电力变压器绕组材料的无损鉴别方法

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(1.国家智能电网输配电设备质量监督检验中心,东莞 523325;2.国际铜业协会, 北京 100045;3.广东工业大学 自动化学院, 广州 510006)

随着中国电力行业的快速发展，铜和铝作为重要的电工材料，市场需求越来越大。由于铝材具有绝对的价格优势，故以铝代替铜的问题日益成为电力工业乃至国家层面普遍关心的话题[1]。但铝的电阻率比铜大，熔点比铜低，抗延展性较差，抗氧化性能比铜差[2]。因此，目前在电力行业主要还是采用铜材为主，但在电力变压器制造领域，出现了铜包铝线材产品或直接将铝线用于变压器绕组来代替纯铜线，且在铭牌型号中无任何铝材标识的现象。目前，国内外还没有一种现成的技术或仪器设备能迅速准确判定或鉴定出变压器绕组为铜或铝或铜包铝材料。国内一些生产厂家缺乏诚信，为获取暴利，以铝代铜，且不在铭牌中声明或明示，给电网公司或用户造成了选型误导和场合误用，也给电网的安全可靠运行带来了威胁和隐患。目前对于电网公司，鉴别铜铝绕组材料的准确方法是通过电锯刀进行绕组切割来进行判定。此方法原始粗暴，对产品破坏性极大，而且对一些在线运行的配电变压器，难以实施。因此，亟待希望能有一种设备或技术在不破坏产品的前提下，迅速判定或鉴定配电变压器绕组材料。

1 国内外研究现状

目前，国外普遍认为铝绕组变压器可以取代铜绕组变压器[3]，且国外诚信体制较完善，即使生产者使用铝绕组变压器，也会在产品铭牌中声明或明示，所以国外对于此方面研究甚少。国内近几年一些科研单位或大学如国际(中国)铜业协会，云南电科院、重庆电科院和重庆大学等进行了一些相关研究，文献[4]与[5]中提到了在10 kV配电变压器常规结构基础上，对比铜铝导线的性能差异，分析了铜铝绕组配电变压器电气性能、结构尺寸、价格比例的差异，探讨了可作为配电变压器绕组材料鉴别的可能因素。文献[6]中描述了铝导线油浸式变压器的质量、尺寸特征，介绍了其油箱容积、器身密度等的计算方法以及铝导线油浸式变压器的判断步骤。文献[7]中提出了一种基于热电效应的变压器内部绕组材料的无损鉴别方法，其基本原理是利用铜和铝的Seebeck 系数差异，通过理论推导得到了变压器绕组回路热电势值与绕组材料的关系，并建立试验平台进行了验证试验。文献[8]与[9]提出了一种基于改进自然降温法的变压器内部绕组材料的无损检测方法，该方法通过对变压器进行升温和自然降温计算电阻温度系数，并基于此实现绕组材料检测。文献[10]提出了基于X射线的鉴别方法，探讨了均匀遮蔽物中不同绕组材料的X射线衰减规律。文献[11]与[12]介绍了电涡流法通过线圈的电感、阻抗和品质因素等参数来鉴别金属材料的方法。文献[13]通过测量绕组参数与收集试验数据，建立了配电变压器绕组参数标准数据库，并将试验配电变压器绕组参数数值与标准数据库进行比对，得到绕组参数分布的概率密度曲线，再根据绕组参数的影响因子，建立分析模型以综合判定变压器绕组的材料。以上各文献从理论上验证了电力变压器铜铝绕组无损鉴别的可能性，但实际的设备或算法有待进一步验证和应用。

2 方法探索和验证

2.1 数据统计法

由于铜铝的性能差异较大，铜材在电性能、热性能等方面优于铝材，为了满足性能要求，选择不同的绕组材料，必将导致变压器的质量、体积、结构和性能存在差异。

根据材料学理论可知，铝导线75 ℃时的电阻系数为0.035 7 Ω·mm2·m-1，比铜导线75 ℃时的电阻系数(0.021 35 Ω·mm2·m-1)高很多。为了使变压器的负载损耗符合要求，需增大铝导线截面积，但这样会增大铁心尺寸，使空载损耗不符合要求。为了使空载损耗、负载损耗均符合要求，必须重新调整线圈匝数、铝导线截面积，所以铝导线变压器的体积较大。但是，铝的密度仅为2 700 kg·m-3，而铜的密度为8 900 kg·m-3，因此其总质量、器身质量增加不明显。

表1对比了某变压器厂生产的由铜、铝导线油浸式配变的结构尺寸及质量，可以看出：在配变容量及性能一定的条件下，绕组改为铝导线后将导致油配变器身体积和油箱容积大幅增大，全铝导线配变器身体积的增幅可达55%，油箱容积增幅可达35%，器身密度下降30%。同时可以看到，正常设计的铝导线配变整体质量不一定比铜导线配变轻，因为铁芯尺寸及器身体积的变化，其他材料用量的增加使得铝导线配变器身质量及总质量都略有增加。

