǎo)體新材料的創(chuàng)新發(fā)展

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

5 結(jié)論

本文對(duì)干式變壓器用鋁箔和銅箔兩種繞組材料的機(jī)械性能、導(dǎo)電性能、物理性能、工藝技術(shù)及安全性等進(jìn)行了全面的對(duì)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(chǎn)量以及提高其穩(wěn)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(jìn)措施。隨著鋁合金加工技術(shù)的進(jìn)步，提高鋁合金材料的導(dǎo)電性能的同時(shí)，降低其熱效應(yīng)，保證鋁箔產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)出的穩(wěn)定，以此為干式變壓器的繞組提供更好的材料。改進(jìn)鋁的制備工藝和材料合成的技術(shù)研發(fā)，彌補(bǔ)使用鋁箔繞組材料的不足之處。并提出可通過(guò)提高鋁的拉拔變形度制備鋁合金、調(diào)整鋁導(dǎo)線中鋁液的成分以提高鋁的導(dǎo)電率。以此預(yù)測(cè)，未來(lái)的電器中鋁導(dǎo)線的應(yīng)用前景將更加廣闊。