配電變壓器用漆包銅、鋁扁繞組線高溫蠕變行為研究

陳 娟， 顧文娟， 謝利娜

（上海電纜研究所有限公司特種電纜技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200093）

0 引 言

近年來，隨著鋁扁繞組線在變壓器行業(yè)中的廣泛使用，銅扁繞組線和鋁扁繞組線在干式配電變壓器中的性能對(duì)比越來越受到關(guān)注［1］。 其中，銅扁繞組線和鋁扁繞組線的長(zhǎng)期蠕變行為是銅、鋁變壓器可靠性和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一［2-3］。 本工作主要是測(cè)試干式配電變壓器用漆包銅、鋁扁繞組線的蠕變性能和常規(guī)性能，對(duì)銅、鋁扁繞組線的可靠性進(jìn)行評(píng)估分析，為變壓器制造企業(yè)了解銅、鋁變壓器的差異和選擇可靠的材料與技術(shù)，起到一定的參考作用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 扁繞組線樣品

從市場(chǎng)上購(gòu)置180 級(jí)聚酯亞胺漆包銅扁繞組線（QZYB-2／180）和180 級(jí)聚酯亞胺漆包鋁扁繞組線（QZYB-2／180L）。

1.2 蠕變?cè)囼?yàn)參數(shù)

根據(jù)GB 1094.11—2007《電力變壓器 第11 部分：干式變壓器》［4］、GB／T 1094.12—2013《電力變壓器 第12 部分：干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》［5］和GB 1094.5—2008《電力變壓器第5 部分：承受短路的能力》［6］標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，漆包鋁扁繞組線蠕變?cè)囼?yàn)的耐受溫度建議設(shè)置為160 ℃。 因此銅扁繞組線和鋁扁繞組線蠕變性能對(duì)比試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度設(shè)置為160 ℃，耐受應(yīng)力在35 ～70 MPa（見表 1）。

表1 漆包扁繞組線蠕變?cè)囼?yàn)條件

1.3 試驗(yàn)方法

蠕變?cè)囼?yàn)參照GB／T 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》［7］和 GB／T 4338—2006《金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法》［8］進(jìn)行。 主要試驗(yàn)步驟如下：①在將試驗(yàn)線放入加熱爐中后，在其上施加3 N偏置拉力（在室溫下），用于拉直試驗(yàn)線并且不產(chǎn)生塑性變形；②使用杠桿系統(tǒng)的自重在試驗(yàn)線上施加拉伸載荷；③在試驗(yàn)線上施加要求的拉伸載荷之后，爐內(nèi)溫度升高到需要的試驗(yàn)溫度，在蠕變?cè)囼?yàn)期間保持試驗(yàn)溫度和載荷恒定，直至試驗(yàn)結(jié)束。

蠕變?cè)囼?yàn)前后試樣常規(guī)性能測(cè)試參照GB／T 7095.1—2008《漆包銅扁繞組線 第1 部分：一般規(guī)定》［9］、GB／T 7095.4—2008《漆包銅扁繞組線 第4 部 分： 180 級(jí)聚酯 亞 胺 漆 包銅 扁線》［10］、 IEC 60317-0-9：2015《特種繞組線標(biāo)準(zhǔn) 第0-9 部分：漆包鋁扁線一般規(guī)定》［11］、IEC 60317-74：2018《特種繞組線標(biāo)準(zhǔn) 第74 部分：180 級(jí)聚酯亞胺漆包鋁扁線》［12］等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力對(duì)銅扁繞組線和鋁扁繞組線蠕變?cè)囼?yàn)的影響

當(dāng)試驗(yàn)溫度設(shè)定為160 ℃，耐受應(yīng)力為35 MPa和70 MPa 時(shí)，銅扁繞組線蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 銅扁繞組線（160 ℃）應(yīng)力變化對(duì)蠕變性能的影響（50 mm 為試驗(yàn)量程）