表1 同一厂家生产的铜、铝导线油浸式配变的质量及体积对比

为了使试验更加严谨，随机抽取国家智能电网输配电设备质量监督检验中心的历年测试数据，统计了不同生产厂家铜、铝导线配变(包括油浸式和干式配电变压器)的质量及体积对比，图1为对同一厂家不同容量的干式变压器的统计结果,表2为采用A厂家铝绕组油变分别和B，C，D厂家铜绕组油变进行对比的结果。

图1 同一生产厂家的铜铝绕组干式变压器的质量和体积对比

表2 不同生产厂家的铜、铝导线油浸式配变的质量和体积对比

由图1可看出，同一厂家的干变铝绕组的质量和体积比铜绕组的大；由表2可看出，同型号规格条件下，A厂家的铝绕组油变质量和体积均小于B厂家的。根据以上结果分析，对于同一生产厂家的铜、铝绕组变压器，采用相同生产工艺，在保证足够容量和满足标准性能的前提下，一般铝绕组变压器的体积和质量都比铜绕组变压器的略大。但对于不同生产厂家的铜、铝绕组变压器，由于生产工艺的不同以及性能指标的差异，其体积和质量并无绝对的规律和趋势。

2.2 热电效应原理法

向两种不同材料的导体组合成的闭合回路通入电流，直到闭合端与另一端产生温度差时，两端之间会产生一个电动势，其也称为寄生热电势，而同一导体材料组合成的闭合回路几乎不会产生寄生热电势。

图2为热电效应试验原理示意，根据图2进行试验，给变压器导电杆外加电源通入电流对三相绕组进行不对称加热，使得其中一相绕组与其他两相绕组间产生温差；再断开电流，采集存在温差的A和B两相间的直流电压，若未采集到直流电压表明没有产生寄生热电势，则判定变压器绕组材料为铜，若采集到直流电压表明产生了寄生热电势，且断开电流后采集的直流电压逐渐消失，则判定绕组材料为铝(或其他非铜材料)。图3为试验现场铜绕组与铝绕组的热成像仪检测结果。

图2 热电效应试验原理示意

图3 铜绕组与铝绕组热成像仪检测结果

试验过程中，在给低压侧加热后，由于试验电流偏小，电动势变化太快，所以选取从高压侧加热，根据上面的步骤给高压侧通入10 A的电流6 min后记录电动势数据，将数据绘成趋势图，如图4所示 ，从实测图中红色圈内，可看出铝绕组电动势在衰减过程中的变化比铜绕组电动势的变化反而更快些，与实际理论不太吻合。所以，此方法有待进一步确认和研究。

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图4 加热6 min后铜绕组与铝绕组的电动势变化趋势

2.3 数字涡流金属电阻率法

根据电磁感应定律原理，导体切割磁力线运动或者靠近变化着的磁场(源磁场)时，导体内部会产生感应涡流，而感应涡流产生的磁场又会反作用于源磁场(见图5)，这种反作用的大小与导体本身的导电率有关。

图5 探头信号检测原理示意

图6 探头信号的检测流程

基于这一原理,此方法采用涡流导电仪来检测导电材料的导电率，探头检测的简化流程如图6所示，探头检测到的信号经处理器处理后发送至显示器，显示器上显示出被测金属的导电率，通过导电率来辨别变压器线圈绕组的金属材料。

对设备进行校准后，在现场对变压器进行测试，测试结果发现该设备仪器探头必须直接接触被测金属表面时才可以检测电导率，而对非接触性质材料则无法测量，因此该设备无法辨别变压器绕组材料。

2.4 金属探测法

该方法采用地下金属探测仪进行测试。探测仪内带有线圈，在工作时会产生周期性变化的磁场，变化的磁场即产生涡流电场，电场产生电磁波(也称一次场)，电磁波在传播过程中接触到金属时,金属内部会产生涡电流，即产生二次场，一次场和二次场相互作用后使线圈的电压和阻抗发生变化，从而改变原线圈电压的振幅、方向和相位。金属探测仪利用相位调节器测出相移量，再将实测数据与某种类的金属相移值进行比较，最后测得的值经内部CPU处理，通过声音或显示器告知探测者目标金属的类型，从而判定出金属的种类。金属探测法具备不需要与金属表面接触的特点，跟2.3节中提及的方法有相似之处，都以电磁感应定律为基础，但在工作原理上存在差别。

试验分别针对铜绕组的干式变压器和铝绕组的油浸式变压器进行，测试结果如图7所示，从图中读数可看出金属探测仪未能确定金属种类，主要是变压器表面铁心和铁轭等金属部件对测试的影响很大，导致测试数据结果不理想，所以此方法需要进一步研究或改进。

