便攜式干式變壓器導(dǎo)線材料原位無損檢測(cè)裝置的研制

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(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧 530015)

對(duì)于干式變壓器，繞組的材料非常關(guān)鍵。有的廠家為獲取高利潤(rùn)，用鋁線代替銅線作為繞組材料，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了極大的隱患。由于繞組材料外面覆蓋有環(huán)氧樹脂澆注的絕緣層，故目前通常采取抽檢方式，去除其絕緣層后再對(duì)繞組的材料進(jìn)行鑒別。該檢測(cè)方法具有破壞性、成本較高，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)干式變壓器的全部檢測(cè)。

筆者研制出一種便攜式渦流檢測(cè)裝置，可適用于干式變壓器導(dǎo)線材料的無損鑒別。

1 檢測(cè)原理

電磁渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的一種無損檢測(cè)方法，適用于導(dǎo)電材料。當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)有感應(yīng)電流存在，即產(chǎn)生渦流。導(dǎo)體自身各種因素(如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀、尺寸和缺陷等)的變化，會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電流的變化，利用這種變化的現(xiàn)象來判知導(dǎo)體性質(zhì)、狀態(tài)及有無缺陷的檢測(cè)方法[1]，叫做電磁渦流檢測(cè)方法。因此，通過儀器檢測(cè)出線圈中電壓或阻抗的變化，即可間接地發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體內(nèi)缺陷(或其他性質(zhì)變化)的存在。渦流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于可以在不去除表面涂層的情況下,方便可靠地檢測(cè)出導(dǎo)體的材料，涂層厚度相當(dāng)于增加了提離高度[2]。

變壓器導(dǎo)線無論是銅材、鋁材還是銅鋁合金材料，均是導(dǎo)體材料。由于其電導(dǎo)率不一樣，因此在變化的磁場(chǎng)中，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流(渦電流)的相位是存在差異的。

2 檢測(cè)裝置的構(gòu)成

便攜式干式變壓器導(dǎo)線材料原位無損檢測(cè)裝置由嵌入式計(jì)算機(jī)、渦流檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、PC(計(jì)算機(jī))通訊電路和導(dǎo)線材料檢測(cè)軟件構(gòu)成(見圖1)。

圖1 檢測(cè)裝置儀器結(jié)構(gòu)示意

選用ARM 9處理器作為系統(tǒng)控制核心的微控制器，操作系統(tǒng)選用Linux。利用ARM9處理器豐富的外設(shè)、接口資源，對(duì)系統(tǒng)各模塊進(jìn)行連接與控制。運(yùn)用DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢波、濾波、相位旋轉(zhuǎn)等處理。

檢測(cè)裝置的工作過程為：波形發(fā)生器產(chǎn)生渦流檢測(cè)所需的特定頻率的激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)功率放大器后加載到渦流傳感器上。渦流傳感器拾取包含有關(guān)被檢試件信息的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后，送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行高速采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送DSP進(jìn)行檢波、濾波、相位旋轉(zhuǎn)等處理； ARM9嵌入式計(jì)算機(jī)對(duì)DSP送來的信息作進(jìn)一步處理，將檢測(cè)結(jié)果在TFT液晶屏上直觀顯示為鋁或銅以及絕緣層的厚度。

3 主要電路

3.1 渦流激勵(lì)信號(hào)的波形變換電路

圖2 渦流激勵(lì)信號(hào)波形變換電路

該檢測(cè)裝置使用的是正弦波激勵(lì)信號(hào)，波形變換電路如圖2所示，波形變換單元將波形發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)送至LC5512(可編程邏輯芯片)，經(jīng)DSP內(nèi)部模塊PLL(鎖相回路)倍頻后，觸發(fā)內(nèi)部的同步RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)，同步RAM單元中已事先加載了正弦波波形表，RAM的輸出經(jīng)過10位高速的DAC(數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)將數(shù)字量變成模擬量，模擬量再經(jīng)過一定的平滑后變成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)。正弦波信號(hào)經(jīng)過波形變換和驅(qū)動(dòng)電路后，能加載到探頭上。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路的功能是對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，包括濾波電路和放大電路。濾波器的作用是將干擾信號(hào)衰減到最小，提高信號(hào)的信噪比?？烧{(diào)增益放大器的作用是將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行不同程度地放大，改變檢測(cè)靈敏度。

3.3 處理器部分

處理器部分由DSP處理器、ARM核心板、數(shù)據(jù)緩沖單元和握手控制邏輯單元組成，處理器基本電路連接示意如圖3所示?；谟布娐返暮?jiǎn)化設(shè)計(jì)，裝置采用的高性能、低功耗的32位微處理器，最高工作頻率可達(dá)到400 MHz，運(yùn)算能力達(dá)到450MIPS。芯片提供了四路外部可編程時(shí)鐘輸出。微處理器集成LCD控制器可以支持4k色STN和256k色TFT，有一個(gè)LCD專用外部時(shí)鐘通道。微處理器通過外部總線接口(EBI)可擴(kuò)展大容量FLASH芯片,解決系統(tǒng)存儲(chǔ)問題；芯片還提供了兩個(gè)USB 1.1的主機(jī),免去了外接USB芯片與PC機(jī)通訊的麻煩；另外片內(nèi)的其他資源,諸如130個(gè)可編程I/O口為擴(kuò)展鍵盤和控制其他芯片工作提供了極為靈活的硬件連線方式。

