便攜式干式變壓器導線材料原位無損檢測裝置的研制

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(廣西電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，南寧 530015)

對于干式變壓器，繞組的材料非常關(guān)鍵。有的廠家為獲取高利潤，用鋁線代替銅線作為繞組材料，給電網(wǎng)的安全運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繞組的材料進行鑒別。該檢測方法具有破壞性、成本較高，無法實現(xiàn)對干式變壓器的全部檢測。

筆者研制出一種便攜式渦流檢測裝置，可適用于干式變壓器導線材料的無損鑒別。

1 檢測原理

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

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

2 檢測裝置的構(gòu)成

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

圖1 檢測裝置儀器結(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，對系統(tǒng)各模塊進行連接與控制。運用DSP(數(shù)字信號處理器)強大的數(shù)據(jù)處理能力，對采集到的數(shù)據(jù)進行檢波、濾波、相位旋轉(zhuǎn)等處理。

檢測裝置的工作過程為：波形發(fā)生器產(chǎn)生渦流檢測所需的特定頻率的激勵信號，該信號經(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，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DSP進行檢波、濾波、相位旋轉(zhuǎn)等處理； ARM9嵌入式計算機對DSP送來的信息作進一步處理，將檢測結(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 渦流激勵信號的波形變換電路

圖2 渦流激勵信號波形變換電路

該檢測裝置使用的是正弦波激勵信號，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(隨機存取存儲器)，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準的正弦波信號。正弦波信號經(jīng)過波形變換和驅(qū)動電路后，能加載到探頭上。

3.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路的功能是對傳感器的輸出信號進行調(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衰減到最小，提高信號的信噪比。可調(diào)增益放大器的作用是將傳感器輸出的微弱電信號進行不同程度地放大，改變檢測靈敏度。

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。基于硬件電路的簡化設(shè)計，裝置采用的高性能、低功耗的32位微處理器，最高工作頻率可達到400 MHz，運算能力達到450MIPS。芯片提供了四路外部可編程時鐘輸出。微處理器集成LCD控制器可以支持4k色STN和256k色TFT，有一個LCD專用外部時鐘通道。微處理器通過外部總線接口(EBI)可擴展大容量FLASH芯片,解決系統(tǒng)存儲問題；芯片還提供了兩個USB 1.1的主機,免去了外接USB芯片與PC機通訊的麻煩；另外片內(nèi)的其他資源,諸如130個可編程I/O口為擴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 裝置檢測能力測試及分析

筆者設(shè)計的檢測裝置，委托愛德森(廈門)電子有限公司負責加工，實物圖片如圖4所示。下面通過對3組試樣的測試，來證明檢測裝置在不破壞變壓器絕緣層的條件下，具備檢出導體材料的能力。

圖4 檢測裝置實物圖片

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

圖5 銅鋁兩種材料的檢測信號

圖6 同一種材料在不同絕緣層厚度下的檢測信號

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

4.1 第一組測試試樣

第一組測試試樣(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，檢測界面如圖8所示。

圖7 第一組測試試樣實物圖片

圖8 第一組試樣檢測界面

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

4.2 第二組測試試樣

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

圖9 第二組測試試樣實物圖片

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

4.3 第三組測試試樣

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

圖10 第二組試樣的檢測界面

圖11 第三組測試試樣實物圖片

圖12 第三組試樣的檢測界面

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

匯總?cè)M試樣銅材和鋁材的檢測結(jié)果，如表1所示。

雖然檢測裝置所測得的絕緣層厚度均與實際厚度存在不同的偏差，但3組試驗都能準確區(qū)分出鋁材和銅材，檢測裝置達到了預期設(shè)計要求。

表1 不同規(guī)格鋁材和銅材的絕緣層厚度的檢測結(jié)果 mm

5 結(jié)語

目前，我國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。進行的對比試驗表明，所研制的便攜式檢測裝置，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[M]. 北京：科學出版社，2008.

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