變壓器中銅箔的應用現狀及發展趨勢
陶 丹，董振華
（瀋陽變壓器研究所，遼寧 瀋陽 110379）
摘要：介紹了銅箔在變壓器應用的現狀，概述了箔式繞組變壓器種類、特點及經濟性。
關鍵詞：乾式變壓器；箔式繞組；發展
一、前言
目前國內變壓器生產廠家高達上千家，市場競爭激烈。這就要求變壓器廠家能夠製造出新型的經濟性能好、可靠性高的產品，才能在市場競爭中取勝，而新材料的應用為新型變壓器的研製提供了可能。銅箔式繞組變壓器以其體積小、重量輕、材料用量少等特點，在油浸配電變壓器，特別是在於式電力變壓器上得到了廣泛的應用。
由於傳溫媒介空氣稀薄難以使製品內層溫度有效地提高到 60℃以上，尤其在冬天室溫較低時，繞組內層溫度低於物料溫度，從而造成製品嚴重缺料。
1 澆注速度不隨形腔的大小而變
目前，大部分澆注法是使終混罐內氣壓略高於真空罐，利用大氣壓力差和材料的自重，由下向上倒拔的物料的自然澆注法。而由於不同容量的變壓器的繞組模具徑向尺寸及高度相差較大，因而向上浸潤的拔力大小不同。一般來說，徑向尺寸較大的形腔比徑向尺寸較小的，豎直高度較矮的比較長的，澆注速度要快得多。較大形腔的澆注速度為 2～2.5kg/min，2h內即可完成澆注，而徑向尺寸狹長的澆注速度控制在 1.5kg/min 左右，造成澆注時間延長。而澆注時間的延長會使混合料的粘度增加，流動性下降，也可能造成缺料空洞。更為嚴重的，由於速度不對，澆注閥控制得不好，會產生不進料現象，從而延長澆注時間。
對於 315kVA及以下小型模具，狹長的形腔進料較慢，而且只有兩隻進料口，就更不容易勻速進料，造成缺料的概率較大。經我公司將模具改造為四隻對稱進料口後，澆注起來順暢多了，杜絕了缺料現象的發生。
2 繞組的徑向尺寸超標
繞組繞制時由於繞制不緊實，使徑向尺寸超過了範圍，合模時相當困難。用強力擠壓合模，容易造成局部變形疏密不均，進料困難，時間延誤過長而造成缺料。另外由於模具與製品之間壓得太死無縫隙，表面樹脂層達不到 2～3mm，而影響製品質量，且使繞組表面發白。
3 物料飛濺，導致空氣進入製品形成氣泡
物料脫氣不徹底會形成澆注時物料飛濺。如果工作人員沒仔細觀察或設備無料預警功能不啟動也會造成物料飛濺。因為澆注時 24 只澆注閥所處的壓力會有差異，一旦其澆注閥物料斷流，進入了較高壓力氣體，而此刻混料罐已經處於較低真空狀態，較高壓氣體一旦進入製品，使得物料從下向上飛濺 ，而遺留在製品內的氣泡若沒有完全溢出，則在製品固化後，留下了若干氣泡。一則造成製品的局部放電量增加，質量下降，二則影響製品的美觀，嚴重時形成蜂窩。
4 結論
（1）在溼熱環境下應注意絕緣材料的防水防潮；必須對受潮的絕緣材料或無紡佈線進行乾燥處理。
（2）製品模具必須在固化爐內在規定時間及溫度下對預烘，保證製品內層的溫度達到 80℃～90℃。
（3）不同的模具因徑向直徑及高矮不同，需選用不同的澆注速度。兩隻進料口的模具應改造為對稱的 4 只澆注口為宜 。
（4）工作人員必須嚴格注視物料的存量，有預警裝置的必須開通，避免澆注閥斷料事故發生。
二、變壓器的種類
變壓器按照冷卻方式可分為：油浸式變壓器和乾式變壓器兩種類型；
變壓器按照鐵心結構的不同可分為：疊鐵心、卷鐵心、非晶合金鐵心變壓器等類型；
變壓器按照繞組材料不同可分為：線繞式變壓器和箔繞式變壓器兩種類型。
1 油浸式配電變壓器
目前在國內配電變壓器市場中，占主導地位的有：10kVA 新S9變壓器、S11變壓器、S11—M·R 卷鐵心變壓器、ZGS11組合式變壓器、SH11非晶合金變壓器等產品系列。
2 乾式電力變壓器
