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[摘 要]本文介绍了配电变压器铜铝绕组的情况，并提出了一种分析鉴别绕组材质的方法。
[关键词]铜绕组变压器，铝绕组变压器，铜铝焊接，模拟计算
中图分类号：S492 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0254-02
1 前言
中国电力建设的迅猛发展带动了中国变压器制造行业的发展，我国变压器行业企业数量非常庞大，中低端变压器市场生产能力严重过剩。据统计，2013年全行业有1650家企业，其中中小企业占比约80%，国内变压器的产能利用率仅为50%。过度的市场竞争导致企业利润越来越薄。同一性能变压器，采用全铜绕组或者全铝绕组，其成本相差20%～50%。在配电变压器应用领域，变压器绕组“以铝代铜”的行为这几年逐渐浮出水面，特别是在“尼泊尔罚款”和“奥凯电缆”事件曝光以后，引起社会广泛关注，许多使用单位和科研单位都开始摸索鉴别变压器绕组材质的方法。绕组是变压器的“心脏”，它不仅关乎成本，更关乎变压器的质量。本文旨在谈谈两者的一些相同点和区别，并探讨简单的鉴别方法以供市场参考。
2 铜绕组变压器和铝绕组变压器的相同点
2.1 相同的设计和检验标准
同一型号的变压器，无论绕组采用铜线或是铝线进行设计，都是执行相同的标准。检验人员通过例行试验、型式试验、特殊试验对变压器进行测试，通过测试的变压器则判断为合格品，因此性能测试无法鉴别变压器绕组材质。从性能测试角度来看，无论铜绕组或铝绕组变压器，只要按照高标准的工艺制造，是合格的产品，两种变压器均能挂网运行，达到同样的使用效果。
2.2 相同的运行环境
挂网运行的变压器，无论绕组材质，都需要长期经受电网用电的波动、短路力的冲击，热膨胀、负荷不稳定、特别是一些恶劣环境等电网存在的情况。用户应依据铜铝产品的技术和经济特点，结合产品运行环境进行选择。
3 铜绕组变压器和铝绕组变压器的不同点
3.1 铜和铝的特性差别
铜和铝的相关特性见表1，铝导体无论在导电性能、机械性能、热膨胀等方面都比铜导体差。铝导体的导电率只有铜导体的60%左右，线性膨胀系数是铜导体的1.3倍左右，抗拉强度只有铜导体的约50%。还有从抗电化腐蚀和抗蠕变能力、伸长率等角度，铜导体都要优于铝导体。
3.2 几种“以铝代铜”绕组
行业内普遍采用三种绕组设计方法来降低变压器成本，分别是：全铝、半铜半铝和铜铝过渡绕组，。
全铝是指高压绕组和低压绕组为铝导体，引线部分也采用铝导体。全铝产品對原材料，如铝排、铝线的工艺质量要求较高。制定操作工艺时，要考虑铝导体的极限抗张强度、屈服强度以及伸长率较差的情况。铝导体要和铜导体达到同样的载流量，其导体截面是铜导体的160%～170%倍，因此同一性能要求时，全铝绕组变压器的外形与全铜绕组变压器有显著差异，前者明显大于后者。
半铜半铝通常是指，高压绕组或低压绕组其中一个绕组采用铝导体，另一个采用铜导体。一般会将内线圈设计为铝绕组，外线圈设计为铜绕组。半铜半铝绕组变压器外形上和全铜绕组的变压器差异相对较小。
从技术安全角度看，按铜铝过渡设计的绕组质量最难以保障，通常是一个绕组有一部分是铝导体，有一部分是铜导体。例如绕组采取层式设计时，则可能内部几层采用铝导体，外部两层采用铜导体，或者仅表面部分是铜导体。其关键点是接头技术及其使用的可靠性。铜铝两部分直接对焊或者利用铜铝过渡线焊接而连在一起，易出现虚焊、焊接不可靠等问题，故障率高。
实际上，在我国真正做全铝变压器的厂家很少，更普遍的做法是，绕组采用全铝导体，但是外露出线部分还是采用铜导体，这样也存在铜铝焊接或搭接的问题。例如，浇注式干式变压器，如果高压线圈采用铝线绕制，而高压分接端子处采用铜螺母出线，则需要将铝线焊接在铜螺母上；或者低压采用铝箔绕制，而出线端子采用铜排，都同样需要铜铝焊接。
