鋁電磁線及鋁藥芯焊絲在變壓器生(shēng)産中的應用

天津天大(dà)求實電力新技術(shù)股份有限公司 楊書(shū)博

天津天能變壓器有限公司 楊中地

現在很多國(guó)内變壓器企業已經在用鋁線或鋁箔來(lái)生(shēng)産變壓器了，尤其是環氧澆注幹式變壓器，其繞組采用鋁材是很普遍的。我國(guó)此前之所以淘汰鋁繞組變壓器是有其原因的，因爲在上世紀80～90年(nián)代銅鋁的差價較小（不到1：2，現在已經接近或超過1：3），采用銅繞組變壓器的外形尺寸較小（因爲其選用的導體(tǐ)規格要小于鋁材），比較節省矽鋼片，而且此前鋁繞組焊接方面的技術(shù)不過關，所以就(jiù)明确淘汰了鋁繞組的變壓器。

但(dàn)實際上鋁電磁線在變壓器中的應用在歐美國(guó)家是非常普遍的，因爲鋁的價格比銅要便宜得(de)多，且鋁的密度更比銅小很多，在相(xiàng)同截面的情況下鋁要比銅輕很多，二者在20℃時的電阻率爲銅：0.017241Ω•mm²/m; 鋁：0.02801Ω•mm²/m。隻要選用截面更大(dà)的鋁材，就(jiù)可(kě)以保證和銅一樣甚至更低的損耗值。

而對于環氧樹(shù)脂澆注的幹式變壓器，由于鋁的熱(rè)脹冷(lěng)縮系數要比銅的更接近環氧樹(shù)脂的熱(rè)脹冷(lěng)縮系數，因此鋁繞組的抗開裂能力甚至要比銅繞組的更好一些。而且由于幹式環氧樹(shù)脂澆注繞組本身(shēn)的機(jī)械強度就(jiù)很好，所以銅鋁之間機(jī)械強度方面的差别就(jiù)沒有了。

IEC标準與國(guó)家标準并沒有排斥鋁作(zuò)爲導體(tǐ)的規定，在GB1094.5-2008項4.1及IEC60076-5:2006中，給出了銅繞組和鋁繞組關于承受短(duǎn)路(lù)的耐熱(rè)能力的規定、計(jì)算方法和相(xiàng)關的參數，從(cóng)中可(kě)以分(fēn)析出鋁導體(tǐ)是可(kě)以作(zuò)爲變壓器導體(tǐ)的。

隻要鋁線變壓器能夠承受短(duǎn)路(lù)電流時耐熱(rè)能力的要求，并能夠經受住短(duǎn)路(lù)時機(jī)械力的動穩定要求，就(jiù)是合格的。隻要設計(jì)合理(lǐ)，工(gōng)藝上也要作(zuò)相(xiàng)應的調整，尤其是在出頭焊接的技術(shù)過關，能做到耐高溫（提高耐熱(rè)等級）和低損耗，鋁線變壓器一定會得(de)到廣泛的應用的。用戶也要有相(xiàng)應的認識，用戶認爲鋁線變壓器溫升高，壽命短(duǎn)，是國(guó)内偷工(gōng)減料之舉而不敢使用，但(dàn)用戶對進口的鋁線變壓器卻贊口不絕，對國(guó)産的鋁線變壓器卻顧慮重重。所以變壓器生(shēng)産廠(chǎng)與用戶之間要統一認識，對推廣應用鋁線變壓器才能順利進行。

當前各用電部門(mén)已經習慣了銅繞組的變壓器，隻是因爲銅比鋁貴，就(jiù)認爲銅比鋁好，由此認爲采用鋁線的廠(chǎng)家是偷工(gōng)減料。從(cóng)而導緻了變壓器生(shēng)産廠(chǎng)家怕被人(rén)誤解，不敢采用鋁繞組，實際上這是不公平的。隻要變壓器的技術(shù)參數一緻，其繞組采用銅或鋁對客戶都(dōu)是一樣的。當然生(shēng)産廠(chǎng)家在報價時候必須明明白(bái)白(bái)的告訴用戶其繞組是采用何種材料。

