基于電容的變壓器繞組材質(zhì)檢測方法

卿向東，張 騫，蔣檸澤，張長卿

（北華大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132021）

1.引言

配電網(wǎng)在我國電力系統(tǒng)當(dāng)中占有十分重要的地位，配電網(wǎng)質(zhì)量會從直接的層面上對用戶用電安全性及穩(wěn)定性造成影響。電網(wǎng)建設(shè)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)改造使我國配電變壓器的需求以每年15%增長率不斷攀升，近年來，由于銅價格不斷攀升鋁不升反降，差價越來越大。目前在價格上銅5.2萬/噸、鋁1.5萬/噸，在比重上銅8.9 g/cm3、鋁2.7 g/cm3，價格和比重的差異，導(dǎo)致以鋁作為線圈材質(zhì)的變壓器是銅的成本的60%～70%，加上企業(yè)競爭、低價競標等原因，部分變壓器生產(chǎn)廠家開始使用鋁代替銅作為變壓器繞組的材質(zhì)，致使大量“以鋁代銅”的變壓器進入市場。因為鋁在電氣、機械和發(fā)熱等性能方面均不如銅，以鋁代銅的變壓器熱穩(wěn)定性差，銅鋁接頭焊接困難，存在大量虛焊現(xiàn)象等，導(dǎo)致這類變壓器事故率是銅繞組變壓器的8～9倍。例如：2017年3月，“以鋁代銅”變壓器在尼泊爾出現(xiàn)故障，導(dǎo)致我國機電產(chǎn)品在東南亞出口受阻，并嚴重損害了我國聲譽。

在消費者權(quán)益方面，用戶支付純銅變壓器的費用買回來的卻是假冒的鋁變壓器，經(jīng)濟上蒙受了損失。目前在國內(nèi)特別是電網(wǎng)公司，希望找到一種鋁繞組變壓器的鑒別方法，甄別出混在電力系統(tǒng)中的劣質(zhì)鋁變壓器[1]。

目前設(shè)備管理部門對變壓器材質(zhì)的檢測方法一是暴力解體，通過肉眼觀察繞組材質(zhì)，但繞組表面通常有絕緣紙包裹，因此還需要破壞繞組絕緣。這種檢測方法費時費力，且具有不可逆性，不可能對所有變壓器逐一進行破壞性試驗。二是無損檢測法，目前研究在用的主流方法有：電渦流法，通過線圈的電感、阻抗等參數(shù)的改變來鑒別金屬材質(zhì)，不足是只能檢測干式變壓器，且檢測時變壓器鐵芯和夾件對檢測結(jié)果有較大的干擾，無法檢測油浸式變壓器，油浸式變壓器的外殼是金屬材[2]；繞圈電阻檢測法，銅與鋁的電阻率隨溫度變化不同，通過測試測不同溫度直流電阻值，計算電阻率判斷材質(zhì)。銅電阻率與溫度關(guān)系鋁電阻率與溫度關(guān)系雖然原理清晰，但實際應(yīng)用時低壓線圈電阻為毫歐級，且無法測到繞組內(nèi)部的真正溫度，只能測到線圈表面溫度，圖1為實際檢驗繪制的曲線，可以看出銅鋁電阻率隨溫度變化差異很小，以此甄別銅鋁繞組確實很困難[3-5]；X射線成像法，通過X射線在材質(zhì)當(dāng)中衰減規(guī)律，來對繞組材質(zhì)進行判斷，檢測結(jié)果直觀，但只能在實驗室進行，工程實用性差，急需一種切實可行的變壓器繞組材質(zhì)鑒別方法[6]。

圖1 銅鋁繞組溫度變化曲線

2.基本原理

2.1 基于變壓器繞組電氣結(jié)構(gòu)參數(shù)匝間電容的檢測的方法

我們提出的基于匝間電容判斷線圈材質(zhì)其出發(fā)點是基于變壓器線圈結(jié)構(gòu)，結(jié)合線圈的材質(zhì)其電氣參數(shù)銅鋁間有著明顯的差值，以S11-1000/10變壓器為例其負載損耗標準為10300W，無論線圈材質(zhì)為銅或鋁其損耗都為此值，才能滿足國家標準，為用戶所接受，負載損耗公式以低壓線圈為例銅鋁電流都為1443A，那么損耗相等的話其電阻值必相等而在75℃時銅的電阻率為鋁為根據(jù)電阻公式在電阻相同，假設(shè)導(dǎo)線長度相同，由于鋁的電阻率是銅的1.67倍為了保證阻值相同。鋁導(dǎo)線的面積是銅的1.67倍，根據(jù)電容公式可見鋁導(dǎo)線繞制的線圈無論采取任何措施，其電氣參數(shù)線圈匝間電容要明顯大于同容量的銅導(dǎo)線繞制的線圈，低壓線圈鋁箔為1.3X930，銅箔為1.3X560，圖1是繞組高頻（≥1KHz）等效電路圖其中K為匝間電容，L為每匝繞組電感，C為對地電容。檢測時通過在繞組首端A和地M間輸入高頻的正弦波或脈沖波，在末端X和地N間檢測通過變壓器繞組后衰減的波形或頻率響應(yīng)，比對已有波形來判斷變壓器繞組的材質(zhì)[7]。

圖2 中高頻下繞組電氣原理圖

結(jié)合變壓器繞組高頻下等效電路圖，通過在繞組首端輸入高頻的正弦波在末端檢測通過變壓器繞組后的衰減的波形，比對已有波形來判斷變壓器繞組的材質(zhì)。所測參數(shù)，差異明顯，易于甄別，鐵芯、外殼等干擾小，適用性強[8]。

2.2 仿真分析

基于變壓器繞組電氣結(jié)構(gòu)參數(shù)匝間電容的檢測的方法以容量S11-1000/10變壓器器例，通過計算得到鋁繞組時 L=45mH?K=23pF C=1250pF 銅繞組時L=52mH K=39pF C=2230pF。以Matlab的Simulink為基礎(chǔ)建立了如下仿真（見圖3、圖 4）[9]：

圖3 Matlab仿真原理框圖

圖4 正弦波頻率為8KHz時鋁繞組和銅繞組的輸出波形圖

3.實驗驗證

基于此方法利用1435A信號發(fā)生器和DPO7000SX示波器在現(xiàn)場對兩臺S11-100/10變壓器其中一臺為鋁線圈另一臺為銅繞制線圈做了測試，所測波形差異明顯，準備在此理論基礎(chǔ)上開發(fā)研究專用的變壓器繞組檢測儀，有一定的市場開發(fā)價值。在仿真和現(xiàn)場實驗的基礎(chǔ)上開發(fā)了如下檢測裝置。

4.檢測裝置原理框圖

檢測裝置的基本原理如上圖所示，信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻正弦波或脈沖加載在待測變壓器繞組首端和地之間，在該繞組末端獲取衰減后信號，該信號經(jīng)調(diào)理電路處理后，送入A/D轉(zhuǎn)換器進行高速采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送到DSP進行檢波、濾波等處理，ARM9嵌入計算機對DSP送來的信號進一步處理，在屏幕上顯示衰減后的波形，比對先前存在計算機里的銅鋁衰減波形，得出結(jié)果。