因为铝导体在导电性能，热膨胀系数、抗张强度和抗蠕变能力等方面均不及铜导体。以上几种情况如果工艺控制不严格，极易引发变压器故障，也易因铜铝热胀冷缩后的接触不良，甚至产生接触不紧密、氧化发热等恶性循环而引发变压器烧毁事故。
3.3 铜绕组变压器和铝绕组变压器的鉴别
3.3.1 通过检测设备鉴别
现在已经有研究单位的专家初步研发出了一种铜铝鉴别的设备。如果该设备能够真正有效的投入市场使用，必定会十分受用户和检测机构的青睐。
3.3.2 利用外形尺寸，模拟计算进行鉴别
在没有专业设备时，用户邀请变压器行业厂家专业人士辅助进行鉴别也是可行的一种方法。变压器厂家的专业设计人员对于铜铝产品的设计理念、方法都很清楚，明白两者的差别。最简单的方法就是通过外形尺寸鉴别，该方法在过去几年内已经被多个工程单位实践，分辨准确率达到99%。以配电变压器浇注式干式变压器为例，如果一台变压器为全铝绕组变压器，其铭牌未标识出绕组为铝导体，参数都显示和全铜绕组变压器相近，那可以通过以下几个步骤进行鉴别：
（1）确定各项基础参数。变检测压器性能，测试项目包括容量、电压变比、直流电阻、工频耐压、空载损耗、负载损耗、短路阻抗。
（2）尺寸测量。测量铁心尺寸，绕组尺寸。通过这两部分的尺寸，结合第一步测试的损耗性能等，基本能计算出绕组是铜线还是铝线。
（3）模拟计算，鉴别铜铝绕组。设计人员利用已知的容量、电压、连接组别等参数，以及测量的铁心尺寸，估算出铁心参数，再利用绕组尺寸，基本可以估算出匝数和导线规格。重点是计算变压器负载损耗值，最终从该值的数据判别出绕组材质。变压器的负载损耗由导体直流电阻损耗和附加损耗组成，根据特定的容量和产品结构，先按经验数据估算出附加损耗的大小，重点是分析绕组导体直流电阻损耗的计算。直流电阻损耗公式：P=I2R，直流电阻R=ρ*L/S，其中ρ为导体电阻率，L为绕组导体的长度，S为绕组导体的截面积，根据前面尺寸计算，已知L和S，则R与ρ呈正比。假设该台变压器是全铝绕组，那么采用铝线的电阻率ρ值进行计算，则可以得出其负载损耗值与测试值差不多，但是如果采用铜线的电阻率ρ值进行计算，则会计算出负载损耗只有实际测试值的60%左右，明显不符合实际。因此代入两个ρ值计算可以发现，此台变压器显然不是铜绕组变压器。反之，亦可按以上方法推断出正确结论。可见铜和铝电阻率约60%的差异，是通过计算鉴别铜铝绕组的关键，也因其差异大，使得鉴别的准确率很高。
通过分析树脂浇注干式变压器，可知铜铝绕组变压器有以下特征：第一，明显的高度差异，对比同容量、同性能水平的变压器整体外形，铜、铝变压器的长、宽尺寸基本一致，但铝绕组变压器比铜绕组变压器高出约15%。第二，铝绕组包封厚度较铜绕组偏厚约30%，绕组高度较铜线偏高约35%。部分案例可参考表2。油浸式配电变压器也可以参考以上方法进行鉴别，但是因为有油箱，鉴别流程相对复杂一点，需要将器身从油箱里面吊出来进行检查。
4 结束语
总体而言，国内用户是倾向于采用铜绕组变压器的。从国家电网和南方电网公司的招标要求可以看出，招标产品几乎都要求变压器采用铜绕组。“以铝代铜”变压器是我国变压器行业发展中的阶段性产品，随着市场的不断严格规范，这种现象必定会被逐渐杜绝。在一些发达国家，全铝变压器应用比较广泛，变压器的所有导电部分均采用铝导体，不存在铜铝过渡的做法，这与一个国家的资源利用，技术水平，市场环境有关。而我国是否应推行全铝变压器替代全铜变压器，这是一个需要从变压器产业发展现状、国家铜铝资源现状，以及整个产业链等方面深入全面研究的课题。在现阶段，用户和检测机构应加强对铜铝变压器的认识，可以参考本文提出的鉴别方法，同时也可在合同中增加规范条款。
作者简介