1.鋁線變壓器的設計(jì)及結構特點

在此隻對于鋁線變壓器與銅線變壓器有所區别的地方進行了分(fēn)析，相(xiàng)同的地方不再累述。

1.1.導線材質及電流密度：

Φ1.5以下的采用QQ-2高強度縮醛漆包圓銅線；Φ1.5～Φ2.5采用QQL-2高強度縮醛漆包圓鋁線；其餘采用ZLB-0.45紙包扁鋁線。扁鋁線的寬度應在16mm及以下，寬度與厚度之比b/a=2.5～6。

在産品設計(jì)時電流密度在1.8～2.5A/mm²之間選取。

1.2. 器身(shēn)排油重（35kV及以下）：

Gpy=GFG/7.8+GL//1.85; 器身(shēn)重計(jì)算：Gqs=1.2(GFG+GL）。

1.3. 層式繞組的出頭：

層式繞組的首端出頭，如(rú)并聯根數≤4時用原導線直接引出；當并聯根數＞4時，先焊鋁排再焊銅鋁接頭；末端出頭，如(rú)并聯根數≤2時，用原導線直接引出，這樣可(kě)以省去(qù)過渡連接的鋁排，但(dàn)需要增加出頭的長度。當并聯的根數＞2時，需用鋁排連接。

當高壓分(fēn)接段的導線爲銅導線，而正常段的導線是鋁導線時，在繞組上不必焊銅鋁接頭，而将出頭全部引出，在引線焊接時再焊銅鋁接頭。

1.4. 鋁導線75℃的電阻率爲0.03355Ω.mm²/m。

1.5. 電壓爲0.4 KV的低壓繞組，如(rú)果是四螺旋結構，其低壓引線爲雙面出線，兩面的末端（x、y、z)用鋁排焊接，再用鋁棒沿下鐵轭絕緣和鐵轭墊塊之間從(cóng)側面繞過去(qù)連接在一起。

1.6. 引線用銅鋁接頭的選用

1.6.1. 高壓繞組如(rú)用圓線繞制時，可(kě)将銅鋁接頭焊接在繞組出線端上，引出繞組的均爲銅線。也可(kě)在器身(shēn)裝配時，将銅鋁接頭在繞組外引至引線。

1.6.2. 低壓繞組的銅鋁接頭，一般在套管的軟連接下進行銅鋁過渡，銅鋁接頭由線夾緊固。

1.6.3. 銅鋁接頭的電流密度爲2A/mm2；。

1.6.4. 銅鋁接頭的焊口與兩端焊線的最小距離(lí)，即銅鋁接頭的長度見(jiàn)表1。銅鋁焊口至彎折處的最小直線距離(lí)≥30mm。銅鋁接頭推薦采用專用的藥芯焊絲釺焊，以免鋁焊絲在銅鋁接頭的界面處形成硬脆的、電阻率更高的共晶相(xiàng)而帶來(lái)潛在的危害。

表1.銅鋁接頭的長度

表2.圓形引線用銅鋁接頭

表3.排狀引線用銅鋁接頭

1.6.5. 圓形引線用銅鋁接頭見(jiàn)表2，排狀引線用銅鋁接頭見(jiàn)表3。

1.7. SL11-M-30～1600/10鋁線變壓器的主要材料消耗如(rú)表4，矽鋼片采用DQ147-30。

表4.鋁線變壓器的主要材料消耗

2. 鋁線變壓器焊接工(gōng)藝

2.1. 銅排與鋁排（或銅線與鋁線）的焊接

2.1.1. 焊接工(gōng)藝:

（1）氧—丙烷（天燃氣）；

（2）氧—乙炔石油液化汽的藥芯焊絲火(huǒ)焰釺焊；

（3）電阻焊；

（4）感應焊。

2.1.2. 焊接工(gōng)具：

裝有石油液化汽（天燃氣）的氣瓶、釺焊焊槍。

2.1.3. 焊前處理(lǐ)：

（1）應保證焊接時焊槍的火(huǒ)焰能在接頭處四周均勻加熱(rè)。可(kě)做卡具，使焊接處空出以便于四周加熱(rè)。

（2）用堿液或金屬清洗液将焊接處油污等污物清洗掉，再用銅刷（或鋼絲刷或刮刀或粗砂紙）将接頭焊接處表面上的絕緣層刮去(qù)。

注意：不能抛光(guāng)，因爲釺焊是靠毛細焊接的，抛光(guāng)後不利于焊接。

2.1.4. 火(huǒ)焰的控制及加熱(rè)

選用工(gōng)具優先選用加熱(rè)均勻的空氣助燃焊槍（焊槍帶氣流控制閥和旋轉裝置，火(huǒ)焰經焊嘴旋轉而出，噴出的火(huǒ)焰火(huǒ)力均勻）。優先選用還(hái)原性火(huǒ)焰（天燃氣、石油液化汽燃燒的火(huǒ)焰）。

加熱(rè)方法：火(huǒ)焰要柔和，并能完全包覆焊接區域。應以連接區域爲中心，上下及左右移動火(huǒ)焰使連接區域受熱(rè)均勻（當不同種金屬連接時，應多加熱(rè)導熱(rè)性能好的金屬。如(rú)銅鋁焊接時，應多加熱(rè)銅部件(jiàn)，以保證連接的部件(jiàn)溫度一緻）。

填焊絲方法：先加熱(rè)母材（千萬不要一開始就(jiù)加熱(rè)上海工(gōng)澤厚提供的銅鋁藥芯焊絲，否則木材溫升不夠焊接不牢靠），在加熱(rè)的同時，可(kě)用銅鋁藥芯焊絲碰觸連接區域的工(gōng)件(jiàn)（靠工(gōng)件(jiàn)母材的溫度熔化焊絲，焊接效果更好），當發現銅鋁藥芯焊絲能夠熔化時，應立即進給銅鋁藥芯焊絲，并停止加熱(rè)以免過燒而損壞母材。進給銅鋁藥芯焊絲，直至熔化的釺料填滿焊縫爲止（由于熔化的釺料是由毛細作(zuò)用而滲入焊縫的，所以當看(kàn)見(jiàn)焊縫處充滿釺料的時候，即可(kě)停止進給焊絲以避免不必要的浪費）。

冷(lěng)卻方法：焊接完成後，移開焊槍可(kě)讓其自(zì)然冷(lěng)卻。

注意：焊接時避免火(huǒ)焰長時間對準某一點，且焊接溫度不宜超過630℃，避免将母材燒壞。

推薦采用銅鋁藥芯焊絲來(lái)焊接銅鋁接線排；

當采用銅鋁藥芯焊絲時，其工(gōng)作(zuò)溫度隻有420-480℃，遠(yuǎn)低于母材的熔化溫度，因此更穩安全。接頭處也不會形成硬脆的高電阻率共晶相(xiàng)。

2.1.5. 焊後處理(lǐ)：

冷(lěng)卻後不需要進一步處理(lǐ)，釺劑殘餘物雖可(kě)見(jiàn)但(dàn)無腐蝕性，不吸潮且附着牢固。如(rú)确需要，建議(yì)采用物理(lǐ)方法清除。如(rú)浸泡後采用金屬刷去(qù)除（如(rú)有小毛刷則可(kě)用細砂紙打磨掉）。