圖3 處理器基本電路連接示意

4 裝置檢測(cè)能力測(cè)試及分析

筆者設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置，委托愛德森(廈門)電子有限公司負(fù)責(zé)加工，實(shí)物圖片如圖4所示。下面通過對(duì)3組試樣的測(cè)試，來證明檢測(cè)裝置在不破壞變壓器絕緣層的條件下，具備檢出導(dǎo)體材料的能力。

圖4 檢測(cè)裝置實(shí)物圖片

圖5為銅鋁兩種材料的檢測(cè)信號(hào)，上面的信號(hào)代表鋁材，下面的信號(hào)代表銅材。由圖5可看出，兩種材料對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)，具有不同的相位角。

圖5 銅鋁兩種材料的檢測(cè)信號(hào)

圖6 同一種材料在不同絕緣層厚度下的檢測(cè)信號(hào)

圖6為同一種材料在不同絕緣層厚度下的檢測(cè)信號(hào)，可見當(dāng)覆蓋的絕緣層厚度不同時(shí)，只是檢測(cè)信號(hào)的變化幅度存在差異，檢測(cè)信號(hào)的相位角沒有變化。在圖6中，“+”對(duì)應(yīng)的是不同絕緣層厚度下的檢測(cè)信號(hào)。

4.1 第一組測(cè)試試樣

第一組測(cè)試試樣(見圖7)中，銅材直徑為1.45 mm，鋁材直徑為1.6 mm。在金屬材料上覆蓋4.80 mm厚的絕緣層后，檢測(cè)界面如圖8所示。

圖7 第一組測(cè)試試樣實(shí)物圖片

圖8 第一組試樣檢測(cè)界面

圖8(a)為探頭放置在鋁材上的檢測(cè)界面，屏幕左下角自動(dòng)顯示出檢測(cè)材料為鋁材，絕緣層厚度為4.68 mm；圖8(b)為探頭放置在銅材上的檢測(cè)界面，屏幕左下角自動(dòng)顯示出檢測(cè)材料為銅材，絕緣層厚度為4.75 mm。

4.2 第二組測(cè)試試樣

第二組測(cè)試試樣(見圖9)中，銅材規(guī)格(長(zhǎng)×厚)為4.5 mm×2.36 mm，鋁材規(guī)格(長(zhǎng)×厚)為5 mm×2.36 mm。在金屬材料上覆蓋4.80 mm厚的絕緣層后，檢測(cè)界面如圖10所示。

圖9 第二組測(cè)試試樣實(shí)物圖片

圖10(a)為探頭放置在鋁材上的檢測(cè)界面，屏幕左下角自動(dòng)顯示出檢測(cè)材料為鋁材，絕緣層厚度為4.63 mm；圖10(b)為探頭放置在銅材上的檢測(cè)界面，屏幕左下角自動(dòng)顯示出檢測(cè)材料為銅材，絕緣層厚度為4.66 mm。

4.3 第三組測(cè)試試樣

第三組測(cè)試試樣(見圖11)中，銅材規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為10.5 mm×3.15 mm，鋁材規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為10 mm×3.35 mm。在金屬材料上覆蓋4.80 mm厚的絕緣層后，檢測(cè)界面如圖12所示。

圖10 第二組試樣的檢測(cè)界面

圖11 第三組測(cè)試試樣實(shí)物圖片

圖12 第三組試樣的檢測(cè)界面

圖12(a)為探頭放置在鋁材上的檢測(cè)界面，屏幕左下角自動(dòng)顯示出檢測(cè)材料為鋁材，絕緣層厚度為4.70 mm；圖12(b)為探頭放置在銅材上的檢測(cè)界面，屏幕左下角自動(dòng)顯示出檢測(cè)材料為銅材，絕緣層厚度為4.77 mm。

匯總?cè)M試樣銅材和鋁材的檢測(cè)結(jié)果，如表1所示。

雖然檢測(cè)裝置所測(cè)得的絕緣層厚度均與實(shí)際厚度存在不同的偏差，但3組試驗(yàn)都能準(zhǔn)確區(qū)分出鋁材和銅材，檢測(cè)裝置達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

表1 不同規(guī)格鋁材和銅材的絕緣層厚度的檢測(cè)結(jié)果 mm

5 結(jié)語

目前，我國(guó)干式變壓器的容量大多在160～2 500 kVA之間，線圈的材料規(guī)格(寬×厚)通常小于12.5 mm×3.15 mm(相同容量的變壓器，各生產(chǎn)廠家的線圈規(guī)格略有差異)，絕緣層厚度通常小于5 mm。進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)表明，所研制的便攜式檢測(cè)裝置，可以滿足容量在160～2 500 kVA之間的干式變壓器線圈材料的無損鑒別需求。

[1] 任吉林，林俊明. 電磁無損檢測(cè)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

[2] 張穎志,徐志祥.帶涂層金屬零件表面缺陷的無損檢測(cè)綜述[J]. 儀器儀表與分析監(jiān)測(cè), 2015(2):1-5.