電力變壓器繞組材料的無損鑒別方法

， ， ，，

(1.國家智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,東莞 523325;2.國際銅業(yè)協(xié)會(huì), 北京 100045;3.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 廣州 510006)

隨著中國電力行業(yè)的快速發(fā)展，銅和鋁作為重要的電工材料，市場(chǎng)需求越來越大。由于鋁材具有絕對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，故以鋁代替銅的問題日益成為電力工業(yè)乃至國家層面普遍關(guān)心的話題[1]。但鋁的電阻率比銅大，熔點(diǎn)比銅低，抗延展性較差，抗氧化性能比銅差[2]。因此，目前在電力行業(yè)主要還是采用銅材為主，但在電力變壓器制造領(lǐng)域，出現(xiàn)了銅包鋁線材產(chǎn)品或直接將鋁線用于變壓器繞組來代替純銅線，且在銘牌型號(hào)中無任何鋁材標(biāo)識(shí)的現(xiàn)象。目前，國內(nèi)外還沒有一種現(xiàn)成的技術(shù)或儀器設(shè)備能迅速準(zhǔn)確判定或鑒定出變壓器繞組為銅或鋁或銅包鋁材料。國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家缺乏誠信，為獲取暴利，以鋁代銅，且不在銘牌中聲明或明示，給電網(wǎng)公司或用戶造成了選型誤導(dǎo)和場(chǎng)合誤用，也給電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來了威脅和隱患。目前對(duì)于電網(wǎng)公司，鑒別銅鋁繞組材料的準(zhǔn)確方法是通過電鋸刀進(jìn)行繞組切割來進(jìn)行判定。此方法原始粗暴，對(duì)產(chǎn)品破壞性極大，而且對(duì)一些在線運(yùn)行的配電變壓器，難以實(shí)施。因此，亟待希望能有一種設(shè)備或技術(shù)在不破壞產(chǎn)品的前提下，迅速判定或鑒定配電變壓器繞組材料。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國外普遍認(rèn)為鋁繞組變壓器可以取代銅繞組變壓器[3]，且國外誠信體制較完善，即使生產(chǎn)者使用鋁繞組變壓器，也會(huì)在產(chǎn)品銘牌中聲明或明示，所以國外對(duì)于此方面研究甚少。國內(nèi)近幾年一些科研單位或大學(xué)如國際(中國)銅業(yè)協(xié)會(huì)，云南電科院、重慶電科院和重慶大學(xué)等進(jìn)行了一些相關(guān)研究，文獻(xiàn)[4]與[5]中提到了在10 kV配電變壓器常規(guī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)比銅鋁導(dǎo)線的性能差異，分析了銅鋁繞組配電變壓器電氣性能、結(jié)構(gòu)尺寸、價(jià)格比例的差異，探討了可作為配電變壓器繞組材料鑒別的可能因素。文獻(xiàn)[6]中描述了鋁導(dǎo)線油浸式變壓器的質(zhì)量、尺寸特征，介紹了其油箱容積、器身密度等的計(jì)算方法以及鋁導(dǎo)線油浸式變壓器的判斷步驟。文獻(xiàn)[7]中提出了一種基于熱電效應(yīng)的變壓器內(nèi)部繞組材料的無損鑒別方法，其基本原理是利用銅和鋁的Seebeck 系數(shù)差異，通過理論推導(dǎo)得到了變壓器繞組回路熱電勢(shì)值與繞組材料的關(guān)系，并建立試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。文獻(xiàn)[8]與[9]提出了一種基于改進(jìn)自然降溫法的變壓器內(nèi)部繞組材料的無損檢測(cè)方法，該方法通過對(duì)變壓器進(jìn)行升溫和自然降溫計(jì)算電阻溫度系數(shù)，并基于此實(shí)現(xiàn)繞組材料檢測(cè)。文獻(xiàn)[10]提出了基于X射線的鑒別方法，探討了均勻遮蔽物中不同繞組材料的X射線衰減規(guī)律。文獻(xiàn)[11]與[12]介紹了電渦流法通過線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因素等參數(shù)來鑒別金屬材料的方法。文獻(xiàn)[13]通過測(cè)量繞組參數(shù)與收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了配電變壓器繞組參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，并將試驗(yàn)配電變壓器繞組參數(shù)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，得到繞組參數(shù)分布的概率密度曲線，再根據(jù)繞組參數(shù)的影響因子，建立分析模型以綜合判定變壓器繞組的材料。以上各文獻(xiàn)從理論上驗(yàn)證了電力變壓器銅鋁繞組無損鑒別的可能性，但實(shí)際的設(shè)備或算法有待進(jìn)一步驗(yàn)證和應(yīng)用。

