基于熱電效應(yīng)鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)的方法

楊茂昌

基于熱電效應(yīng)鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)的方法

楊茂昌

（廣東中質(zhì)檢測技術(shù)有限公司，廣東 廣州，510663）

配電變壓器繞組材質(zhì)存在以鋁代銅的現(xiàn)象，給電力供配電系統(tǒng)帶來安全隱患。針對傳統(tǒng)的熱電阻檢測法存在耗時長、效率低；趨膚效應(yīng)檢測法需要較為嚴(yán)格的試驗(yàn)條件，變壓器測試模型難以確定等問題，提出基于熱電效應(yīng)鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)的方法。經(jīng)實(shí)測，驗(yàn)證了此方法對額定容量為400 kVA以內(nèi)的配電變壓器的有效性。

熱電效應(yīng)；配電變壓器；繞組材質(zhì)；以鋁代銅

0 引言

配電變壓器是電力供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其安全性和可靠性對整個配電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。以鋁代銅是配電變壓器較為嚴(yán)重的安全隱患[1]。鋁的電阻率為2.82×10-8Ω·m，銅的電阻率為1.7× 10-8Ω·m，在導(dǎo)電性、機(jī)械和熱性能方面，銅的性能均優(yōu)于鋁。同樣規(guī)格的配電變壓器，鋁材質(zhì)繞組發(fā)熱比銅材質(zhì)繞組大，且無法及時散熱，易造成配電變壓器損壞，引發(fā)輸電用電安全事故。如何高效、準(zhǔn)確地鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)是目前迫切需要解決的問題。

傳統(tǒng)的配電變壓器繞組材質(zhì)的無損檢測方法主要有趨膚效應(yīng)檢測法[2]、熱電阻檢測法[3-4]等。其中，趨膚效應(yīng)檢測法因?qū)嶋H配電變壓器參數(shù)與理論模型參數(shù)的差異較大，檢測準(zhǔn)確率較低；熱電阻檢測法因繞組直流電阻較低，低壓側(cè)通常為毫歐級，測量精度難以達(dá)到判別要求。

為此，根據(jù)無損檢測技術(shù)的研究[5]，本文提出基于熱電效應(yīng)鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)的方法。該方法利用熱電效應(yīng)，通過測量配電變壓器繞組的熱電動勢進(jìn)行其材質(zhì)的鑒別[6-7]。

1 熱電效應(yīng)原理

熱電效應(yīng)也稱塞貝克效應(yīng)，是指當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體中存在溫度差時，會產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象[1,8]，其原理示意圖如圖1所示。

圖1 熱電效應(yīng)原理示意圖

圖1中，在由兩種不同導(dǎo)體（導(dǎo)體a、導(dǎo)體b）串聯(lián)組成的回路中，如果兩種不同導(dǎo)體的連接點(diǎn)（接點(diǎn)1、接點(diǎn)2）處存在溫差|T1?T2|，那么回路中將產(chǎn)生熱電動勢U[6]。熱電動勢U的計(jì)算公式為

由公式(1)可計(jì)算金屬單質(zhì)的塞貝克系數(shù)。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，純銅或純鋁均含有一定的雜質(zhì)[1]，同時導(dǎo)體合金或表面鍍層也會影響金屬材料的塞貝克系數(shù)，因此常采用實(shí)際測試值。

2 測量模型及硬件設(shè)計(jì)

基于熱電效應(yīng)原理，設(shè)計(jì)鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)的硬件設(shè)備，以測出導(dǎo)體間的熱電動勢，從而鑒別配電變壓器繞組是銅材質(zhì)還是鋁材質(zhì)。

測量前，先對配電變壓器進(jìn)行簡化處理，如圖2所示，單個繞組的簡化測量模型已包括了關(guān)鍵連接點(diǎn)。

1—導(dǎo)電桿；2—銅排與導(dǎo)電桿的連接處；3、4—銅排與變壓器繞組連接處；5—公共導(dǎo)電桿；6—銅排與公共導(dǎo)電桿連接處。

如果配電變壓器繞組材質(zhì)為以鋁代銅，即3-4繞組為鋁材質(zhì)，在溫差大于20℃時，3、4之間會產(chǎn)生較大的熱電動勢。4、5、6距離加熱端導(dǎo)電桿1較遠(yuǎn)，根據(jù)熱力學(xué)原理分析，熱量無法通過繞組傳導(dǎo)至4、5、6，因此，可認(rèn)為4、5、6的溫度相同，不用計(jì)算其熱電動勢。

