葉計團

摘 要：在配網(wǎng)干式變壓器的制造中，由于鋁制干變比銅制干變成本低，同時干變線圈被樹脂絕緣材料封裝，用戶無法對材質(zhì)直接判別。所以一些制造廠商為了牟取更高利潤，用鋁制干變來冒充銅制干變，以次充好。針對這種情況當(dāng)前有效的方法是破壞性檢驗，這種方法費時費力，造成資源浪費，而且只是對抽檢樣品有效，所以研究無損便攜的檢測方法極其重要，本文對干變繞組材質(zhì)判別方法進行了研究，提出通過比較繞組導(dǎo)線截面積額定載流量來判定材質(zhì)，根據(jù)導(dǎo)線單位截面積額定載流量定義J=I/S，式中I為額定電流，S為導(dǎo)體截面積。如果線圈導(dǎo)線是銅線時，J一般為2.7～3.5安培/平方毫米;如果線圈導(dǎo)線是鋁線時，J一般為1.5～2.0安培/平方毫米。式中額定電流可以通過額定容量求得、而截面積可采用已知匝比的測量繞組并將此線圈套在與變壓器同心的鐵芯，通過在低壓繞組施加激勵信號，在已知電壓和匝數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各繞組電壓的比值等于線圈匝數(shù)的比值關(guān)系，從而測得其他的線圈匝數(shù)。

關(guān)鍵詞：干式變壓器;繞組材質(zhì);額定容量;額定電流

1.干式變壓器繞組材質(zhì)判定的意義

由于干式變壓器具有抗短路能力強、維護工作量小、運行效率高、體積小、噪音低等優(yōu)點，在配電變壓器中，干變所占的比例愈來愈大，據(jù)統(tǒng)計，在歐美等發(fā)達國家中，它已占到配變的40～50%。在我國，約占到60%左右，目前我國已成為世界上干式變產(chǎn)銷量最大的國家。在如今國內(nèi)配電干式變壓器制造過程中，用鋁線代替銅線作為線圈繞組的導(dǎo)體來假冒銅導(dǎo)體變壓器已成為行業(yè)公開的潛規(guī)則。主要原因是鋁線變壓器與銅線變壓器相比更節(jié)省成本，經(jīng)成本計算，使用鋁代替銅來作為導(dǎo)體材質(zhì)，可以節(jié)省超過60%的成本。在配網(wǎng)干式變壓器生產(chǎn)完成后，不僅導(dǎo)體本身是具備絕緣表層，而且線包外部還會進行浸漆、環(huán)氧樹脂包封等絕緣措施，從外部看是根本無法判斷導(dǎo)體材質(zhì)的。如果破開一塊繞組絕緣，這樣就會導(dǎo)致絕緣失效，并且是無法修補的。材質(zhì)判斷無法直接得到，不良制造廠商也正是利用這一因素進行以次充好，從而大幅度降低了成本，非法獲利。這不僅導(dǎo)致用戶用電的質(zhì)量差、耗電量更大，還由于銅鋁繞組運行的最高溫度不同，如果鋁線變壓器按照銅繞組的標(biāo)準(zhǔn)運行，在過載、短路等特殊工況下，很可能造成了安全隱患，同時也擾亂變壓器制造行業(yè)秩序，對我國干式變壓器制造行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生不良的影響。

2.干式變壓器繞組材質(zhì)判定方法的研究

目前，針對上述情況較為常見的方法是通過變壓器吊罩進行檢查，也就是將一批變壓器，隨機抽出其中的樣品，破壞性拆解，拆開其繞組，切斷其高低壓繞組導(dǎo)體，來直觀判斷導(dǎo)體是銅還是鋁。這種方案，只是針對被抽到的變壓器樣品有效。不可能每個變壓器都拆開看，對于其他同批次變壓器，只能猜測性的判斷，而且這種抽查判斷負雜，費時費力，也是浪費資源。而其它文獻出現(xiàn)的方法，如溫升法、射線法、超聲波法等，也只能作為理論研究，限于成本及其復(fù)雜性一般難以應(yīng)用到實際測試儀器設(shè)備中。因此，研究一種易于實現(xiàn)、經(jīng)濟性好的測試方法來對干式變壓器繞組材質(zhì)進行判定是具有重大意義的。

銅和鋁都是導(dǎo)體，但是兩種材料有著不同的物理、化學(xué)、電性能參數(shù)。從原理上講，兩者作為導(dǎo)電材料使用，差別主要在于導(dǎo)電率的差異，銅線要比鋁線導(dǎo)電率高，銅線的電量損耗更低，相同截面的導(dǎo)線，電阻比鋁小，輸送同樣的功率，消耗的電量就比較小。