2 方法探索和驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法

由于銅鋁的性能差異較大，銅材在電性能、熱性能等方面優(yōu)于鋁材，為了滿足性能要求，選擇不同的繞組材料，必將導(dǎo)致變壓器的質(zhì)量、體積、結(jié)構(gòu)和性能存在差異。

根據(jù)材料學(xué)理論可知，鋁導(dǎo)線75 ℃時(shí)的電阻系數(shù)為0.035 7 Ω·mm2·m-1，比銅導(dǎo)線75 ℃時(shí)的電阻系數(shù)(0.021 35 Ω·mm2·m-1)高很多。為了使變壓器的負(fù)載損耗符合要求，需增大鋁導(dǎo)線截面積，但這樣會(huì)增大鐵心尺寸，使空載損耗不符合要求。為了使空載損耗、負(fù)載損耗均符合要求，必須重新調(diào)整線圈匝數(shù)、鋁導(dǎo)線截面積，所以鋁導(dǎo)線變壓器的體積較大。但是，鋁的密度僅為2 700 kg·m-3，而銅的密度為8 900 kg·m-3，因此其總質(zhì)量、器身質(zhì)量增加不明顯。

表1對(duì)比了某變壓器廠生產(chǎn)的由銅、鋁導(dǎo)線油浸式配變的結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量，可以看出：在配變?nèi)萘考靶阅芤欢ǖ臈l件下，繞組改為鋁導(dǎo)線后將導(dǎo)致油配變器身體積和油箱容積大幅增大，全鋁導(dǎo)線配變器身體積的增幅可達(dá)55%，油箱容積增幅可達(dá)35%，器身密度下降30%。同時(shí)可以看到，正常設(shè)計(jì)的鋁導(dǎo)線配變整體質(zhì)量不一定比銅導(dǎo)線配變輕，因?yàn)殍F芯尺寸及器身體積的變化，其他材料用量的增加使得鋁導(dǎo)線配變器身質(zhì)量及總質(zhì)量都略有增加。

表1 同一廠家生產(chǎn)的銅、鋁導(dǎo)線油浸式配變的質(zhì)量及體積對(duì)比

為了使試驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，隨機(jī)抽取國家智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的歷年測(cè)試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了不同生產(chǎn)廠家銅、鋁導(dǎo)線配變(包括油浸式和干式配電變壓器)的質(zhì)量及體積對(duì)比，圖1為對(duì)同一廠家不同容量的干式變壓器的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,表2為采用A廠家鋁繞組油變分別和B，C，D廠家銅繞組油變進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果。

圖1 同一生產(chǎn)廠家的銅鋁繞組干式變壓器的質(zhì)量和體積對(duì)比

表2 不同生產(chǎn)廠家的銅、鋁導(dǎo)線油浸式配變的質(zhì)量和體積對(duì)比

由圖1可看出，同一廠家的干變鋁繞組的質(zhì)量和體積比銅繞組的大；由表2可看出，同型號(hào)規(guī)格條件下，A廠家的鋁繞組油變質(zhì)量和體積均小于B廠家的。根據(jù)以上結(jié)果分析，對(duì)于同一生產(chǎn)廠家的銅、鋁繞組變壓器，采用相同生產(chǎn)工藝，在保證足夠容量和滿足標(biāo)準(zhǔn)性能的前提下，一般鋁繞組變壓器的體積和質(zhì)量都比銅繞組變壓器的略大。但對(duì)于不同生產(chǎn)廠家的銅、鋁繞組變壓器，由于生產(chǎn)工藝的不同以及性能指標(biāo)的差異，其體積和質(zhì)量并無絕對(duì)的規(guī)律和趨勢(shì)。

2.2 熱電效應(yīng)原理法

向兩種不同材料的導(dǎo)體組合成的閉合回路通入電流，直到閉合端與另一端產(chǎn)生溫度差時(shí)，兩端之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，其也稱為寄生熱電勢(shì)，而同一導(dǎo)體材料組合成的閉合回路幾乎不會(huì)產(chǎn)生寄生熱電勢(shì)。