龙丽琼（1985-），女，湖北荆州人，海鸿电气有限公司，电气工程师，主要从事立体卷铁心变压器产品技术研究工作。
[关键词]铜绕组变压器，铝绕组变压器，铜铝焊接，模拟计算
中图分类号：S492 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0254-02
1 前言
中国电力建设的迅猛发展带动了中国变压器制造行业的发展，我国变压器行业企业数量非常庞大，中低端变压器市场生产能力严重过剩。据统计，2013年全行业有1650家企业，其中中小企业占比约80%，国内变压器的产能利用率仅为50%。过度的市场竞争导致企业利润越来越薄。同一性能变压器，采用全铜绕组或者全铝绕组，其成本相差20%～50%。在配电变压器应用领域，变压器绕组“以铝代铜”的行为这几年逐渐浮出水面，特别是在“尼泊尔罚款”和“奥凯电缆”事件曝光以后，引起社会广泛关注，许多使用单位和科研单位都开始摸索鉴别变压器绕组材质的方法。绕组是变压器的“心脏”，它不仅关乎成本，更关乎变压器的质量。本文旨在谈谈两者的一些相同点和区别，并探讨简单的鉴别方法以供市场参考。
2 铜绕组变压器和铝绕组变压器的相同点
2.1 相同的设计和检验标准
同一型号的变压器，无论绕组采用铜线或是铝线进行设计，都是执行相同的标准。检验人员通过例行试验、型式试验、特殊试验对变压器进行测试，通过测试的变压器则判断为合格品，因此性能测试无法鉴别变压器绕组材质。从性能测试角度来看，无论铜绕组或铝绕组变压器，只要按照高标准的工艺制造，是合格的产品，两种变压器均能挂网运行，达到同样的使用效果。
2.2 相同的运行环境
挂网运行的变压器，无论绕组材质，都需要长期经受电网用电的波动、短路力的冲击，热膨胀、负荷不稳定、特别是一些恶劣环境等电网存在的情况。用户应依据铜铝产品的技术和经济特点，结合产品运行环境进行选择。
3 铜绕组变压器和铝绕组变压器的不同点
3.1 铜和铝的特性差别
铜和铝的相关特性见表1，铝导体无论在导电性能、机械性能、热膨胀等方面都比铜导体差。铝导体的导电率只有铜导体的60%左右，线性膨胀系数是铜导体的1.3倍左右，抗拉强度只有铜导体的约50%。还有从抗电化腐蚀和抗蠕变能力、伸长率等角度，铜导体都要优于铝导体。
3.2 几种“以铝代铜”绕组
行业内普遍采用三种绕组设计方法来降低变压器成本，分别是：全铝、半铜半铝和铜铝过渡绕组，。
全铝是指高压绕组和低压绕组为铝导体，引线部分也采用铝导体。全铝产品對原材料，如铝排、铝线的工艺质量要求较高。制定操作工艺时，要考虑铝导体的极限抗张强度、屈服强度以及伸长率较差的情况。铝导体要和铜导体达到同样的载流量，其导体截面是铜导体的160%～170%倍，因此同一性能要求时，全铝绕组变压器的外形与全铜绕组变压器有显著差异，前者明显大于后者。
半铜半铝通常是指，高压绕组或低压绕组其中一个绕组采用铝导体，另一个采用铜导体。一般会将内线圈设计为铝绕组，外线圈设计为铜绕组。半铜半铝绕组变压器外形上和全铜绕组的变压器差异相对较小。
从技术安全角度看，按铜铝过渡设计的绕组质量最难以保障，通常是一个绕组有一部分是铝导体，有一部分是铜导体。例如绕组采取层式设计时，则可能内部几层采用铝导体，外部两层采用铜导体，或者仅表面部分是铜导体。其关键点是接头技术及其使用的可靠性。铜铝两部分直接对焊或者利用铜铝过渡线焊接而连在一起，易出现虚焊、焊接不可靠等问题，故障率高。
实际上，在我国真正做全铝变压器的厂家很少，更普遍的做法是，绕组采用全铝导体，但是外露出线部分还是采用铜导体，这样也存在铜铝焊接或搭接的问题。例如，浇注式干式变压器，如果高压线圈采用铝线绕制，而高压分接端子处采用铜螺母出线，则需要将铝线焊接在铜螺母上；或者低压采用铝箔绕制，而出线端子采用铜排，都同样需要铜铝焊接。