研究變壓器制造相關(guān)工藝可得知，若變壓器的溫升、損耗、容量、負載特性等性能參數(shù)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則使用銅線作為繞組和使用鋁線作為繞組，其導(dǎo)線載面的單位面積載流量（電流密度J）的設(shè)計必須符合一定的范圍，否則，變壓器的無法通過溫升、損耗、容量、空負載特性等性能測試。如果線圈導(dǎo)線是銅線時，電流密度一般為2.7～3.5安培/平方毫米。如果線圈導(dǎo)線是鋁線時，電流密度一般為1.5～2.0安培/平方毫米，兩者數(shù)值不存在重疊。因此可以依據(jù)本結(jié)論，通過測量及計算變壓繞組導(dǎo)線的電流密度即可評估變壓器的材質(zhì)是鋁還是銅。

依據(jù)電流密度的定義：

J=I/S

式中J為電流密度，I為額定電流，S為導(dǎo)體截面積。因此只要通過一定的測量方法或得變壓器的額定電流和繞線導(dǎo)體的截面積，即可通過上式計算出電流密度，從而判斷出變壓器繞組的材質(zhì)。

按定義額定電流I可以通過下面公式得出：

當(dāng)變壓器高壓繞組為Y型時，

I=Sn/Un

當(dāng)變壓器高壓繞組為Δ型時，

I=Sn/（Un√3）

式中，Sn為變壓器的額定容量，Un為變壓器額定電壓。式中，Un為變壓器額定電壓，為已知參數(shù)，Sn為變壓器的額定容量，所以只要測得變壓器實際額定容量即可得出額定電流。

變壓器實際容量判斷主要依據(jù)是變壓器的短路試驗的數(shù)據(jù)，并按要求校正到額定條件時的短路損耗數(shù)值，再查表得到被試變壓器的實際容量。通過直阻儀測得變壓器高低壓側(cè)的直流電阻Rt。利用直流電阻值可計算出變壓器的直流電阻損耗，即短路損耗Pr。公式如下：

Pr=∑I2Rt

式中I是繞組的額定電流，單位為A;Rt為直流電阻，計算不同額定電流下短路損耗Pr占對相應(yīng)負載損耗標(biāo)準(zhǔn)值的百分比，最接近95%以上的對應(yīng)的額定容量即是配電變壓器的額定容量SN。

由于測試結(jié)果是非額定電流的校正，同時國標(biāo)要求變壓器的短路損耗應(yīng)在環(huán)境溫度為“溫標(biāo)”設(shè)定值時進行，所以額定條件的數(shù)據(jù)都是在“溫標(biāo)”時的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，為了準(zhǔn)確判斷容量，必須將測試結(jié)果校正，校正公式為：

P=K×Pk

式中，Pk為“溫標(biāo)”下的短路損耗; K代表電阻溫度系數(shù)，其算法為K=（T+溫標(biāo)）/（T+t），式中t為測試時實際溫度，T是溫度換算系數(shù)，當(dāng)繞組是銅導(dǎo)體時T=235，是鋁導(dǎo)體時T=225。

當(dāng)一臺變壓器成品后，可以直接通過游標(biāo)卡尺量得變壓器線包的外部尺寸，得到整個線包的總截面積。那么導(dǎo)體的截面積計算公式為：

S=（總截面積-絕緣層截面積-纏繞材料截面積導(dǎo)體截面積）/匝數(shù)。

在變壓器制造行業(yè)中，不會隨意加厚絕緣層厚度，因為絕緣層加厚不僅增大變壓器的體積，也會導(dǎo)致散熱不良、應(yīng)力增大、材料成本增加，因此，變壓器的絕緣層截面積+纏繞材料截面積是按最小可用范圍來設(shè)計的。考慮到絕緣層截面積+纏繞材料截面積遠遠小于導(dǎo)體總截面積，因此可以按國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過收集各變壓器生產(chǎn)廠家各型號變壓器的絕緣層數(shù)據(jù)，計算出各容量等級變壓器的絕緣層厚度，建立數(shù)據(jù)庫代入上式即可。

對于變壓器繞組匝數(shù)，通過采用特制的一個測量繞組，設(shè)計匝數(shù)為N3，將此線圈套在與變壓器同心的鐵芯上，并在低壓繞組施加低壓交流激勵信號，基于電壓法分別測量變壓器高、低壓繞組以及增加的已知匝比的測量繞組上的輸出電壓U1、U2、U3;代入公式U1/U2/U3=N1/N2/N3中，求得N1和N2，N1和N2分別為高低壓繞組的匝數(shù)。

綜上所述，計算電流密度J的未知量均已得知，若計算出電流密度J在2.7～3.5安培/平方毫米之間，則判定線圈由銅導(dǎo)線繞制，若J在1.5～2.0安培/平方毫米之間，則判定線圈由鋁導(dǎo)線繞制，否則，判定線圈由非銅、非鋁導(dǎo)線繞制，該方法無需破壞變壓器本體，判定原理易于實現(xiàn)，計算過程簡單易用，依據(jù)此方法可設(shè)計出新穎、便捷、具有經(jīng)濟性、可靠性高的變壓器材質(zhì)分析測試設(shè)備，非常適合應(yīng)用到高壓電力檢測儀器儀表中，具有極大的推廣應(yīng)用價值。