矩形換位膜包鋁絞線結(jié)構(gòu)的探討

全 偉， 沈家剛， 陳燕泓

(上海順潮工業(yè)有限公司，上海201314)

0 引言

我國(guó)±800 kV、±1100 kV特高壓直流輸配電線路必須配備特殊的干式電抗器，其線圈的主要材料是矩形換位膜包鋁絞線(以下簡(jiǎn)稱膜包鋁絞線)。膜包鋁絞線是一種特殊的電工材料，它的基礎(chǔ)材料是電工圓鋁線，每根圓鋁線外層用聚酰亞胺或聚酯膜繞包，再用8～24根這種線經(jīng)過(guò)完全換位絞合成矩形導(dǎo)線，外面再繞包聚酰亞胺或聚酯膜和無(wú)紡布或無(wú)堿玻璃絲帶。它可以代替以前用單根膜包鋁線繞制電抗器線圈的工藝，具有外形尺寸小、膜包材料省、繞制線圈效率高的特點(diǎn)。我公司開(kāi)發(fā)的此產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的鑒定，成為±800 kV輸電線路的干式平波電抗器所需的關(guān)鍵部件，已用于糯扎渡、溪洛渡線路的電抗器中。

1 矩形換位鋁絞線發(fā)展歷程

1.1 銅排、鋁排階段

因?yàn)榇笕萘康碾姍C(jī)、變壓器、電抗器繞組導(dǎo)線截面積大，為使結(jié)構(gòu)緊湊，通常采用矩形截面的導(dǎo)線，故用銅排、鋁排。但這些電工材料剛性大，繞制工藝難度大，受繞制工藝影響，截面積不能太大。特別是大尺寸導(dǎo)體的橫截面大，引起渦流損耗大，使整機(jī)溫升高。

1.2 裸單絲絞制

開(kāi)始是裸單絲絞制，用1.5～5.0 mm的多根單芯圓鋁線絞合成多芯裸圓絞線，同時(shí)壓制成帶圓角的矩形(見(jiàn)圖1)，外層繞包絕緣材料［1］。這些單芯鋁芯彼此不絕緣，渦流損耗大，雖然有體積小的特點(diǎn)，但應(yīng)用不廣。

圖1 裸單絲絞制圖

1.3 多個(gè)分立絕緣導(dǎo)線絞合壓制成形

用絕緣材料帶(聚酰亞胺、聚酯等)繞包1.5～5.0 mm的圓鋁線，絞合成多芯膜包圓鋁線，壓制成矩形，四周帶圓角，外面繞包聚酯膜和無(wú)堿玻璃絲帶。但這種結(jié)構(gòu)有其不足之處:壓制時(shí)易損壞絕緣導(dǎo)體的薄膜，造成導(dǎo)線間互相導(dǎo)通，還是有小渦流損耗;單絲在壓制過(guò)程中變形不規(guī)則，內(nèi)外層不一致，電流分配不均勻。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，導(dǎo)體的填充率較高，寬度與厚度的比例可在1～1.2間變動(dòng)，便于線圈的設(shè)計(jì)［2］。

1.4 中心式矩形結(jié)構(gòu)的多層絞合(見(jiàn)圖2)［3］

這種產(chǎn)品的特點(diǎn)是單絲間絕緣，渦流損耗進(jìn)一步減少，加工方便，可以在多盤的絞線機(jī)上一次成形，避免壓制時(shí)的薄膜損傷。但其最大的問(wèn)題是:導(dǎo)線只是在內(nèi)二層間換位，在內(nèi)層與外層之間的導(dǎo)線沒(méi)有完全換位，因此每層的導(dǎo)線長(zhǎng)度相差率在2%～4%(視各層導(dǎo)線絞合時(shí)的節(jié)徑比，即該層絞線的節(jié)距和直徑比值的大小而定)。由于單絲間絕緣，因此在同樣的端電壓下，會(huì)因單絲長(zhǎng)度不同而電阻不同，各單絲間的電流強(qiáng)度不等，從而造成不同的溫升，影響整機(jī)性能。當(dāng)然這可以通過(guò)選擇各個(gè)層次的單絲直徑或調(diào)整各層次的節(jié)徑比來(lái)達(dá)到理論上的平衡，但實(shí)施時(shí)難以控制。

1.5 二排絞合矩形換位膜包鋁絞線(見(jiàn)圖3)