2.2. 鋁排的焊接

2.2.1. 鋁排一般選用純鋁（含鋁量≥99.7%）。

鋁排在焊接過程中容易出現如(rú)下缺陷：

在鋁的表面極易生(shēng)成一層緻密的氧化膜（Al2O₃）。氧化膜的熔點約爲2050℃，密度低，焊接時對母材與母材之間，母材與填充材料之間的熔合起阻礙作(zuò)用，影(yǐng)響操作(zuò)者對熔池金屬熔化情況的判斷，還(hái)會造成焊縫金屬夾雜，影(yǐng)響焊接質量。

鋁具有較高的導熱(rè)性和熱(rè)容量，因此焊接時應選用能量集中的熱(rè)源。

因爲鋁的熔點爲658℃（AA4047焊材的共晶點爲577℃），比較低。高溫時的強度和塑性低（370℃時，δb=10N/mm²)，所以當操作(zuò)不慎時便會出現燒穿，焊縫反面焊漏等缺陷。

鋁的線膨脹系數和結晶收縮率約爲碳鋼的2倍，因而焊接的變形大(dà)，對厚度較大(dà)或剛性較大(dà)的結構，大(dà)的收縮應力還(hái)可(kě)能導緻焊接接頭産生(shēng)裂紋。

由于液态鋁可(kě)以溶接大(dà)量的氫，并具有高的導熱(rè)性，在焊接時液态鋁迅速凝固，吸收氫氣來(lái)不及析出，而留在焊接金屬中聚集形成氣孔。另外，焊絲成型過程中如(rú)果使用了潤滑油而沒有清除幹淨，則在釺焊過程中有機(jī)物可(kě)能熱(rè)分(fēn)解産生(shēng)大(dà)量氣體(tǐ)裹入到熔體(tǐ)中形成微小的氣孔。

2.2.2. 焊接方法的選擇

鋁的焊接方法主要取決于焊接的結構、工(gōng)件(jiàn)厚度、生(shēng)産條件(jiàn)和對焊接質量的要求等。鋁排的焊接可(kě)分(fēn)别采用氣焊（中性焰，适用厚度爲0.5～12mm），鎢極氩弧焊（電源采用交流或直流反接，适用厚度爲1.0～10mm），熔化極氩弧焊（電源采用直流反接，适用厚度≥3mm）。

2.2.3. 焊接工(gōng)藝要點

氣焊主要焊接鋁排和接頭。當焊接零件(jiàn)厚度≥15mm時應進行焊前預熱(rè)，預熱(rè)溫度爲200～300℃；當焊件(jiàn)厚度≥4mm時，可(kě)采用右焊法。

焊接工(gōng)藝：

①焊接火(huǒ)焰應選用中性焰，嚴禁使用氧化焰。用氧化焰則産生(shēng)氧化物夾雜，用還(hái)原焰，則鋁表面要發黑(hēi);

②焊炬與焊件(jiàn)的夾角一般爲30°～60°。其夾角的大(dà)小應随材料厚度和焊件(jiàn)溫度的改變而相(xiàng)應改變；

③焊絲與焊炬的夾角一般爲80°～100°。焊厚闆或堆焊時，用焊絲攪拌熔池，以使液态金屬良好的熔合和夾雜浮出；

④焊嘴号碼與焊絲直徑的選擇見(jiàn)表5；

⑤焊接應盡量采用搭接，個别情況可(kě)采用對接；

⑥在焊接過程中，動作(zuò)要迅速，焊炬略做上下跳(tiào)動。應注意加熱(rè)狀态，先變暗後呈銀灰色，當看(kàn)到氧化鋁薄膜略微起皺紋時，應迅速加入焊絲；

⑦如(rú)有必要，焊後在3小時之内清除焊渣及焊粉等。

具體(tǐ)采用何種規格和釺劑的銅鋁藥芯焊絲，請(qǐng)根據我們的聯系方式進一步溝通确定。

注：本文選自(zì)微信公衆号旺材變壓器，有調整及删節；