根據(jù)配電變壓器簡化測量模型的連接情況，建立配電變壓器單繞組測量回路的模型如圖3所示。

圖3 配電變壓器單繞組測量回路模型

如圖3所示，配電變壓器單繞組測量回路的模型主要包括PTC加熱塊、溫度傳感器、溫控模塊、高精度數(shù)字電壓表等。其中，PTC加熱塊給導(dǎo)電桿加熱；溫度傳感器和溫控模塊對導(dǎo)電桿加熱過程進(jìn)行控制和測溫；到達(dá)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度時，高精度數(shù)字電壓表測量熱電動勢。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)圖2和圖3進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，主要測試內(nèi)容包括：配電變壓器單個繞組的熱電效應(yīng)測試；配電變壓器繞組材質(zhì)的鑒別測試；配電變壓器高低壓側(cè)不同繞組的不同連接方式對測試結(jié)果的影響。

3.1 配電變壓器單個繞組的熱電效應(yīng)測試

對鋁、銅繞組的塞貝克系數(shù)進(jìn)行測試和定量分析。經(jīng)測試，配電變壓器的導(dǎo)電桿、銅排與銅繞組間的塞貝克系數(shù)相對值小于0.4μV/℃；鋁-銅材質(zhì)間的塞貝克系數(shù)相對值較大，取4μV/℃進(jìn)行定量計(jì)算分析。

利用PTC加熱塊給導(dǎo)電桿加熱，使配電變壓器繞組兩端的溫差達(dá)到20 ～ 80 ℃。考慮到加熱端導(dǎo)電桿與銅排距離較小，材質(zhì)相同且溫差也較小，導(dǎo)電桿和銅排間的熱電動勢可忽略不計(jì)。當(dāng)配電變壓器繞組材質(zhì)為銅時，取溫差上限值進(jìn)行計(jì)算，此時繞組處的熱電動勢值小于40μV；當(dāng)配電變壓器繞組材質(zhì)為鋁時，取溫差下限值進(jìn)行計(jì)算，此時繞組處的熱電勢值大于80 μV。綜合配電變壓器的實(shí)際情況并考慮一定的裕度，當(dāng)加熱端銅排溫度達(dá)到160 ℃時，繞組可達(dá)到40 ～ 60 ℃的溫差。熱電動勢經(jīng)過量化處理，取 80μV為判斷閾值，即熱電動勢大于80μV為鋁繞組變壓器，小于80μV為銅繞組變壓器。

3.2 配電變壓器繞組材質(zhì)的鑒別測試

為驗(yàn)證本文方法的有效性，對6款銅材質(zhì)、鋁材質(zhì)的配電變壓器在低壓側(cè)進(jìn)行測試，結(jié)果分別如表1和表2所示。

由表1、表2可知，銅-銅材質(zhì)的熱電動勢基本小于40μV，鋁-銅材質(zhì)的熱電動勢均大于100μV。結(jié)合前面分析取配電變壓器繞組兩端的溫差20 ℃計(jì)算，鋁-銅材質(zhì)變壓器繞組的熱電動勢為80μV，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較分析相差大于60μV的裕度，驗(yàn)證了本文方法從定量分析到定性判斷的有效性。

表2 鋁材質(zhì)配電變壓器的測試結(jié)果

3.3 配電變壓器高低壓側(cè)不同繞組的不同連接方式對測試結(jié)果的影響

配電變壓器一般為三相結(jié)構(gòu)，連接方式有“三角形接法”ABC和“星型接法”abco，如圖4所示。

圖4 配電變壓器的等效連接模型

配電變壓器一般高、低壓側(cè)的連接方式不同，高壓輸入端一般采用“三角形接法”，低壓輸出端一般采用“星型接法”。由于“星型接法”沒有形成回路，低壓側(cè)繞組可以進(jìn)行ao、bo、co單獨(dú)連接測試。

