卿向東，張 騫，蔣檸澤，張長(zhǎng)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(guó)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(huì)從直接的層面上對(duì)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(guó)配電變壓器的需求以每年15%增長(zhǎng)率不斷攀升，近年來(lái)，由于銅價(jià)格不斷攀升鋁不升反降，差價(jià)越來(lái)越大。目前在價(jià)格上銅5.2萬(wàn)/噸、鋁1.5萬(wàn)/噸，在比重上銅8.9 g/cm3、鋁2.7 g/cm3，價(jià)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(jìng)爭(zhēng)、低價(jià)競(jìng)標(biāo)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(jìn)入市場(chǎng)。因?yàn)殇X在電氣、機(jī)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(guó)機(jī)電產(chǎn)品在東南亞出口受阻，并嚴(yán)重?fù)p害了我國(guó)聲譽(yù)。

在消費(fèi)者權(quán)益方面，用戶支付純銅變壓器的費(fèi)用買回來(lái)的卻是假冒的鋁變壓器，經(jīng)濟(jì)上蒙受了損失。目前在國(guó)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(duì)變壓器材質(zhì)的檢測(cè)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(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且具有不可逆性，不可能對(duì)所有變壓器逐一進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。二是無(wú)損檢測(cè)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(lái)鑒別金屬材質(zhì)，不足是只能檢測(cè)干式變壓器，且檢測(cè)時(shí)變壓器鐵芯和夾件對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大的干擾，無(wú)法檢測(cè)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(cè)法，銅與鋁的電阻率隨溫度變化不同，通過測(cè)試測(cè)不同溫度直流電阻值，計(jì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)低壓線圈電阻為毫歐級(jí)，且無(wú)法測(cè)到繞組內(nèi)部的真正溫度，只能測(cè)到線圈表面溫度，圖1為實(shí)際檢驗(yàn)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(shí)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(lái)對(duì)繞組材質(zhì)進(jìn)行判斷，檢測(cè)結(jié)果直觀，但只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，工程實(shí)用性差，急需一種切實(shí)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(cè)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(diǎn)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(fù)載損耗標(biāo)準(zhǔn)為10300W，無(wú)論線圈材質(zhì)為銅或鋁其損耗都為此值，才能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為用戶所接受，負(fù)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(shí)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(zhǎng)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(wú)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(duì)地電容。檢測(cè)時(shí)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(cè)通過變壓器繞組后衰減的波形或頻率響應(yīng)，比對(duì)已有波形來(lái)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(cè)通過變壓器繞組后的衰減的波形，比對(duì)已有波形來(lái)判斷變壓器繞組的材質(zhì)。所測(cè)參數(shù)，差異明顯，易于甄別，鐵芯、外殼等干擾小，適用性強(qiáng)[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(cè)的方法以容量S11-1000/10變壓器器例，通過計(jì)算得到鋁繞組時(shí) L=45mH?K=23pF C=1250pF 銅繞組時(shí)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(shí)鋁繞組和銅繞組的輸出波形圖

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于此方法利用1435A信號(hào)發(fā)生器和DPO7000SX示波器在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)兩臺(tái)S11-100/10變壓器其中一臺(tái)為鋁線圈另一臺(tái)為銅繞制線圈做了測(cè)試，所測(cè)波形差異明顯，準(zhǔn)備在此理論基礎(chǔ)上開發(fā)研究專用的變壓器繞組檢測(cè)儀，有一定的市場(chǎng)開發(fā)價(jià)值。在仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了如下檢測(cè)裝置。

4.檢測(cè)裝置原理框圖

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