為了達(dá)到各絕緣單絲的完全換位，發(fā)展成更理想的二排線絞合成導(dǎo)體，導(dǎo)體內(nèi)每根單絲完全換位，長(zhǎng)度一致，從原理上講電阻一致;當(dāng)然在實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)閱谓z間尺寸、電阻率、放線張力等諸多因素，各單絲間的總電阻仍會(huì)有偏差，但這已不是設(shè)計(jì)造成的固有系統(tǒng)偏差了，而且其偏差率會(huì)隨著工藝控制的不斷改進(jìn)而逐步減小。

圖3 二排絞合矩形換位膜包鋁絞線

1.6 組合矩形換位膜包鋁絞線(見(jiàn)圖4)

由于僅二排線的絞合，還適應(yīng)不了大截面的需求，因此電抗器制造廠會(huì)采用多根絞線并聯(lián)，或者要求絞線制造廠多根導(dǎo)線組合成形，更方便于線圈的繞制。由此又提出了新課題，同一成形線(也稱同一包封)中各導(dǎo)線間的總電阻值的偏差率要小。特別對(duì)于特高壓直流輸電中由于高次諧波的存在，電阻的平衡度尤顯重要。

2 典型結(jié)構(gòu)分析

2.1 同心式1+6+12型

圖4 組合矩形換位膜包鋁絞線

同心式1+6+12型絞合后壓成矩形，從工藝效率看比較高，可一次成形。缺點(diǎn)是僅適用于接近正方形截面。據(jù)某專利介紹，寬度與高度比值在1.2內(nèi)，其最大的不足是各層單絲長(zhǎng)度不一致，造成電阻的不平衡。而且四周與內(nèi)層的壓縮量不均勻，外層膜易移位破損，影響絕緣。一旦內(nèi)層絕緣有問(wèn)題，沒(méi)法修復(fù)。

2.2 中心式矩陣式排列型

中心式矩陣式排列(見(jiàn)圖5)，理論上每層的根數(shù)為 p，p+8，p+8+8，……p+8(n －1)，p為第一層的根數(shù)，n為絞合的次數(shù)，每2排絞線計(jì)算為1層。總根數(shù)可用等差級(jí)數(shù)求和的方法計(jì)算:N=pn+4n(n－1)。

圖5 中心式矩陣式排列

從圖5可知，p為8，n為3，總根數(shù)N為48根。

此方法確實(shí)可做大截面的矩形絞線，但實(shí)際上不是全換位。內(nèi)外層單絲長(zhǎng)度不一致，無(wú)法修復(fù)內(nèi)層絕緣，而且在實(shí)踐中，未必能做到每層增加8根線。因?yàn)榻g合時(shí)，如果真的外層比內(nèi)層多8根，在外層線成形時(shí)，相互擠壓后留下空間較大，容易造成“燈籠殼狀”(圖6)，實(shí)際壓不住內(nèi)層矩形線，其結(jié)果是繞制時(shí)內(nèi)外層是分離的。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，每層多6根為佳(見(jiàn)圖7)。

圖6 “燈籠殼狀”視圖

2.3 二排為基本結(jié)構(gòu)的組合型

圖7 中心型的實(shí)際結(jié)構(gòu)

為制作大面積的矩形換位鋁絞線，建議采用以二排為基本結(jié)構(gòu)的組合型的結(jié)構(gòu)。它實(shí)現(xiàn)了單絲的全換位;而且組合時(shí)導(dǎo)線基本不受擠壓，不會(huì)造成膜的損傷;即使導(dǎo)線最終檢驗(yàn)時(shí)有些缺陷，也很容易查明缺陷處后修復(fù)。

對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的絞線，必須注意導(dǎo)線繞制線圈時(shí)的寬厚方向:保證繞制時(shí)各導(dǎo)線處于同等位置，不可造成內(nèi)外層的偏差(見(jiàn)圖8)。

圖8 組合型線繞盤形式

3 技術(shù)指標(biāo)和性能探討

3.1 填充率

整根圓線的填充率η是圓面積和外包正方形面積之比，即η=π/4=0.7856。

n排m列的單絲絞合時(shí)，導(dǎo)體填充率(見(jiàn)圖9)為:

式中:n為排數(shù);m為列數(shù);D為單絲直徑;h為單邊膜的厚度。

圖9 導(dǎo)體填充圖

若h為0.06 mm，D為1.9～4.0 mm，則 η為69.5% ～74.0%。

如不計(jì)膜的尺寸，則η=π/4DDnm/(DDnm)=π/4=0.7856。

3.2 尺寸及公差

厚度公差:因線圈的高度方向?qū)訑?shù)較多，一般±800 kV直流輸電線的電抗器每線圈總層數(shù)200～300層，故其公差控制應(yīng)嚴(yán)些，一般定為±0.1 mm;

寬度公差:對(duì)線圈影響比較小，可寬松些。一般定為±0.20 mm，比較符合實(shí)際使用要求。

3.3 絕緣單絲耐受電壓

由于各單絲是全換位，使用時(shí)這些單絲都并聯(lián)于接線端，因此在導(dǎo)體同一橫截面處各絕緣單絲基本處于同電位的，電壓差僅幾十伏。以0.03 mm厚度的薄膜半疊包鋁導(dǎo)線為例，測(cè)試的耐壓強(qiáng)度可在4000 V以上，而使用的要求只要絕緣單絲(絞合前)能通過(guò)1000～2000 V試驗(yàn)。

根據(jù)使用條件加上適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，由絕緣層的材質(zhì)、厚度和繞包方式來(lái)決定絞合后導(dǎo)體的絕緣強(qiáng)度。

3.4 各絕緣單絲間的導(dǎo)通

在矩形換位絞線的發(fā)展過(guò)程中，與原先的裸單絲絞合相比，眾多的并聯(lián)絕緣單絲中個(gè)別的導(dǎo)通點(diǎn)引起的環(huán)流不足以影響整體性能?，F(xiàn)在隨著制作和檢測(cè)水平的提高，導(dǎo)通點(diǎn)大為減少，現(xiàn)在已規(guī)定用萬(wàn)用表或500 V兆歐表來(lái)檢測(cè)導(dǎo)通點(diǎn)。

3.5 電阻平衡率

絞線由眾多單絲組成，每根單絲因單絲直徑、電阻率的差異形成電阻差異。在相同的端電壓下，由于電阻的不同，會(huì)形成不同的電流值。隨著時(shí)間的增加，電流產(chǎn)生的熱值會(huì)引起單絲溫度的升高。溫度的升高會(huì)引起電阻率的增加，從而造成電流的重新分配，達(dá)到新的平衡。更重要的是由于每一包封由2～3根二排絞合導(dǎo)體組成，就要求同一包封中各導(dǎo)體電阻值越接近越好，這樣更能使包封電阻符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)推導(dǎo)，電阻差與電流的變化見(jiàn)表1。

從表1可知:電阻變化對(duì)電流變化引起的發(fā)熱有影響，電阻變化率較大時(shí)，影響的趨勢(shì)更大;但變化率在5%內(nèi)時(shí)，應(yīng)可控制在允許范圍內(nèi);而矩形換位鋁絞線的各單絲和同包封的絞線的電阻平衡率可以控制在2%以內(nèi)，足以適應(yīng)電抗器的需要。

表1 電阻差與電流的變化表 (單位:%)

4 絕緣材料和絕緣方法

4.1 絕緣選擇

電抗器的絕緣材料，有聚酰亞胺和聚酯二大類膜，其耐溫等級(jí)為H級(jí)(180℃)和F級(jí)(155℃)。耐壓值相差很小，但使用壽命相差很大。由于它們的價(jià)格相差10倍，因此適當(dāng)選擇絕緣材料和合理配置絕緣層對(duì)整機(jī)的性能和價(jià)格至關(guān)重要。

4.2 絕緣形式

絕緣材料目前都是用薄膜繞包的形式，其優(yōu)點(diǎn)是絕緣有保證，缺點(diǎn)是繞包速度慢，因此提高繞包線的生產(chǎn)效率是關(guān)鍵。也有用噴涂法或如漆包線生產(chǎn)絕緣單絲的設(shè)想，但會(huì)涉及絕緣的可靠性和絕緣厚度，因噴涂不會(huì)很厚，可能有針眼，還要考核絕緣材料的附著力，不能在絞合時(shí)剝離。