乾式電力變壓器就其絕緣類型的不同可分為：浸漬式空氣絕緣乾式電力變壓器（如圖1）、環氧澆注絕緣乾式電力變壓器（如圖2）、繞包絕緣乾式電力變壓器及複合式絕緣乾式電力變壓器。目前環氧澆注絕緣乾式電力變壓器佔國內乾式電力變壓器的比例最大，全國共有100多生產廠家。目前市場中乾式電力變壓器耐熱等級主要分為B級、F級、H級等幾種類型。由於耐熱等級越高，其防火性能就越好，所以H級浸漬式空氣絕緣乾式電力變壓器的需求量增長速度非常迅速。
H級浸漬式乾式電力變壓器是新一代環保型變壓器產品，其以投資小、製造工藝簡單、局放低、噪聲低等特點，已被廣大變壓器生產廠家及用戶所接受。目前已有50餘家生產廠家正在生產或開始著手生產H級浸漬式乾式電力變壓器。由於乾式電力變壓器繞組的電密均比較低，因此低壓繞組導線或銅箔的截面就要選取得較大。但由於線繞式繞組的導線並聯根數較多，會使繞組製造工藝複雜化，因此生產廠家在生產800kVA 及以上千式電力變壓器時，低壓更願意採用箔繞式繞組。
另外，H 級和F級乾式電力變壓器繞組的匝絕緣採用Nomex紙、H級或F級雙玻璃絲包線等材料，這幾種匝絕緣材料的價格均非常高。這也是不帶匝絕緣的銅箔得以在於式電力變壓器中廣泛地應用的另一個原因。
三、銅箔在變壓器應用的現狀
銅箔作為繞組的主要材料之一，主要應用在中、小型變壓器，即配電變壓器上。油浸式配電變壓器和乾式電力變壓器均有采用箔式繞組結構的。但乾式電力變壓器中使用箔式繞組結構的比例，比油浸配電變壓器採用箔式繞組結構的比例要大得多。下面著重論述一下箔繞式乾式電力變壓器特點及銅箔在乾式電力變壓器上的應用情況。
1 箔式繞組的種類及結構特點
1.1 箔式繞組的種類
箔式繞組分為分段箔式繞組和單段箔式繞組兩大類。分段箔式繞組一般應用在10kV、35kV 電壓等級變壓器高壓繞組上；單段箔式繞組一般應用在10kV、35kV電壓等級變壓器低壓繞組上。由於採用分段箔式繞組結構的變壓器不是主流產品，因此這裡我們僅介紹一下單段箔式繞組(以下簡稱“箔式繞組”)的情況。
1.2 箔式繞組的結構特點
箔式繞組是由銅箔在繞線機上繞制完成的。銅箔每一層即為一匝，匝間為層間絕緣紙，銅箔的兩端為端絕緣，氣道用H級或F級引拔棒或絕緣撐條支撐，銅箔的起末頭與成型的銅母線採用氬弧焊的方式焊在一起。銅箔、層間絕緣、端絕緣分別安放在不同的開料機上，其轉動速度可以相同，亦可不同，開動繞線機就可進行繞組的繞制。
箔式繞組繞制機械化程度高，一般一個繞組由2個人操作，只需1.5h左右就可以繞制完成。而線繞式繞組繞制，由2個人操作，大概需要6h繞制完成。
箔式繞組起末頭與成型的銅母線在繞組內部焊接，銅母線直接與用戶負載連接，不需要再焊接外銅排；而線繞式繞組起末頭若干並聯導線引出線需與銅排在繞組外焊接。這對於沒有外殼的乾式電力變壓器外觀影響很大，考慮乾式電力變壓器的美觀問題，有不少乾式電力變壓器用戶指名要求採用箔式繞組結構。
箔式繞組結構乾式電力變壓器與低壓繞組採用線繞結構的變壓器相比，在工藝製造上有很大優勢。這是因為，容量在800kVA 及以上變壓器，低壓繞組若為線繞式結構，則繞組型式一般為雙螺旋、四螺旋或六螺旋式結構。這種繞組常常需採用二十幾根、三十幾根。甚至四十幾根導線並聯，由於低壓繞組內徑相對比較小，輻向並聯的導線還需要換位，因此繞組的繞制比較困難。若低壓繞組採用帶縱向氣道的雙螺旋、四螺旋或六螺旋結構，由於每個螺旋間均要設置輻向氣道，則氣道墊塊佔整個變壓器高度比例較大，導致鐵窗填充係數降低，使產品的材料消耗增加。
2 箔式繞組的優點
箔式繞組與線繞式繞組相比，有以下的優點：
（1）線繞式繞組導線外表面有匝絕緣，而箔式繞組由裸銅箔一層層直接繞制完成，故其具有結構緊湊、體積小、消耗材料少的特點；
（2）箔式繞組在箔繞機上繞制完成，其機械化程度高，工時少，工藝製造簡單，批量生產時效率高；
