配电变压器用漆包铜、铝扁绕组线高温蠕变行为研究

陈 娟， 顾文娟， 谢利娜

（上海电缆研究所有限公司特种电缆技术国家重点实验室，上海200093）

0 引 言

近年来，随着铝扁绕组线在变压器行业中的广泛使用，铜扁绕组线和铝扁绕组线在干式配电变压器中的性能对比越来越受到关注［1］。 其中，铜扁绕组线和铝扁绕组线的长期蠕变行为是铜、铝变压器可靠性和稳定性的重要指标之一［2-3］。 本工作主要是测试干式配电变压器用漆包铜、铝扁绕组线的蠕变性能和常规性能，对铜、铝扁绕组线的可靠性进行评估分析，为变压器制造企业了解铜、铝变压器的差异和选择可靠的材料与技术，起到一定的参考作用。

1 试验部分

1.1 扁绕组线样品

从市场上购置180 级聚酯亚胺漆包铜扁绕组线（QZYB-2／180）和180 级聚酯亚胺漆包铝扁绕组线（QZYB-2／180L）。

1.2 蠕变试验参数

根据GB 1094.11—2007《电力变压器 第11 部分：干式变压器》［4］、GB／T 1094.12—2013《电力变压器 第12 部分：干式电力变压器负载导则》［5］和GB 1094.5—2008《电力变压器第5 部分：承受短路的能力》［6］标准的规定和实际工作经验，漆包铝扁绕组线蠕变试验的耐受温度建议设置为160 ℃。 因此铜扁绕组线和铝扁绕组线蠕变性能对比试验的试验温度设置为160 ℃，耐受应力在35 ～70 MPa（见表 1）。

表1 漆包扁绕组线蠕变试验条件

1.3 试验方法

蠕变试验参照GB／T 2039—2012《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》［7］和 GB／T 4338—2006《金属材料 高温拉伸试验方法》［8］进行。 主要试验步骤如下：①在将试验线放入加热炉中后，在其上施加3 N偏置拉力（在室温下），用于拉直试验线并且不产生塑性变形；②使用杠杆系统的自重在试验线上施加拉伸载荷；③在试验线上施加要求的拉伸载荷之后，炉内温度升高到需要的试验温度，在蠕变试验期间保持试验温度和载荷恒定，直至试验结束。

蠕变试验前后试样常规性能测试参照GB／T 7095.1—2008《漆包铜扁绕组线 第1 部分：一般规定》［9］、GB／T 7095.4—2008《漆包铜扁绕组线 第4 部 分： 180 级聚酯 亚 胺 漆 包铜 扁线》［10］、 IEC 60317-0-9：2015《特种绕组线标准 第0-9 部分：漆包铝扁线一般规定》［11］、IEC 60317-74：2018《特种绕组线标准 第74 部分：180 级聚酯亚胺漆包铝扁线》［12］等标准进行。

2 结果与讨论

2.1 应力对铜扁绕组线和铝扁绕组线蠕变试验的影响

当试验温度设定为160 ℃，耐受应力为35 MPa和70 MPa 时，铜扁绕组线蠕变试验结果见图1。

图1 铜扁绕组线（160 ℃）应力变化对蠕变性能的影响（50 mm 为试验量程）

由图1 可知：当耐受应力为35，70 MPa 时，蠕变曲线没有明显变化，蠕变时间到达75 h 时仍处于蠕变第二阶段。 铝扁绕组线蠕变试验如图2 所示，结果表明，当耐受应力为35 MPa 时，试样在约10 h 时进入蠕变第二阶段，在约50 h 时出现了蠕变第三阶段。 当耐受应力大于或等于40 MPa 时，铝扁绕组线试样由于承受过大的应力，在极短的时间内直接被拉断。 由此可以推测，当蠕变试验温度一定时，铜扁绕组线的耐受应力高于铝扁绕组线。

图2 铝扁绕组线（160 ℃）应力变化对蠕变性能的影响

通过对试验结果的分析（见图3），可以知道：当蠕变试验温度为160 ℃、耐受应力为35 MPa 时，铜扁绕组线在蠕变时间为75 h 时仍然处于蠕变第二阶段，而铝扁绕组线在蠕变时间到达约50 h 时就出现了蠕变第三阶段，表明相同蠕变试验条件下，铜扁绕组线的抗蠕变性能比铝扁绕组线好。

