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        基于電容的變壓器繞組材質(zhì)檢測(cè)方法

        2021-03-26 06:50:40卿向東蔣檸澤張長(zhǎng)卿
        科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊 2021年6期
        關(guān)鍵詞:變壓器檢測(cè)

        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。

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