圖2為熱電效應(yīng)試驗(yàn)原理示意，根據(jù)圖2進(jìn)行試驗(yàn)，給變壓器導(dǎo)電桿外加電源通入電流對(duì)三相繞組進(jìn)行不對(duì)稱加熱，使得其中一相繞組與其他兩相繞組間產(chǎn)生溫差；再斷開電流，采集存在溫差的A和B兩相間的直流電壓，若未采集到直流電壓表明沒有產(chǎn)生寄生熱電勢(shì)，則判定變壓器繞組材料為銅，若采集到直流電壓表明產(chǎn)生了寄生熱電勢(shì)，且斷開電流后采集的直流電壓逐漸消失，則判定繞組材料為鋁(或其他非銅材料)。圖3為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)銅繞組與鋁繞組的熱成像儀檢測(cè)結(jié)果。

圖2 熱電效應(yīng)試驗(yàn)原理示意

圖3 銅繞組與鋁繞組熱成像儀檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)過程中，在給低壓側(cè)加熱后，由于試驗(yàn)電流偏小，電動(dòng)勢(shì)變化太快，所以選取從高壓側(cè)加熱，根據(jù)上面的步驟給高壓側(cè)通入10 A的電流6 min后記錄電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪成趨勢(shì)圖，如圖4所示 ，從實(shí)測(cè)圖中紅色圈內(nèi)，可看出鋁繞組電動(dòng)勢(shì)在衰減過程中的變化比銅繞組電動(dòng)勢(shì)的變化反而更快些，與實(shí)際理論不太吻合。所以，此方法有待進(jìn)一步確認(rèn)和研究。

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圖4 加熱6 min后銅繞組與鋁繞組的電動(dòng)勢(shì)變化趨勢(shì)

2.3 數(shù)字渦流金屬電阻率法

根據(jù)電磁感應(yīng)定律原理，導(dǎo)體切割磁力線運(yùn)動(dòng)或者靠近變化著的磁場(chǎng)(源磁場(chǎng))時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)反作用于源磁場(chǎng)(見圖5)，這種反作用的大小與導(dǎo)體本身的導(dǎo)電率有關(guān)。

圖5 探頭信號(hào)檢測(cè)原理示意

圖6 探頭信號(hào)的檢測(cè)流程

基于這一原理,此方法采用渦流導(dǎo)電儀來檢測(cè)導(dǎo)電材料的導(dǎo)電率，探頭檢測(cè)的簡(jiǎn)化流程如圖6所示，探頭檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)處理器處理后發(fā)送至顯示器，顯示器上顯示出被測(cè)金屬的導(dǎo)電率，通過導(dǎo)電率來辨別變壓器線圈繞組的金屬材料。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)后，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該設(shè)備儀器探頭必須直接接觸被測(cè)金屬表面時(shí)才可以檢測(cè)電導(dǎo)率，而對(duì)非接觸性質(zhì)材料則無法測(cè)量，因此該設(shè)備無法辨別變壓器繞組材料。

2.4 金屬探測(cè)法

該方法采用地下金屬探測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試。探測(cè)儀內(nèi)帶有線圈，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)即產(chǎn)生渦流電場(chǎng)，電場(chǎng)產(chǎn)生電磁波(也稱一次場(chǎng))，電磁波在傳播過程中接觸到金屬時(shí),金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦電流，即產(chǎn)生二次場(chǎng)，一次場(chǎng)和二次場(chǎng)相互作用后使線圈的電壓和阻抗發(fā)生變化，從而改變?cè)€圈電壓的振幅、方向和相位。金屬探測(cè)儀利用相位調(diào)節(jié)器測(cè)出相移量，再將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與某種類的金屬相移值進(jìn)行比較，最后測(cè)得的值經(jīng)內(nèi)部CPU處理，通過聲音或顯示器告知探測(cè)者目標(biāo)金屬的類型，從而判定出金屬的種類。金屬探測(cè)法具備不需要與金屬表面接觸的特點(diǎn)，跟2.3節(jié)中提及的方法有相似之處，都以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，但在工作原理上存在差別。

試驗(yàn)分別針對(duì)銅繞組的干式變壓器和鋁繞組的油浸式變壓器進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，從圖中讀數(shù)可看出金屬探測(cè)儀未能確定金屬種類，主要是變壓器表面鐵心和鐵軛等金屬部件對(duì)測(cè)試的影響很大，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果不理想，所以此方法需要進(jìn)一步研究或改進(jìn)。