4.3 浸漬處理

在絞合導(dǎo)線時(shí)，用絕緣漆或環(huán)氧樹(shù)脂浸漬處理，這與常規(guī)的在繞制線圈時(shí)加絕緣漆或環(huán)氧樹(shù)脂不一樣。因?yàn)樵诮g合時(shí)浸漬，絕緣漆進(jìn)入絞線內(nèi)部，以后固化時(shí)各單絲固結(jié)成整體，可有效防止雨水和空氣中水分的侵入，對(duì)提高絕緣強(qiáng)度也有一定效果;而且從已有樣機(jī)來(lái)看，使用絞合時(shí)浸漬的絞線可以降低運(yùn)行時(shí)的噪聲。

4.4 膨脹系數(shù)

干式電抗器固化成型后，整個(gè)結(jié)構(gòu)是硬的、脆性的。電抗器投入運(yùn)行后，帶電時(shí)導(dǎo)線發(fā)熱膨脹，停電時(shí)又冷卻收縮，因此絕緣材料的膨脹系數(shù)要與導(dǎo)線基本接近，否則會(huì)引起導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度變低，發(fā)生斷裂。鋁和樹(shù)脂絕緣材料的膨脹系數(shù)之比為23.6∶28，銅與樹(shù)脂的膨脹系數(shù)之比為16∶28。因此，電抗器的導(dǎo)體多數(shù)選擇鋁。

4.5 單絲繞包和外層絕緣厚度的配置

作為電抗器的用線，必須合理設(shè)計(jì)單絲和外層的絕緣。除了要考慮材質(zhì)、厚度外，還要顧及結(jié)構(gòu)。選定材料后，絕緣的強(qiáng)度取決于絕緣層厚度，單絲間的絕緣就是匝間的絕緣，因此選擇多層的半疊包薄膜。對(duì)于矩形換位鋁絞線來(lái)說(shuō)，各絕緣單絲在每個(gè)包封之間是絕緣的，每根導(dǎo)線最后在接線端都是并聯(lián)的，因此在換位線的任一橫截面上，單絲間按理論上說(shuō)是同電位的，單絲間的絕緣要求是很低的，可以選擇0.023～0.030 mm的薄膜半疊包一層即可;換位線的絕緣要求取決于在外面的繞包層厚度。

基于同樣的原理，對(duì)于組合的換位線結(jié)構(gòu)，可以把主要的絕緣材料用在最外層的整體結(jié)構(gòu)上，對(duì)于中間半成品的二層結(jié)構(gòu)外層的絕緣材料可盡量減少，其結(jié)果既節(jié)省材料，又減小了整機(jī)的尺寸。

5 節(jié)距和絞合根數(shù)

5.1 絞合節(jié)距

過(guò)大的節(jié)距會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不利于導(dǎo)線生產(chǎn)和線圈繞制(會(huì)發(fā)生導(dǎo)線失穩(wěn)后扭曲);過(guò)小的節(jié)距則會(huì)增大電阻和增加用料。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選擇了適用的節(jié)周比(節(jié)距和矩形截面的周長(zhǎng)比)，取4～6。

5.2 絞合根數(shù)

因?qū)Ь€絞合時(shí)，導(dǎo)線間有橫向的擠壓，如根數(shù)過(guò)多，會(huì)發(fā)生類似于壓桿不穩(wěn)定的問(wèn)題，引起絞線失穩(wěn)而扭曲，使整根線報(bào)廢。根據(jù)已有的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，矩形換位膜包鋁絞線的單絲根數(shù)在8～18根，即2排4～9列。如果因電感和載流量的需要，可以選擇多排的組合型結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)束語(yǔ)

矩形換位膜包鋁絞線現(xiàn)已應(yīng)用于特高壓的直流輸電領(lǐng)域。由于我國(guó)的能源供需的特殊性和幅員遼闊的地理環(huán)境，特高壓、超高壓的輸電事業(yè)還在繼續(xù)發(fā)展中，這種結(jié)構(gòu)的鋁絞線還會(huì)在交流輸電系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。因此，我們對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能作些探討，為電抗器的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的材料制造提供參考。

［1］馬春秋.矩形鋁電纜線［P］.中國(guó)專利:91229139.7，1995-01-25.

［2］張金生.一種用于干式限流電抗器和阻波器的壓方絕緣鋁導(dǎo)線［P］.中國(guó)專利:200820075487.X，2009-03-06.

［3］劉春昉.電抗器用矩形繞組線［P］.中國(guó)專利:200620036726.X，2008-03-12.