“三角形接法”繞組已串聯(lián)組成一個回路，在測量AB、BC、CA時，如果無法將其中一路斷開，則無法組成單繞組串聯(lián)測試電路，那么實(shí)際的測量結(jié)果就會包含多個連接點(diǎn)的熱電動勢，以致無法對配電變壓器繞組材質(zhì)進(jìn)行鑒別。如果“三角形接法”的配電變壓器出廠時不是內(nèi)部固定連接在一起，而是通過銅排連接，那么可以實(shí)現(xiàn)單繞組串聯(lián)測試電路，采用熱電效應(yīng)鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)的方法還是適用的。

同時，大于400kVA的配電變壓器的銅排面積和體積都較大，根據(jù)熱傳導(dǎo)模型分析，熱量很難傳導(dǎo)到配電變壓器繞組，達(dá)到足夠的溫差，因此大于400kVA的配電變壓器，在進(jìn)行銅-鋁熱電動勢閾值判斷時，鑒別結(jié)果與實(shí)際有較大偏差。

4 結(jié)論

本文介紹了基于熱電效應(yīng)鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)的方法，操作簡單，無特殊的試驗(yàn)限制條件，適合配電變壓器繞組材質(zhì)現(xiàn)場測試和鑒別。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法對400 kVA以下的小容量配電變壓器繞組銅-鋁材質(zhì)鑒別的有效性和實(shí)用性。為無法通過外觀等手段判斷配電變壓器繞組材質(zhì)的情況下，提供了一種新的方法和思路。

[1] 余欣璽.基于熱電效應(yīng)的配電變壓器繞組材質(zhì)檢測方法研究[D].重慶:重慶大學(xué),2016.

[2] 夏越婷,鄭志曜,尹忠東.基于電流趨膚效應(yīng)的變壓器繞組材質(zhì)辨識方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2022,22(1):184-191.

[3] 楊春堯,蔣強(qiáng),文哲,等.基于電阻系數(shù)法的配電變壓器繞組材質(zhì)鑒別研究[J].變壓器,2020,57(8):52-54.

[4]羅健鏗,吳文輝.變壓器溫升試驗(yàn)時繞組熱電阻的測量[J].機(jī)電工程技術(shù),2002(S1):153-154.

[5]關(guān)曉全,徐德才,桂敏.基于熱電效應(yīng)的滲鋁層無損檢測技術(shù)研究與應(yīng)用[J].航空維修與工程,2021,366(12):103-105.

[6] 伍鴻飛,韓凌云,李國彬,等.熱電效應(yīng)法配變繞組材質(zhì)現(xiàn)場鑒別測試研究[J].云南電力技術(shù),2018,46(2):89-91.

[7] 杜林,王棣生,陳偉根,等.基于Seebeck效應(yīng)的配電變壓器繞組材質(zhì)無損鑒別裝置及測試分析[J].電力自動化設(shè)備,2019, 39(2):8-13.

[8] 徐立,王淑香,張衛(wèi)衛(wèi),等.邊緣效應(yīng)對電容式叉指狀微納力測量裝置的影響與分析[J].中國測試,2020,46(S1):153-157.

A Method for Identifying Winding Materials of Distribution Transformers Based on Thermoelectric Effects

YANG Maochang

(Guangdong Zhongzhi Testing Technology Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

The phenomenon of using aluminum instead of copper in the winding material of distribution transformers poses a safety hazard to the power supply and distribution system. The traditional thermal resistance detection method is time-consuming and inefficient; The skin effect detection method requires strict experimental conditions, and it is difficult to determine the transformer testing model. Therefore, a method based on thermoelectric effect is proposed to identify the winding material of distribution transformers. The effectiveness of this method for distribution transformers with a rated capacity of less than 400 kVA has been verified through actual measurement.

thermoelectric effect; distribution transformer; winding material; using aluminum instead of copper

TP271,TP277

A

1674-2605(2023)04-0005-04

楊茂昌，男，1972年生，本科，高級工程師，主要研究方向：電力設(shè)備檢測技術(shù)、電力電子技術(shù)。E-mail: 13903015705@ 139.com

10.3969/j.issn.1674-2605.2023.04.005

：楊茂昌.基于熱電效應(yīng)鑒別配電變壓器繞組材質(zhì)的方法[J].自動化與信息工程,2023,44(4):24-27.

YANG Maochang. A method for identifying winding materials of distribution transformers based on thermoelectric effects[J]. Automation & Information Engineering, 2023,44(4):24-27.