由圖1 可知：當(dāng)耐受應(yīng)力為35，70 MPa 時(shí)，蠕變曲線沒有明顯變化，蠕變時(shí)間到達(dá)75 h 時(shí)仍處于蠕變第二階段。 鋁扁繞組線蠕變?cè)囼?yàn)如圖2 所示，結(jié)果表明，當(dāng)耐受應(yīng)力為35 MPa 時(shí)，試樣在約10 h 時(shí)進(jìn)入蠕變第二階段，在約50 h 時(shí)出現(xiàn)了蠕變第三階段。 當(dāng)耐受應(yīng)力大于或等于40 MPa 時(shí)，鋁扁繞組線試樣由于承受過大的應(yīng)力，在極短的時(shí)間內(nèi)直接被拉斷。 由此可以推測(cè)，當(dāng)蠕變?cè)囼?yàn)溫度一定時(shí)，銅扁繞組線的耐受應(yīng)力高于鋁扁繞組線。

圖2 鋁扁繞組線（160 ℃）應(yīng)力變化對(duì)蠕變性能的影響

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析（見圖3），可以知道：當(dāng)蠕變?cè)囼?yàn)溫度為160 ℃、耐受應(yīng)力為35 MPa 時(shí)，銅扁繞組線在蠕變時(shí)間為75 h 時(shí)仍然處于蠕變第二階段，而鋁扁繞組線在蠕變時(shí)間到達(dá)約50 h 時(shí)就出現(xiàn)了蠕變第三階段，表明相同蠕變?cè)囼?yàn)條件下，銅扁繞組線的抗蠕變性能比鋁扁繞組線好。

圖3 銅／鋁扁繞組線（160 ℃，35 MPa）應(yīng)力變化對(duì)蠕變性能的影響

2.2 銅／鋁扁繞組線不同蠕變階段試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步分析銅／鋁扁繞組線蠕變性能的區(qū)別，開展了如下試驗(yàn)：①在蠕變?cè)囼?yàn)溫度為160 ℃、耐受應(yīng)力為35 MPa 條件下，鋁扁繞組線蠕變?cè)囼?yàn)3 個(gè)節(jié)點(diǎn)圖片采集：蠕變?cè)囼?yàn)開始時(shí)、蠕變第一階段結(jié)束、蠕變第二階段結(jié)束；銅扁繞組線圖片采集的時(shí)間點(diǎn)設(shè)定為鋁扁繞組線蠕變第二階段結(jié)束時(shí)所用的時(shí)間。 ②上述試驗(yàn)在鋁扁繞組線蠕變第二階段結(jié)束后停止，測(cè)試導(dǎo)體的絕緣性能、電阻等電氣性能；在與①相同測(cè)試條件和蠕變時(shí)間（鋁扁繞組線第二階段結(jié)束時(shí)間）下，測(cè)試銅扁繞組線蠕變后試樣的絕緣及電阻等電氣性能。 具體試驗(yàn)停止時(shí)間如下：

Al-stage 1：在蠕變第一階段快結(jié)束時(shí)停止試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間10 h；

Al-stage 2：在蠕變第二階段快結(jié)束時(shí)停止試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間72 h；

Cu-stage 2*：在72 h（鋁蠕變第二階段結(jié)束時(shí)間）停止試驗(yàn)（“*”表明蠕變?cè)囼?yàn)停止時(shí)，銅扁繞組線仍處于蠕變第二階段）。

不同蠕變階段的蠕變曲線見圖4。

圖4 銅／鋁扁繞組線（160 ℃，35 MPa）不同蠕變階段

由圖4 可知：在蠕變?cè)囼?yàn)溫度為160 ℃、耐受應(yīng)力為35 MPa 條件下，試驗(yàn)時(shí)間為10 h 時(shí)，鋁扁繞組線從蠕變第一階段進(jìn)入到蠕變第二階段（Al-stage 1），而銅扁繞組線不能清晰地判斷出是否進(jìn)入蠕變第二階段；當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間為72 h 時(shí)，鋁扁繞組線的蠕變曲線處于第二階段結(jié)束（Al-stage 2），而銅扁繞組線仍然處于蠕變第二階段（Cu-stage 2*），由此可以進(jìn)一步推測(cè)出，相同試驗(yàn)條件下，鋁扁繞組線的蠕變性能比銅扁繞組線明顯。