图3 铜／铝扁绕组线（160 ℃，35 MPa）应力变化对蠕变性能的影响

2.2 铜／铝扁绕组线不同蠕变阶段试验结果

为了进一步分析铜／铝扁绕组线蠕变性能的区别，开展了如下试验：①在蠕变试验温度为160 ℃、耐受应力为35 MPa 条件下，铝扁绕组线蠕变试验3 个节点图片采集：蠕变试验开始时、蠕变第一阶段结束、蠕变第二阶段结束；铜扁绕组线图片采集的时间点设定为铝扁绕组线蠕变第二阶段结束时所用的时间。 ②上述试验在铝扁绕组线蠕变第二阶段结束后停止，测试导体的绝缘性能、电阻等电气性能；在与①相同测试条件和蠕变时间（铝扁绕组线第二阶段结束时间）下，测试铜扁绕组线蠕变后试样的绝缘及电阻等电气性能。 具体试验停止时间如下：

Al-stage 1：在蠕变第一阶段快结束时停止试验，试验时间10 h；

Al-stage 2：在蠕变第二阶段快结束时停止试验，试验时间72 h；

Cu-stage 2*：在72 h（铝蠕变第二阶段结束时间）停止试验（“*”表明蠕变试验停止时，铜扁绕组线仍处于蠕变第二阶段）。

不同蠕变阶段的蠕变曲线见图4。

图4 铜／铝扁绕组线（160 ℃，35 MPa）不同蠕变阶段

由图4 可知：在蠕变试验温度为160 ℃、耐受应力为35 MPa 条件下，试验时间为10 h 时，铝扁绕组线从蠕变第一阶段进入到蠕变第二阶段（Al-stage 1），而铜扁绕组线不能清晰地判断出是否进入蠕变第二阶段；当试验时间为72 h 时，铝扁绕组线的蠕变曲线处于第二阶段结束（Al-stage 2），而铜扁绕组线仍然处于蠕变第二阶段（Cu-stage 2*），由此可以进一步推测出，相同试验条件下，铝扁绕组线的蠕变性能比铜扁绕组线明显。

而对不同蠕变阶段试样表面微观形貌分析可知，与铝扁绕组线原始试样相比［见图5（a）］，在蠕变第一阶段快结束时，试样表面漆膜轻微鼓泡，没有明显的裂纹［见图5（b）］，而在蠕变第二阶段快结束时，试样表面破损严重，漆膜发生鼓泡，有大量明显的纵向裂纹或缺口［见图5（c）］。 而在蠕变时间为72 h 时，铜扁绕组线表面漆膜［见图5（e）］与原始试样［见图 5（d）］相比，没有明显的变化。 结果表明：在蠕变试验温度为 160 ℃、耐受应力为35 MPa条件下，蠕变时间达到72 h 时，铝扁绕组线试样发生了较大的变形，导致表面漆膜发生鼓泡、破损等现象，而铜扁绕组线试样变形较小，表面漆膜未发生明显变化。

图5 不同蠕变阶段试样表面微观形貌

不同蠕变阶段试样的导体尺寸及电气性能的变化见表2。 通过分析蠕变前后试样的数据可知：

表2 不同蠕变阶段试样导体尺寸和电气性能的变化

（1）导体尺寸：与原始试样相比，Al-stage 2 试样窄边缩小了约29%，宽边缩小了20%；而Cu-stage 2*试样窄边缩小了24%，宽边缩小了8%。 蠕变前后导体尺寸的变化结果表明，相同试验条件下，铝扁绕组线试样截面尺寸收缩比铜扁绕组线试样明显。

（2）直流电阻：随着蠕变时间的增加，铝扁绕组线和铜扁绕组线试样的直流电阻均增加。

（3）直流电阻率：两种试样的直流电阻率均随着蠕变时间的增加而降低，与原始试样相比，Alstage 2 试样的直流电阻率降低了35%，而Cu-stage 2*试样降低了5%。 结果表明，在相同试验条件下，铝扁绕组线试样比铜扁绕组线的导电性能降低明显。

3 结束语

当蠕变试验温度为160 ℃时，通过对铜／铝扁绕组线的耐受应力、蠕变阶段、表面形貌、导体尺寸和电气性能的对比研究可以得到如下结论：

（1）在蠕变试验温度为160 ℃时，铝扁绕组线的耐受应力明显低于铜扁绕组线；

（2）在蠕变试验温度为 160 ℃、耐受应力为35 MPa时，铝扁绕组线的蠕变行为比铜扁绕组线明显；

（3）导体尺寸测试结果表明，相同试验条件下，铝扁绕组线试样截面尺寸收缩比铜扁绕组线试样的明显；

（4）直流电阻率计算结果表明，相同试验条件下，铝扁绕组线试样导电性能劣化比铜扁绕组线的明显。

由此可以推测出，在相同蠕变试验条件下，铝扁绕组线的抗蠕变性能明显劣于铜扁绕组线。