電力變壓器繞組材料的無損鑒別方法

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(1.國家智能電網輸配電設備質量監督檢驗中心,東莞 523325;2.國際銅業協會, 北京 100045;3.廣東工業大學 自動化學院, 廣州 510006)

隨著中國電力行業的快速發展，銅和鋁作為重要的電工材料，市場需求越來越大。由于鋁材具有絕對的價格優勢，故以鋁代替銅的問題日益成為電力工業乃至國家層面普遍關心的話題[1]。但鋁的電阻率比銅大，熔點比銅低，抗延展性較差，抗氧化性能比銅差[2]。因此，目前在電力行業主要還是采用銅材為主，但在電力變壓器制造領域，出現了銅包鋁線材產品或直接將鋁線用于變壓器繞組來代替純銅線，且在銘牌型號中無任何鋁材標識的現象。目前，國內外還沒有一種現成的技術或儀器設備能迅速準確判定或鑒定出變壓器繞組為銅或鋁或銅包鋁材料。國內一些生產廠家缺乏誠信，為獲取暴利，以鋁代銅，且不在銘牌中聲明或明示，給電網公司或用戶造成了選型誤導和場合誤用，也給電網的安全可靠運行帶來了威脅和隱患。目前對于電網公司，鑒別銅鋁繞組材料的準確方法是通過電鋸刀進行繞組切割來進行判定。此方法原始粗暴，對產品破壞性極大，而且對一些在線運行的配電變壓器，難以實施。因此，亟待希望能有一種設備或技術在不破壞產品的前提下，迅速判定或鑒定配電變壓器繞組材料。

1 國內外研究現狀

目前，國外普遍認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，即使生產者使用鋁繞組變壓器，也會在產品銘牌中聲明或明示，所以國外對于此方面研究甚少。國內近幾年一些科研單位或大學如國際(中國)銅業協會，云南電科院、重慶電科院和重慶大學等進行了一些相關研究，文獻[4]與[5]中提到了在10 kV配電變壓器常規結構基礎上，對比銅鋁導線的性能差異，分析了銅鋁繞組配電變壓器電氣性能、結構尺寸、價格比例的差異，探討了可作為配電變壓器繞組材料鑒別的可能因素。文獻[6]中描述了鋁導線油浸式變壓器的質量、尺寸特征，介紹了其油箱容積、器身密度等的計算方法以及鋁導線油浸式變壓器的判斷步驟。文獻[7]中提出了一種基于熱電效應的變壓器內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 系數差異，通過理論推導得到了變壓器繞組回路熱電勢值與繞組材料的關系，并建立試驗平臺進行了驗證試驗。文獻[8]與[9]提出了一種基于改進自然降溫法的變壓器內部繞組材料的無損檢測方法，該方法通過對變壓器進行升溫和自然降溫計算電阻溫度系數，并基于此實現繞組材料檢測。文獻[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射線衰減規律。文獻[11]與[12]介紹了電渦流法通過線圈的電感、阻抗和品質因素等參數來鑒別金屬材料的方法。文獻[13]通過測量繞組參數與收集試驗數據，建立了配電變壓器繞組參數標準數據庫，并將試驗配電變壓器繞組參數數值與標準數據庫進行比對，得到繞組參數分布的概率密度曲線，再根據繞組參數的影響因子，建立分析模型以綜合判定變壓器繞組的材料。以上各文獻從理論上驗證了電力變壓器銅鋁繞組無損鑒別的可能性，但實際的設備或算法有待進一步驗證和應用。

2 方法探索和驗證

2.1 數據統計法

由于銅鋁的性能差異較大，銅材在電性能、熱性能等方面優于鋁材，為了滿足性能要求，選擇不同的繞組材料，必將導致變壓器的質量、體積、結構和性能存在差異。

根據材料學理論可知，鋁導線75 ℃時的電阻系數為0.035 7 Ω·mm2·m-1，比銅導線75 ℃時的電阻系數(0.021 35 Ω·mm2·m-1)高很多。為了使變壓器的負載損耗符合要求，需增大鋁導線截面積，但這樣會增大鐵心尺寸，使空載損耗不符合要求。為了使空載損耗、負載損耗均符合要求，必須重新調整線圈匝數、鋁導線截面積，所以鋁導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，因此其總質量、器身質量增加不明顯。

表1對比了某變壓器廠生產的由銅、鋁導線油浸式配變的結構尺寸及質量，可以看出：在配變容量及性能一定的條件下，繞組改為鋁導線后將導致油配變器身體積和油箱容積大幅增大，全鋁導線配變器身體積的增幅可達55%，油箱容積增幅可達35%，器身密度下降30%。同時可以看到，正常設計的鋁導線配變整體質量不一定比銅導線配變輕，因為鐵芯尺寸及器身體積的變化，其他材料用量的增加使得鋁導線配變器身質量及總質量都略有增加。