而對(duì)不同蠕變階段試樣表面微觀形貌分析可知，與鋁扁繞組線原始試樣相比［見圖5（a）］，在蠕變第一階段快結(jié)束時(shí)，試樣表面漆膜輕微鼓泡，沒有明顯的裂紋［見圖5（b）］，而在蠕變第二階段快結(jié)束時(shí)，試樣表面破損嚴(yán)重，漆膜發(fā)生鼓泡，有大量明顯的縱向裂紋或缺口［見圖5（c）］。 而在蠕變時(shí)間為72 h 時(shí)，銅扁繞組線表面漆膜［見圖5（e）］與原始試樣［見圖 5（d）］相比，沒有明顯的變化。 結(jié)果表明：在蠕變?cè)囼?yàn)溫度為 160 ℃、耐受應(yīng)力為35 MPa條件下，蠕變時(shí)間達(dá)到72 h 時(shí)，鋁扁繞組線試樣發(fā)生了較大的變形，導(dǎo)致表面漆膜發(fā)生鼓泡、破損等現(xiàn)象，而銅扁繞組線試樣變形較小，表面漆膜未發(fā)生明顯變化。

圖5 不同蠕變階段試樣表面微觀形貌

不同蠕變階段試樣的導(dǎo)體尺寸及電氣性能的變化見表2。 通過分析蠕變前后試樣的數(shù)據(jù)可知：

表2 不同蠕變階段試樣導(dǎo)體尺寸和電氣性能的變化

（1）導(dǎo)體尺寸：與原始試樣相比，Al-stage 2 試樣窄邊縮小了約29%，寬邊縮小了20%；而Cu-stage 2*試樣窄邊縮小了24%，寬邊縮小了8%。 蠕變前后導(dǎo)體尺寸的變化結(jié)果表明，相同試驗(yàn)條件下，鋁扁繞組線試樣截面尺寸收縮比銅扁繞組線試樣明顯。

（2）直流電阻：隨著蠕變時(shí)間的增加，鋁扁繞組線和銅扁繞組線試樣的直流電阻均增加。

（3）直流電阻率：兩種試樣的直流電阻率均隨著蠕變時(shí)間的增加而降低，與原始試樣相比，Alstage 2 試樣的直流電阻率降低了35%，而Cu-stage 2*試樣降低了5%。 結(jié)果表明，在相同試驗(yàn)條件下，鋁扁繞組線試樣比銅扁繞組線的導(dǎo)電性能降低明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)蠕變?cè)囼?yàn)溫度為160 ℃時(shí)，通過對(duì)銅／鋁扁繞組線的耐受應(yīng)力、蠕變階段、表面形貌、導(dǎo)體尺寸和電氣性能的對(duì)比研究可以得到如下結(jié)論：

（1）在蠕變?cè)囼?yàn)溫度為160 ℃時(shí)，鋁扁繞組線的耐受應(yīng)力明顯低于銅扁繞組線；

（2）在蠕變?cè)囼?yàn)溫度為 160 ℃、耐受應(yīng)力為35 MPa時(shí)，鋁扁繞組線的蠕變行為比銅扁繞組線明顯；

（3）導(dǎo)體尺寸測(cè)試結(jié)果表明，相同試驗(yàn)條件下，鋁扁繞組線試樣截面尺寸收縮比銅扁繞組線試樣的明顯；

（4）直流電阻率計(jì)算結(jié)果表明，相同試驗(yàn)條件下，鋁扁繞組線試樣導(dǎo)電性能劣化比銅扁繞組線的明顯。

由此可以推測(cè)出，在相同蠕變?cè)囼?yàn)條件下，鋁扁繞組線的抗蠕變性能明顯劣于銅扁繞組線。