干式变压器绕组以铝代铜可行性研究

林子应，董晓红，赵子牛，李星慧，阿卜杜瓦哈普·阿卜力克木

（1.新疆工程学院机电工程学院，乌鲁木齐 8300472；2.上海申北爱信诺航天信息有限公司，上海 200070）

0 前言

干式变压器是依靠空气对流冷却，广泛用于局部照明、电子线路等的小容量变压器。随着现代化社会经济快速发展，市场对干式电力变压器的需求量也日趋增大。据不完全统计，我国生产干式变压器的制造厂家超过5000 家，每年可生产数千万伏安，市场规模超过2 千亿人民币。如此大的规模下，降低干式变压器的原材料成本成为当前变压器厂商关注的重点。目前，变压器铜箔的价格已经达到了10 万元/吨。由于铜价的居高不下，市场上的部分空调、电缆等产业采用了以铝代替铜的方式来降低产品成本，干式变压器作为一种制造工艺占比较低，制造材料占比较高的产品，其绕组也可采用与铜箔性质相近的铝箔来代替，变压器用铝箔价格一直在2.5万元/吨左右，相比之下，干式变压器绕组以铝代铜，有着较大的成本优势。

1 国内外干式变压器绕组用箔发展现状

1.1 国外干式变压器绕组用铝箔发展状况

用铝箔代替铜箔或铜线绕制低压或高压线圈已经是国外干式变压器企业普遍采用的一种方式。国外干式变压器厂家有较好的基础件和基础材料的制造工艺，重视干式变压器的运行可靠性，持续向超高压、大容量方向发展，有较为成熟的干式变压器制造工艺和铝箔加工工艺。铝箔绕组的干式变压器是国外市场主要流通的变压器。

1.2 国内干式变压器绕组用铝箔发展状况

国内不同规格的干式变压器，或者不同的生产工艺，对铜箔的宽度要求也不同，国内干式变压器铜箔的宽度一般要求为700 mm、800 mm 及其以上，500 mm 以下的较少，对铝箔的宽度要求也是如此。而在变压器市场，今后数年的竞争将会更激烈，各家企业在产品发展、技术水平、质量保证上都会有所提高，由此可以预测变压器用优质铜箔（铝箔）的用量将可能呈缓慢上升的趋势[1]。另外，由于性能相近，在整个变压器的生产中，铝箔的价格近年变化不大（约2.5 万元/吨），而铜箔价格持续走高（约10万元/吨），使得两者之间原材料成本差异越来越大。可以预见，在当前铝价格变动不大而铜价飞涨的情况下，铝箔将有可能大部分甚至全部代替铜箔占领干式变压器市场。

2 干式变压器绕组以铝代铜可行性分析

2.1 干式变压器“以铝代铜”应用现状及选择

国内绝大多数企业制造的干式变压器存在工艺技术上的不足，高、低压线圈的引出端子（铜质）与铝箔线圈之间可靠稳定的铜铝连接技术问题无法得到完美解决。许多无法掌握高压线圈的加工技艺的企业只能使用铜箔来绕制高压线圈。这也是我国的干式变压器会加大干燥性，加大体积，增加损耗的主要原因。又因导体层间电压减小，从而使高压线圈抗操作过电压的能力降低，影响干式变压器整机的使用寿命和运行安全。

从制造费用考虑，如果铜绕组额定功率降低后的制造费用仍比相同额定功率的铝绕组变压器高，采用铝则较经济[2]。从经济性角度考虑，铝在变压器绕组中应用的经济性取决于铝和铜的价格比。对于小于2.5 MVA 的变压器，采用铝绕组比铜绕组更经济。事实上，全球90%的变压器容量都小于2.5 MVA。对于大于2.5 MVA 的变压器来说，由于铝绕组的尺寸问题，采用铝绕组并不合适。从载荷和尺寸的角度来看，在空气冷却式变压器中，采用铝绕组是经济且成本较低的选择。铝绕组材料是半硬状态的线材，其导电率为35×103S/m，伸长率为12%，抗拉强度为110 MPa，布氏硬度为200。

近年来，一些额定功率达到4 MVA 的干式变压器或油浸变压器已经开始采用铝箔绕组。铝箔绕组具有优秀的热耗散性能、高抗短路电流能力和改善电压分布的特点，并且制作该绕组也较容易实现自动化[3]。