圖7 金屬探測(cè)法的測(cè)試結(jié)果

2.5 頻率響應(yīng)法

該方法通過一套頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)在變壓器一次側(cè)輸入一個(gè)高頻振蕩信號(hào)，在二次側(cè)通過測(cè)量導(dǎo)納函數(shù)、開路電壓傳遞函數(shù)信號(hào)，來比較和發(fā)現(xiàn)銅和鋁繞組變壓器的規(guī)律。在某一變壓器工廠測(cè)試兩臺(tái)生產(chǎn)工藝相同，分別用銅和鋁繞制的不同材料變壓器進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試，其中銅繞制的干變用“506”表示，鋁繞制的干變用“496”表示，圖8為試驗(yàn)實(shí)測(cè)波形。

圖8 頻率響應(yīng)法的試驗(yàn)測(cè)試波形

高壓側(cè)和低壓側(cè)三相繞組頻率響應(yīng)50 Hz數(shù)據(jù)如表3所示。

為了讓試驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，針對(duì)不同廠家的三臺(tái)干式變壓器高壓側(cè)A、B、C三相繞組的頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比，變壓器型號(hào)、材料和對(duì)應(yīng)的通道如表4所示，頻率響應(yīng)曲線的對(duì)比如圖9所示，其中曲線第一個(gè)波谷處的圖形是放大顯示的。

表3 高低壓側(cè)三相繞組頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)

表4 樣品參數(shù)和試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的顯示通道

圖9 三臺(tái)干式變壓器高壓側(cè)繞組的頻率響應(yīng)曲線合成圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，第一波谷處，雖然②號(hào)變壓器的A相頻響曲線(CH22通道曲線，圖中第一波谷最靠左側(cè))與B,C兩相有偏離，但是第一波谷過后,②號(hào)變壓器的頻響曲線整體靠下部，①號(hào)變壓器次之，③號(hào)變壓器最靠上部。已知③號(hào)變壓器高壓側(cè)為“鋁”，而容量為2 000 kVA。而①,②號(hào)變壓器規(guī)格相同，容量也同是1 000 kVA。

對(duì)比①,②號(hào)變壓器的頻率響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)與在2.2節(jié)中提及的“銅”“鋁”兩變壓器對(duì)比規(guī)律相同，極其相似。如果同一工廠中測(cè)試的銅鋁規(guī)律成立，那么對(duì)①號(hào)變壓器(型號(hào)SCB12-1000/10,出廠序號(hào)15095003)是否為“銅”有待進(jìn)一步確認(rèn)。

另外,高壓側(cè)繞組頻率響應(yīng)50 Hz數(shù)據(jù)的對(duì)比如表5所示。

2.6 銅鋁系數(shù)法

銅和鋁的材料校正系數(shù)分別為235和225，根據(jù)GB 1094.2-2013 《電力變壓器 第2部分 液浸式變壓器的溫升》 第7.6節(jié)中的繞組平均溫度計(jì)算公式可反推銅和鋁的材料校正系數(shù)。

表5 高壓側(cè)繞組頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中繞組平均溫度計(jì)算公式,假設(shè)材料校正系數(shù)為X，則根據(jù)式(1)和(2)可以反推

(1)

式中：θ1為冷態(tài)環(huán)境溫度；θ2為熱態(tài)環(huán)境溫度；R1為冷態(tài)電阻值；R2為熱態(tài)電阻值。

試驗(yàn)方法具體為：試品不勵(lì)磁，且靜置8 h以上，確保環(huán)境溫度與試品繞組溫度完全等同時(shí)，準(zhǔn)確測(cè)試?yán)鋺B(tài)電阻值和冷態(tài)環(huán)境溫度；將環(huán)境加熱箱加溫到一定溫度且恒定保持約3 h后，將試品置入環(huán)境加熱箱中，并分別在試品繞組、鐵芯和試品周邊區(qū)域(環(huán)境加熱箱內(nèi))布置熱電偶，采集準(zhǔn)確溫度，經(jīng)過一定時(shí)間后，確保試品繞組及鐵芯溫度和環(huán)境加熱箱內(nèi)試品周邊環(huán)境溫度相等或相差±0.1 ℃時(shí)，開始測(cè)試試品繞組電阻值。