表1 同一廠家生產的銅、鋁導線油浸式配變的質量及體積對比

為了使試驗更加嚴謹，隨機抽取國家智能電網輸配電設備質量監督檢驗中心的歷年測試數據，統計了不同生產廠家銅、鋁導線配變(包括油浸式和干式配電變壓器)的質量及體積對比，圖1為對同一廠家不同容量的干式變壓器的統計結果,表2為采用A廠家鋁繞組油變分別和B，C，D廠家銅繞組油變進行對比的結果。

圖1 同一生產廠家的銅鋁繞組干式變壓器的質量和體積對比

表2 不同生產廠家的銅、鋁導線油浸式配變的質量和體積對比

由圖1可看出，同一廠家的干變鋁繞組的質量和體積比銅繞組的大；由表2可看出，同型號規格條件下，A廠家的鋁繞組油變質量和體積均小于B廠家的。根據以上結果分析，對于同一生產廠家的銅、鋁繞組變壓器，采用相同生產工藝，在保證足夠容量和滿足標準性能的前提下，一般鋁繞組變壓器的體積和質量都比銅繞組變壓器的略大。但對于不同生產廠家的銅、鋁繞組變壓器，由于生產工藝的不同以及性能指標的差異，其體積和質量并無絕對的規律和趨勢。

2.2 熱電效應原理法

向兩種不同材料的導體組合成的閉合回路通入電流，直到閉合端與另一端產生溫度差時，兩端之間會產生一個電動勢，其也稱為寄生熱電勢，而同一導體材料組合成的閉合回路幾乎不會產生寄生熱電勢。

圖2為熱電效應試驗原理示意，根據圖2進行試驗，給變壓器導電桿外加電源通入電流對三相繞組進行不對稱加熱，使得其中一相繞組與其他兩相繞組間產生溫差；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生寄生熱電勢，則判定變壓器繞組材料為銅，若采集到直流電壓表明產生了寄生熱電勢，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為試驗現場銅繞組與鋁繞組的熱成像儀檢測結果。

圖2 熱電效應試驗原理示意

圖3 銅繞組與鋁繞組熱成像儀檢測結果

試驗過程中，在給低壓側加熱后，由于試驗電流偏小，電動勢變化太快，所以選取從高壓側加熱，根據上面的步驟給高壓側通入10 A的電流6 min后記錄電動勢數據，將數據繪成趨勢圖，如圖4所示 ，從實測圖中紅色圈內，可看出鋁繞組電動勢在衰減過程中的變化比銅繞組電動勢的變化反而更快些，與實際理論不太吻合。所以，此方法有待進一步確認和研究。

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圖4 加熱6 min后銅繞組與鋁繞組的電動勢變化趨勢

2.3 數字渦流金屬電阻率法

根據電磁感應定律原理，導體切割磁力線運動或者靠近變化著的磁場(源磁場)時，導體內部會產生感應渦流，而感應渦流產生的磁場又會反作用于源磁場(見圖5)，這種反作用的大小與導體本身的導電率有關。

圖5 探頭信號檢測原理示意

圖6 探頭信號的檢測流程

基于這一原理,此方法采用渦流導電儀來檢測導電材料的導電率，探頭檢測的簡化流程如圖6所示，探頭檢測到的信號經處理器處理后發送至顯示器，顯示器上顯示出被測金屬的導電率，通過導電率來辨別變壓器線圈繞組的金屬材料。

對設備進行校準后，在現場對變壓器進行測試，測試結果發現該設備儀器探頭必須直接接觸被測金屬表面時才可以檢測電導率，而對非接觸性質材料則無法測量，因此該設備無法辨別變壓器繞組材料。

2.4 金屬探測法

該方法采用地下金屬探測儀進行測試。探測儀內帶有線圈，在工作時會產生周期性變化的磁場，變化的磁場即產生渦流電場，電場產生電磁波(也稱一次場)，電磁波在傳播過程中接觸到金屬時,金屬內部會產生渦電流，即產生二次場，一次場和二次場相互作用后使線圈的電壓和阻抗發生變化，從而改變原線圈電壓的振幅、方向和相位。金屬探測儀利用相位調節器測出相移量，再將實測數據與某種類的金屬相移值進行比較，最后測得的值經內部CPU處理，通過聲音或顯示器告知探測者目標金屬的類型，從而判定出金屬的種類。金屬探測法具備不需要與金屬表面接觸的特點，跟2.3節中提及的方法有相似之處，都以電磁感應定律為基礎，但在工作原理上存在差別。

試驗分別針對銅繞組的干式變壓器和鋁繞組的油浸式變壓器進行，測試結果如圖7所示，從圖中讀數可看出金屬探測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測試的影響很大，導致測試數據結果不理想，所以此方法需要進一步研究或改進。