2.2 铝箔和铜箔制造的干式变压器线圈的技术性能比较

2.2.1 铝和铜的机械性能区别

铜的机械强度高于铝，但干式变压器使用铝箔线圈因机械强度不足而引起的负面影响近乎于无。因为干式变压器采用了真空浇筑的方法来绕制高压线圈，使得线圈内没有空隙和气孔。同时玻璃纤维网骨架安装在线圈内外，将玻璃纤维和树脂结合，使铝箔和绝缘薄膜紧紧结合为一整体，这样增强了铝箔的机械强度，制成后的铝箔高压线圈足以抵抗突发短路时产生的机械应力作用[4]。

2.2.2 铝导电率略逊于铜

铝导电率低于铜，因此必须拥有1.64倍于铜线圈的截面积，才能使铝线圈与铜线圈的电阻值相同。但铝的密度相对于铜而言仅为其1/3，因此在制作相同电阻值的线圈和输送同样的电能时，铝的需要量仅为铜的一半。也正是如此，铝制线圈导线才能更好地满足轻量化的需求。而且通常铝代替铜制造线圈时所需的材料成本也有所降低，相对于干式变压器的铜质线圈来说，它的性价比更加优越。

2.2.3 铝箔线圈抗热应力性能优于铜箔或铜线线圈

环氧树脂的热膨胀系数为3.3×10-5K-1，铝材的热膨胀系数为2.3×10-5K-1，只比树脂小1.0×10-5K-1。干式变压器的运行过程中，负荷的变化会使干式变压器线圈的温度随着变化，两个热膨胀系数差别较大的导体和树脂之间会产生热应力，而树脂在过大热应力反复作用下会出现开裂现象，所以使用与树脂热膨胀系数相近的铝箔线圈，让树脂不容易开裂，提高了干式变压器的防裂性能和安全性[4-5]。

2.3 国内干式变压器的规格技术要求

铝的导电性能低于铜，在制造同规格变压器产品时，为了达到能耗要求及容量指标，铝箔在宽度和厚度上要远大于铜箔产品，例如，同是800 mm幅宽，铝绕组变压器的容量一般在1500 kVA以下，而铜则能达到2500 kVA左右。市场中常用铜箔的厚度为0.5～1.6 mm，宽度从400 mm 至1600 mm 不等。据此可以推断常用铝箔的规格应为宽幅、厚板产品。另外，铝箔边部的毛刺极容易造成变压器局部短路，对铝箔切边质量要求较高。其它技术要求与一般铝箔材相同，尺寸公差、外观质量、力学性能等无特殊要求。

2.4 干式变压器绕组以铝代铜的发展前景分析

干式变压器的防火性能好，不污染环境，尽管价格为油浸式变压器的2～2.5倍，但其在市场上总的产量仍有增无减。按照市场趋势，今后数年内竞争将会更激烈。因其良好的安全性，使得干式变压器在未来的高层建筑及酒店等方面有很大的发展前景，由此可以预测变压器用优质铜箔（铝箔）的用量将可能呈缓慢上升的趋势。未来几年里，铜箔（铝箔）厂将会有很大的发展空间，如果能在技术上进行攻关，克服铝箔导电性较差和在应用性能中存在的少量问题，那么在保持铝铜价格不变的情况下，铝箔将有可能大部分或全部代替铜箔占领干式变压器市场[6-7]。

2.4.1 智能化干式变压器的发展前景分析

针对干式变压器的智能运维需求，以一二次融合技术及物联网技术为基础，干式变压器的智能化主要有3种方案，即基础改进的智能方案，强化改进的智能方案，全感增强的智能方案。并且在各种处理方案中着重强化了故障报警和高温处理的预警，改进以变压器剩余工作年限等相应的数据为基础的算法，加强了变压器的安全性，扩展了变压器的未来市场[8-9]。

2.4.2 绿色变压器发展的前景分析

绿色变压器是指变压器及其组部件在产品使用阶段，从选择材料开始、到变压器的生产和对运行中的维护及返厂中的重置都符合节约能源和材料、低碳环保和剩余材料可再一次使用的变压器。使用干式变压器的铁芯改进方法，节约铁芯和导线的制造材料，在节约能源和材料的条件下进一步地加强安全性能和降低噪音，同时利用铝箔作为导电材料加强其轻便性，使变压器未来发展更符合当下能源的时代背景[10]。

