矩形換位膜包鋁絞線結構的探討

全 偉， 沈家剛， 陳燕泓

(上海順潮工業有限公司，上海201314)

0 引言

我國±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根這種線經過完全換位絞合成矩形導線，外面再繞包聚酰亞胺或聚酯膜和無紡布或無堿玻璃絲帶。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。我公司開發的此產品，經過中國電力企業聯合會的鑒定，成為±800 kV輸電線路的干式平波電抗器所需的關鍵部件，已用于糯扎渡、溪洛渡線路的電抗器中。

1 矩形換位鋁絞線發展歷程

1.1 銅排、鋁排階段

因為大容量的電機、變壓器、電抗器繞組導線截面積大，為使結構緊湊，通常采用矩形截面的導線，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。特別是大尺寸導體的橫截面大，引起渦流損耗大，使整機溫升高。

1.2 裸單絲絞制

開始是裸單絲絞制，用1.5～5.0 mm的多根單芯圓鋁線絞合成多芯裸圓絞線，同時壓制成帶圓角的矩形(見圖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，但應用不廣。

圖1 裸單絲絞制圖

1.3 多個分立絕緣導線絞合壓制成形

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堿玻璃絲帶。但這種結構有其不足之處:壓制時易損壞絕緣導體的薄膜，造成導線間互相導通，還是有小渦流損耗;單絲在壓制過程中變形不規則，內外層不一致，電流分配不均勻。其優點是結構緊湊，導體的填充率較高，寬度與厚度的比例可在1～1.2間變動，便于線圈的設計［2］。

1.4 中心式矩形結構的多層絞合(見圖2)［3］

這種產品的特點是單絲間絕緣，渦流損耗進一步減少，加工方便，可以在多盤的絞線機上一次成形，避免壓制時的薄膜損傷。但其最大的問題是:導線只是在內二層間換位，在內層與外層之間的導線沒有完全換位，因此每層的導線長度相差率在2%～4%(視各層導線絞合時的節徑比，即該層絞線的節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，會因單絲長度不同而電阻不同，各單絲間的電流強度不等，從而造成不同的溫升，影響整機性能。當然這可以通過選擇各個層次的單絲直徑或調整各層次的節徑比來達到理論上的平衡，但實施時難以控制。

1.5 二排絞合矩形換位膜包鋁絞線(見圖3)

為了達到各絕緣單絲的完全換位，發展成更理想的二排線絞合成導體，導體內每根單絲完全換位，長度一致，從原理上講電阻一致;當然在實際生產中，因為單絲間尺寸、電阻率、放線張力等諸多因素，各單絲間的總電阻仍會有偏差，但這已不是設計造成的固有系統偏差了，而且其偏差率會隨著工藝控制的不斷改進而逐步減小。

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(見圖4)

由于僅二排線的絞合，還適應不了大截面的需求，因此電抗器制造廠會采用多根絞線并聯，或者要求絞線制造廠多根導線組合成形，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)中各導線間的總電阻值的偏差率要小。特別對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 典型結構分析

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。缺點是僅適用于接近正方形截面。據某專利介紹，寬度與高度比值在1.2內，其最大的不足是各層單絲長度不一致，造成電阻的不平衡。而且四周與內層的壓縮量不均勻，外層膜易移位破損，影響絕緣。一旦內層絕緣有問題，沒法修復。

2.2 中心式矩陣式排列型

中心式矩陣式排列(見圖5)，理論上每層的根數為 p，p+8，p+8+8，……p+8(n －1)，p為第一層的根數，n為絞合的次數，每2排絞線計算為1層。總根數可用等差級數求和的方法計算: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N為48根。

此方法確實可做大截面的矩形絞線，但實際上不是全換位。內外層單絲長度不一致，無法修復內層絕緣，而且在實踐中，未必能做到每層增加8根線。因為絞合時，如果真的外層比內層多8根，在外層線成形時，相互擠壓后留下空間較大，容易造成“燈籠殼狀”(圖6)，實際壓不住內層矩形線，其結果是繞制時內外層是分離的。根據我們的經驗，每層多6根為佳(見圖7)。

圖6 “燈籠殼狀”視圖

2.3 二排為基本結構的組合型

圖7 中心型的實際結構

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構的組合型的結構。它實現了單絲的全換位;而且組合時導線基本不受擠壓，不會造成膜的損傷;即使導線最終檢驗時有些缺陷，也很容易查明缺陷處后修復。

對于這種結構的絞線，必須注意導線繞制線圈時的寬厚方向:保證繞制時各導線處于同等位置，不可造成內外層的偏差(見圖8)。

圖8 組合型線繞盤形式

3 技術指標和性能探討

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，導體填充率(見圖9)為:

式中:n為排數;m為列數;D為單絲直徑;h為單邊膜的厚度。

圖9 導體填充圖

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:因線圈的高度方向層數較多，一般±800 kV直流輸電線的電抗器每線圈總層數200～300層，故其公差控制應嚴些，一般定為±0.1 mm;

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

3.3 絕緣單絲耐受電壓

由于各單絲是全換位，使用時這些單絲都并聯于接線端，因此在導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線為例，測試的耐壓強度可在4000 V以上，而使用的要求只要絕緣單絲(絞合前)能通過1000～2000 V試驗。

根據使用條件加上適當的安全系數，由絕緣層的材質、厚度和繞包方式來決定絞合后導體的絕緣強度。

3.4 各絕緣單絲間的導通

在矩形換位絞線的發展過程中，與原先的裸單絲絞合相比，眾多的并聯絕緣單絲中個別的導通點引起的環流不足以影響整體性能?，F在隨著制作和檢測水平的提高，導通點大為減少，現在已規定用萬用表或500 V兆歐表來檢測導通點。

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，會形成不同的電流值。隨著時間的增加，電流產生的熱值會引起單絲溫度的升高。溫度的升高會引起電阻率的增加，從而造成電流的重新分配，達到新的平衡。更重要的是由于每一包封由2～3根二排絞合導體組成，就要求同一包封中各導體電阻值越接近越好，這樣更能使包封電阻符合設計要求。

經推導，電阻差與電流的變化見表1。

從表1可知:電阻變化對電流變化引起的發熱有影響，電阻變化率較大時，影響的趨勢更大;但變化率在5%內時，應可控制在允許范圍內;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，足以適應電抗器的需要。

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，其耐溫等級為H級(180℃)和F級(155℃)。耐壓值相差很小，但使用壽命相差很大。由于它們的價格相差10倍，因此適當選擇絕緣材料和合理配置絕緣層對整機的性能和價格至關重要。

4.2 絕緣形式

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

4.3 浸漬處理

在絞合導線時，用絕緣漆或環氧樹脂浸漬處理，這與常規的在繞制線圈時加絕緣漆或環氧樹脂不一樣。因為在絞合時浸漬，絕緣漆進入絞線內部，以后固化時各單絲固結成整體，可有效防止雨水和空氣中水分的侵入，對提高絕緣強度也有一定效果;而且從已有樣機來看，使用絞合時浸漬的絞線可以降低運行時的噪聲。

4.4 膨脹系數

干式電抗器固化成型后，整個結構是硬的、脆性的。電抗器投入運行后，帶電時導線發熱膨脹，停電時又冷卻收縮，因此絕緣材料的膨脹系數要與導線基本接近，否則會引起導線抗拉強度變低，發生斷裂。鋁和樹脂絕緣材料的膨脹系數之比為23.6∶28，銅與樹脂的膨脹系數之比為16∶28。因此，電抗器的導體多數選擇鋁。

4.5 單絲繞包和外層絕緣厚度的配置

作為電抗器的用線，必須合理設計單絲和外層的絕緣。除了要考慮材質、厚度外，還要顧及結構。選定材料后，絕緣的強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。對于矩形換位鋁絞線來說，各絕緣單絲在每個包封之間是絕緣的，每根導線最后在接線端都是并聯的，因此在換位線的任一橫截面上，單絲間按理論上說是同電位的，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，對于組合的換位線結構，可以把主要的絕緣材料用在最外層的整體結構上，對于中間半成品的二層結構外層的絕緣材料可盡量減少，其結果既節省材料，又減小了整機的尺寸。

5 節距和絞合根數

5.1 絞合節距

過大的節距會影響結構的穩定性，不利于導線生產和線圈繞制(會發生導線失穩后扭曲);過小的節距則會增大電阻和增加用料。根據實際經驗，選擇了適用的節周比(節距和矩形截面的周長比)，取4～6。

5.2 絞合根數

因導線絞合時，導線間有橫向的擠壓，如根數過多，會發生類似于壓桿不穩定的問題，引起絞線失穩而扭曲，使整根線報廢。根據已有的設計和制造經驗，矩形換位膜包鋁絞線的單絲根數在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構。

6 結束語

矩形換位膜包鋁絞線現已應用于特高壓的直流輸電領域。由于我國的能源供需的特殊性和幅員遼闊的地理環境，特高壓、超高壓的輸電事業還在繼續發展中，這種結構的鋁絞線還會在交流輸電系統中推廣應用。因此，我們對其結構、性能作些探討，為電抗器的設計和關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線［P］.中國專利:200820075487.X，2009-03-06.

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