為了避免試驗(yàn)隨機(jī)性并保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用了4臺(tái)試品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，將環(huán)境加熱箱加溫到60 ℃，并確保樣品與室內(nèi)環(huán)境溫度相等或相差±0.1 ℃時(shí)，進(jìn)行熱態(tài)電阻測(cè)試,試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為28 h，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6結(jié)果和以上的分析可以看出：通過試驗(yàn)所推算出來的材料校正系數(shù)與實(shí)際材料參數(shù)并不完全吻合，型號(hào)為SCLB10-30/10的鋁繞組變壓器材料校正系數(shù)應(yīng)該為225，但實(shí)際推測(cè)的結(jié)果為211.5和212.1;其他銅繞組變壓器材料校正系數(shù)應(yīng)該為235，但實(shí)際推測(cè)的結(jié)果為215.5～229.2。而且在推算中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)結(jié)果的影響很大，在測(cè)量鋁繞組變壓器時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱態(tài)環(huán)境溫度變化0.1 ℃時(shí)，材料校正系數(shù)的結(jié)果將變化0.6，而當(dāng)冷態(tài)環(huán)境溫度變化0.1 ℃時(shí)，材料校正系數(shù)的結(jié)果將變化0.7，可見，此方法對(duì)測(cè)量的不準(zhǔn)確性非常高。此次試驗(yàn)是在嚴(yán)格按照試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的要求下進(jìn)行的，但測(cè)試的結(jié)果還是不太理想。

表6 銅鋁系數(shù)法試驗(yàn)實(shí)測(cè)值

2.7 合金分析法

合金分析法是一種XRF光譜分析技術(shù)，該技術(shù)是基于一種X射線得以實(shí)現(xiàn)的。X射線的本質(zhì)是電磁輻射波，是一種不可見光，卻跟可見光一樣具有波長(zhǎng)和能量。X射線轟擊在金屬合金上并對(duì)其發(fā)生作用，改變材料原子內(nèi)部的電子穩(wěn)定性，迫使電子發(fā)射出去形成X射線熒光，根據(jù)X射線熒光的能量或者波長(zhǎng)即可對(duì)應(yīng)出相應(yīng)的元素，鑒別合金材料的成分。X射線穿透力強(qiáng)，能夠穿透一些如木料等可見光穿透不了的物質(zhì)，而變壓器繞組外面帶有木質(zhì)絕緣材料，因此從理論上來講相比較2.3節(jié)中的方法，該方法具有更高的可行性。

圖10 Delta合金分析儀外觀

合金分析儀設(shè)備XRF光譜分析技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用之一，是能夠檢測(cè)出合金內(nèi)部元素以及元素在合金中的含量，Delta合金分析儀的外觀如圖10所示。采用該設(shè)備對(duì)某鋁合金進(jìn)行嘗試性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，從圖中可以清晰看到檢測(cè)后的合金材料主要是鋁元素，其含量最高，其余如鐵、銅元素等含量較少。但是與設(shè)備供應(yīng)商溝通后了解到，市場(chǎng)上的合金分析儀設(shè)備必須直接接觸被測(cè)物表面才能進(jìn)行測(cè)量，如想要穿透變壓器繞組的絕緣材料,必須加大射線劑量，但國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)射線劑量有嚴(yán)格明確的規(guī)定，不能危及人體安全。所以，此方法在實(shí)際應(yīng)用中不可行。

圖11 某鋁合金的檢測(cè)數(shù)據(jù)

3 方法比較

經(jīng)過以上的試驗(yàn)，各銅鋁繞組材料鑒別方法的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性總結(jié)如表7所示。

表7 銅鋁繞組材料鑒別方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較及可行性

4 結(jié)論

針對(duì)配電變壓器銅鋁繞組鑒別，基于相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)行了多種方法的實(shí)施對(duì)比，發(fā)現(xiàn)諸多理論上可行的方法在實(shí)際操作中存在準(zhǔn)確性不高、檢測(cè)周期性長(zhǎng)、試驗(yàn)環(huán)境不穩(wěn)定等問題。其中，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法、頻率響應(yīng)法、銅鋁系數(shù)法、數(shù)字渦流金屬電阻率法、合金分析法、金屬探測(cè)法、鉆孔取料解剖法等均不可行，而熱電偶原理法有待進(jìn)一步研究和確認(rèn)。