（3）箔式繞組軸向高度即為銅箔的寬，軸向短路力很小，所以可以取消繞組到上鐵軛的壓板，故可以保證較大的鐵窗填充係數；
（4）箔式繞組磁勢沿繞組高度分佈均勻，安匝平衡好，橫向漏磁少，軸向短路力小，因而承受短路能力強、運行安全可靠；
（5）箔式繞組匝問電容沿繞組軸向分佈均勻，增加了繞組對沖擊過電壓的穩定性；
（6）箔式繞組溫度分佈均勻，冷卻條件好。
3 箔式繞組變壓器的經濟性
前面我們談過，箔式繞組變壓器在乾式電力變壓器中應用得比較多。這與箔繞式乾式電力變壓器的經濟性能好這一前提是分不開的。
表1為“10型”空氣浸漬乾式電力變壓器箔式繞組與線繞式繞組的對比。從表中可以看出：箔繞式繞組變壓器較線繞式繞組變壓器的總質量及主要材料成本均有所下降。其中：總質量平均下降 6.1％，主要材料成本平均下降 3.63％。
四、變壓器用銅箔的質量要求
1 銅箔純度
繞組是變壓器輸入和輸出電能的電氣迴路。電能在傳送過程中，繞組自身有電阻損耗。其電阻損耗與所用銅箔的截面、長度及電阻率有關。也就是說，電阻率的大小是決定繞組負載損耗的主要指標之，而電阻率的大小是由銅箔的純度所決定的。因此銅箔的純度應不小於 99.95％。
2 銅箔表面
箔材表面應光滑、潔淨，不應有分層、裂縫、起皮、氣泡、夾雜、起刺、壓折和綠鏽。但允許有輕微的、局部的、不使箔材厚度超出其允許偏差的劃傷、斑點、凹坑、壓人物和輥印等缺陷。
銅箔應平直，但允許有輕的波浪；箔的側邊彎曲每米不大於4mm；箔材兩邊應切齊，無刺，無裂邊和卷邊。
五、制約銅箔在變壓器繞組上應用的因素
1 專用設備
由於箔式繞組必須在專用的箔繞機上繞制完成，因此箔繞機是箔式繞組製造的必須設備。廠家若想生產箔式繞組變壓器，那麼就得進行一次性投資購買箔繞機。目前，國產箔繞機的售價大致在60-70萬元。由於箔繞機的價格過高，這樣在一定程度上就制約了銅箔在變壓器上的應用。
2 銅箔的價格
目前 ，寬度1m規格的銅箔售價為38元/kg，若選用不到1m規格的銅箔，其價格就要有所提高。這個價位比紙包銅導線的價格高出很多（銅導線的價格為28元/kg）。所以，雖然箔式繞組變壓器的總質量比線繞變壓器總質量低很多，但整個變壓器的價位下降得並不是太多，尤其是採用普通紙包導線的油浸式變壓器情況更是如此。在乾式電力變壓器中，由於線繞式結構導線匝絕緣一般採用價格較貴的Nomex 紙、F級或H級雙玻璃絲，因此乾式電力變壓器採用箔式結構其材料成本降低的相對要大得多。
3 銅箔供貨週期
目前變壓器產品的生產週期較短，這樣就要求銅箔的供貨要及時。由於國內寬幅的銅箔生產廠只有洛陽銅材廠一個生產廠家，所以供貨週期有時不能滿足一些變壓器生產廠的需要，這樣也在一定的程度上制約了銅箔在變壓器上的應用。
4 銅箔的規格
由於變壓器的容量不同，所選取的銅箔規格各不相同，而用戶所需要的產品容量有時並不是單一的同一容量。銅箔的重量包裝過大，不能定尺供貨，就造成了變壓器生產廠家箔材的積壓，給生產企業的資金週轉造成困難。
六、箔式繞組變壓器的展望
箔式繞組變壓器由於其自身的優越性，已受到廣大製造廠家和用戶的歡迎。目前，我國的乾式電力變壓器只佔配電變壓器的15％左右，而在歐美一些發達國家，乾式電力變壓器的佔有率是我國的2—3 倍。所以，隨著我國城市建設的進一步發展，乾式電力變壓器的需求量也會大幅度的提高，這樣就帶動了變壓器行業對銅箔需求量的加大。但要實現銅箔市場的健康發展，同時也給我們的箔材生產廠提出了一些要求。應著手解決制約銅箔在變壓器繞組上應用的因素，關鍵是提高銅箔的質量、降低銅箔的價格、保證銅箔的供貨週期。
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