3 干式变压器绕组以铝代铜存在的问题

3.1 铝制干式变压器铝箔质量问题

国内大多数铝箔变压器使用的铝箔都是国产的，其基本可以达到普通的干式变压器使用要求。只有生产一些质量要求较高的出口变压器时，会使用日本进口箔，成本会提高很多。与日本进口箔相比，国产变压器用箔主要存在的问题是导电率不稳定、箔面不平整以及边部毛刺多。

国内干式变压器主要的故障为绕组故障和铁芯故障，对于绕组故障而言，主要原因是绕组之间存在部分空隙，若此时的变压器仍在高强度地工作，其中的高电压大概率会击穿空气，出现闸间的短路。

3.2 铝制干式变压器原材料能源消耗较大

干式变压器铝箔原材料电解铝属于高耗能行业，每生产1 t 铝，需要消耗大约13200 kW·h 时电量，火电居多，是温室气体排放量较大的行业。为适应国家低碳绿色发展的需要，降低碳排放，推进供给侧改革，需要修订电解铝单位产品能源消耗限额标准，从技术层面支持行业转型发展，减少电解铝排放的温室气体，提升铝制品在国际上的竞争力[11]。

3.3 铝制干式变压器出现故障原因

市场上的部分厂家为降低成本，以劣质的铝制导线代替铜制导线，增加了变压器的风险性，降低其安全性。根据干式变压器的故障研究报告显示，每100台故障变压器中有23.44%会产生显著的社会危害，据此，必须整顿市场产品质量。目前国内部分厂家以劣质铝导线代替铜导线，增加了干式变压器的风险，同时也降低了中国市场的可信度。因此，应加强市场监管，确保产品质量。

3.4 铝制线圈易氧化增加热效应和电阻率的原因及改进方法

以金属性质来看，铜与氧化铜的性质差距不大，导电率和热效应相近，而氧化铝的热效应和电阻率都高于铝金属，铝制线圈易发热，寿命低于铜制线圈。

可在铝制导线的端口处使用铜铝过渡端子接头以减少铝端口处产生电化学腐蚀后增加的热效应，提高铝制导线的使用寿命和安全性能。

4 干式变压器以铝代铜采取的措施

4.1 提高铝的导电率

（1）改进传统工业纯铝的制备工艺。提高纯铝制品的拉拔变形度，当变形量超过83.1%以后，强度和导电率不再相互制约，出现“反常强度-导电率关系”，强度和导电率转而同步提升，以制备高导电率工业纯铝材料[12]。

（2）将铝和铜两种不同的导体利用机械或冶金方法制成复合材料，使其复合成一体。或以其他金属复合铝制备铝合金，应用Al-Mg-Si-Mn-Ni 合金制成的铝制品具有高强度、耐冲击的特性，兼有适当的伸长率和导电率。

4.2 高导电率铝箔的工艺路线和研究方向

（1）通过调整制备铝液的成分、控制其中敏感元素成分以及微合金化等方法获得性能更优良的高导电率硬铝合金成分[13]。

（2）通过优化制备工艺、简化生产过程进一步降低生产成本。

（3）采用高效排杂净化熔剂，提高铝合金的净化效果，对其进行合理设计，提高铝导电性能[13]。

4.3 先进铝制导体新材料的创新发展

膜包和组合膜包矩形铝绞线已成功应用于特超高压输电线路的电抗器绕组线圈中。此项技术具有很强的借鉴性，有效改善了趋肤效应，减少了涡流损耗，具有良好的均匀的电气性能。

5 结论

本文对干式变压器用铝箔和铜箔两种绕组材料的机械性能、导电性能、物理性能、工艺技术及安全性等进行了全面的对比，表明以铝代铜是减轻原料压力和降低干式变压器成本、增加产量以及提高其稳定性的有效手段。论证了干式变压器绕组材料“以铝代铜”的可行性，并提出了干式变压器中“以铝代铜”改进措施。随着铝合金加工技术的进步，提高铝合金材料的导电性能的同时，降低其热效应，保证铝箔产品质量和产出的稳定，以此为干式变压器的绕组提供更好的材料。改进铝的制备工艺和材料合成的技术研发，弥补使用铝箔绕组材料的不足之处。并提出可通过提高铝的拉拔变形度制备铝合金、调整铝导线中铝液的成分以提高铝的导电率。以此预测，未来的电器中铝导线的应用前景将更加广阔。