因为铝导体在导电性能，热膨胀系数、抗张强度和抗蠕变能力等方面均不及铜导体。以上几种情况如果工艺控制不严格，极易引发变压器故障，也易因铜铝热胀冷缩后的接触不良，甚至产生接触不紧密、氧化发热等恶性循环而引发变压器烧毁事故。
3.3 铜绕组变压器和铝绕组变压器的鉴别
3.3.1 通过检测设备鉴别
现在已经有研究单位的专家初步研发出了一种铜铝鉴别的设备。如果该设备能够真正有效的投入市场使用，必定会十分受用户和检测机构的青睐。
3.3.2 利用外形尺寸，模拟计算进行鉴别
在没有专业设备时，用户邀请变压器行业厂家专业人士辅助进行鉴别也是可行的一种方法。变压器厂家的专业设计人员对于铜铝产品的设计理念、方法都很清楚，明白两者的差别。最简单的方法就是通过外形尺寸鉴别，该方法在过去几年内已经被多个工程单位实践，分辨准确率达到99%。以配电变压器浇注式干式变压器为例，如果一台变压器为全铝绕组变压器，其铭牌未标识出绕组为铝导体，参数都显示和全铜绕组变压器相近，那可以通过以下几个步骤进行鉴别：
（1）确定各项基础参数。变检测压器性能，测试项目包括容量、电压变比、直流电阻、工频耐压、空载损耗、负载损耗、短路阻抗。
（2）尺寸测量。测量铁心尺寸，绕组尺寸。通过这两部分的尺寸，结合第一步测试的损耗性能等，基本能计算出绕组是铜线还是铝线。
（3）模拟计算，鉴别铜铝绕组。设计人员利用已知的容量、电压、连接组别等参数，以及测量的铁心尺寸，估算出铁心参数，再利用绕组尺寸，基本可以估算出匝数和导线规格。重点是计算变压器负载损耗值，最终从该值的数据判别出绕组材质。变压器的负载损耗由导体直流电阻损耗和附加损耗组成，根据特定的容量和产品结构，先按经验数据估算出附加损耗的大小，重点是分析绕组导体直流电阻损耗的计算。直流电阻损耗公式：P=I2R，直流电阻R=ρ*L/S，其中ρ为导体电阻率，L为绕组导体的长度，S为绕组导体的截面积，根据前面尺寸计算，已知L和S，则R与ρ呈正比。假设该台变压器是全铝绕组，那么采用铝线的电阻率ρ值进行计算，则可以得出其负载损耗值与测试值差不多，但是如果采用铜线的电阻率ρ值进行计算，则会计算出负载损耗只有实际测试值的60%左右，明显不符合实际。因此代入两个ρ值计算可以发现，此台变压器显然不是铜绕组变压器。反之，亦可按以上方法推断出正确结论。可见铜和铝电阻率约60%的差异，是通过计算鉴别铜铝绕组的关键，也因其差异大，使得鉴别的准确率很高。
通过分析树脂浇注干式变压器，可知铜铝绕组变压器有以下特征：第一，明显的高度差异，对比同容量、同性能水平的变压器整体外形，铜、铝变压器的长、宽尺寸基本一致，但铝绕组变压器比铜绕组变压器高出约15%。第二，铝绕组包封厚度较铜绕组偏厚约30%，绕组高度较铜线偏高约35%。部分案例可参考表2。油浸式配电变压器也可以参考以上方法进行鉴别，但是因为有油箱，鉴别流程相对复杂一点，需要将器身从油箱里面吊出来进行检查。
4 结束语
总体而言，国内用户是倾向于采用铜绕组变压器的。从国家电网和南方电网公司的招标要求可以看出，招标产品几乎都要求变压器采用铜绕组。“以铝代铜”变压器是我国变压器行业发展中的阶段性产品，随着市场的不断严格规范，这种现象必定会被逐渐杜绝。在一些发达国家，全铝变压器应用比较广泛，变压器的所有导电部分均采用铝导体，不存在铜铝过渡的做法，这与一个国家的资源利用，技术水平，市场环境有关。而我国是否应推行全铝变压器替代全铜变压器，这是一个需要从变压器产业发展现状、国家铜铝资源现状，以及整个产业链等方面深入全面研究的课题。在现阶段，用户和检测机构应加强对铜铝变压器的认识，可以参考本文提出的鉴别方法，同时也可在合同中增加规范条款。
作者简介
龙丽琼（1985-），女，湖北荆州人，海鸿电气有限公司，电气工程师，主要从事立体卷铁心变压器产品技术研究工作。