圖7 金屬探測法的測試結果

2.5 頻率響應法

該方法通過一套頻率響應分析系統在變壓器一次側輸入一個高頻振蕩信號，在二次側通過測量導納函數、開路電壓傳遞函數信號，來比較和發現銅和鋁繞組變壓器的規律。在某一變壓器工廠測試兩臺生產工藝相同，分別用銅和鋁繞制的不同材料變壓器進行頻率響應測試，其中銅繞制的干變用“506”表示，鋁繞制的干變用“496”表示，圖8為試驗實測波形。

圖8 頻率響應法的試驗測試波形

高壓側和低壓側三相繞組頻率響應50 Hz數據如表3所示。

為了讓試驗更加嚴謹，針對不同廠家的三臺干式變壓器高壓側A、B、C三相繞組的頻率響應曲線進行對比，變壓器型號、材料和對應的通道如表4所示，頻率響應曲線的對比如圖9所示，其中曲線第一個波谷處的圖形是放大顯示的。

表3 高低壓側三相繞組頻率響應數據

表4 樣品參數和試驗對應的顯示通道

圖9 三臺干式變壓器高壓側繞組的頻率響應曲線合成圖

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

對比①,②號變壓器的頻率響應曲線發現與在2.2節中提及的“銅”“鋁”兩變壓器對比規律相同，極其相似。如果同一工廠中測試的銅鋁規律成立，那么對①號變壓器(型號SCB12-1000/10,出廠序號15095003)是否為“銅”有待進一步確認。

另外,高壓側繞組頻率響應50 Hz數據的對比如表5所示。

2.6 銅鋁系數法

銅和鋁的材料校正系數分別為235和225，根據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節中的繞組平均溫度計算公式可反推銅和鋁的材料校正系數。

表5 高壓側繞組頻率響應數據

根據標準中繞組平均溫度計算公式,假設材料校正系數為X，則根據式(1)和(2)可以反推

(1)

式中：θ1為冷態環境溫度；θ2為熱態環境溫度；R1為冷態電阻值；R2為熱態電阻值。

試驗方法具體為：試品不勵磁，且靜置8 h以上，確保環境溫度與試品繞組溫度完全等同時，準確測試冷態電阻值和冷態環境溫度；將環境加熱箱加溫到一定溫度且恒定保持約3 h后，將試品置入環境加熱箱中，并分別在試品繞組、鐵芯和試品周邊區域(環境加熱箱內)布置熱電偶，采集準確溫度，經過一定時間后，確保試品繞組及鐵芯溫度和環境加熱箱內試品周邊環境溫度相等或相差±0.1 ℃時，開始測試試品繞組電阻值。

為了避免試驗隨機性并保證試驗的準確性，采用了4臺試品同時進行試驗，將環境加熱箱加溫到60 ℃，并確保樣品與室內環境溫度相等或相差±0.1 ℃時，進行熱態電阻測試,試驗時長為28 h，試驗結果如表6所示。

根據表6結果和以上的分析可以看出：通過試驗所推算出來的材料校正系數與實際材料參數并不完全吻合，型號為SCLB10-30/10的鋁繞組變壓器材料校正系數應該為225，但實際推測的結果為211.5和212.1;其他銅繞組變壓器材料校正系數應該為235，但實際推測的結果為215.5～229.2。而且在推算中發現，環境溫度的準確測量對結果的影響很大，在測量鋁繞組變壓器時發現，當熱態環境溫度變化0.1 ℃時，材料校正系數的結果將變化0.6，而當冷態環境溫度變化0.1 ℃時，材料校正系數的結果將變化0.7，可見，此方法對測量的不準確性非常高。此次試驗是在嚴格按照試驗方法和標準的要求下進行的，但測試的結果還是不太理想。

表6 銅鋁系數法試驗實測值

2.7 合金分析法

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

圖10 Delta合金分析儀外觀

合金分析儀設備XRF光譜分析技術的實際應用之一，是能夠檢測出合金內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。采用該設備對某鋁合金進行嘗試性檢測，檢測結果如圖11所示，從圖中可以清晰看到檢測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。但是與設備供應商溝通后了解到，市場上的合金分析儀設備必須直接接觸被測物表面才能進行測量，如想要穿透變壓器繞組的絕緣材料,必須加大射線劑量，但國家標準對射線劑量有嚴格明確的規定，不能危及人體安全。所以，此方法在實際應用中不可行。

圖11 某鋁合金的檢測數據

3 方法比較

經過以上的試驗，各銅鋁繞組材料鑒別方法的優缺點及可行性總結如表7所示。

表7 銅鋁繞組材料鑒別方法的優缺點比較及可行性

4 結論

針對配電變壓器銅鋁繞組鑒別，基于相應的理論基礎，進行了多種方法的實施對比，發現諸多理論上可行的方法在實際操作中存在準確性不高、檢測周期性長、試驗環境不穩定等問題。其中，數據統計法、頻率響應法、銅鋁系數法、數字渦流金屬電阻率法、合金分析法、金屬探測法、鉆孔取料解剖法等均不可行，而熱電偶原理法有待進一步研究和確認。