图7 金属探测法的测试结果

2.5 频率响应法

该方法通过一套频率响应分析系统在变压器一次侧输入一个高频振荡信号，在二次侧通过测量导纳函数、开路电压传递函数信号，来比较和发现铜和铝绕组变压器的规律。在某一变压器工厂测试两台生产工艺相同，分别用铜和铝绕制的不同材料变压器进行频率响应测试，其中铜绕制的干变用“506”表示，铝绕制的干变用“496”表示，图8为试验实测波形。

图8 频率响应法的试验测试波形

高压侧和低压侧三相绕组频率响应50 Hz数据如表3所示。

为了让试验更加严谨，针对不同厂家的三台干式变压器高压侧A、B、C三相绕组的频率响应曲线进行对比，变压器型号、材料和对应的通道如表4所示，频率响应曲线的对比如图9所示，其中曲线第一个波谷处的图形是放大显示的。

表3 高低压侧三相绕组频率响应数据

表4 样品参数和试验对应的显示通道

图9 三台干式变压器高压侧绕组的频率响应曲线合成图

根据试验结果，第一波谷处，虽然②号变压器的A相频响曲线(CH22通道曲线，图中第一波谷最靠左侧)与B,C两相有偏离，但是第一波谷过后,②号变压器的频响曲线整体靠下部，①号变压器次之，③号变压器最靠上部。已知③号变压器高压侧为“铝”，而容量为2 000 kVA。而①,②号变压器规格相同，容量也同是1 000 kVA。

对比①,②号变压器的频率响应曲线发现与在2.2节中提及的“铜”“铝”两变压器对比规律相同，极其相似。如果同一工厂中测试的铜铝规律成立，那么对①号变压器(型号SCB12-1000/10,出厂序号15095003)是否为“铜”有待进一步确认。

另外,高压侧绕组频率响应50 Hz数据的对比如表5所示。

2.6 铜铝系数法

铜和铝的材料校正系数分别为235和225，根据GB 1094.2-2013 《电力变压器 第2部分 液浸式变压器的温升》 第7.6节中的绕组平均温度计算公式可反推铜和铝的材料校正系数。

表5 高压侧绕组频率响应数据

根据标准中绕组平均温度计算公式,假设材料校正系数为X，则根据式(1)和(2)可以反推

(1)

式中：θ1为冷态环境温度；θ2为热态环境温度；R1为冷态电阻值；R2为热态电阻值。

试验方法具体为：试品不励磁，且静置8 h以上，确保环境温度与试品绕组温度完全等同时，准确测试冷态电阻值和冷态环境温度；将环境加热箱加温到一定温度且恒定保持约3 h后，将试品置入环境加热箱中，并分别在试品绕组、铁芯和试品周边区域(环境加热箱内)布置热电偶，采集准确温度，经过一定时间后，确保试品绕组及铁芯温度和环境加热箱内试品周边环境温度相等或相差±0.1 ℃时，开始测试试品绕组电阻值。

为了避免试验随机性并保证试验的准确性，采用了4台试品同时进行试验，将环境加热箱加温到60 ℃，并确保样品与室内环境温度相等或相差±0.1 ℃时，进行热态电阻测试,试验时长为28 h，试验结果如表6所示。

根据表6结果和以上的分析可以看出：通过试验所推算出来的材料校正系数与实际材料参数并不完全吻合，型号为SCLB10-30/10的铝绕组变压器材料校正系数应该为225，但实际推测的结果为211.5和212.1;其他铜绕组变压器材料校正系数应该为235，但实际推测的结果为215.5～229.2。而且在推算中发现，环境温度的准确测量对结果的影响很大，在测量铝绕组变压器时发现，当热态环境温度变化0.1 ℃时，材料校正系数的结果将变化0.6，而当冷态环境温度变化0.1 ℃时，材料校正系数的结果将变化0.7，可见，此方法对测量的不准确性非常高。此次试验是在严格按照试验方法和标准的要求下进行的，但测试的结果还是不太理想。

表6 铜铝系数法试验实测值

2.7 合金分析法

合金分析法是一种XRF光谱分析技术，该技术是基于一种X射线得以实现的。X射线的本质是电磁辐射波，是一种不可见光，却跟可见光一样具有波长和能量。X射线轰击在金属合金上并对其发生作用，改变材料原子内部的电子稳定性，迫使电子发射出去形成X射线荧光，根据X射线荧光的能量或者波长即可对应出相应的元素，鉴别合金材料的成分。X射线穿透力强，能够穿透一些如木料等可见光穿透不了的物质，而变压器绕组外面带有木质绝缘材料，因此从理论上来讲相比较2.3节中的方法，该方法具有更高的可行性。

图10 Delta合金分析仪外观

合金分析仪设备XRF光谱分析技术的实际应用之一，是能够检测出合金内部元素以及元素在合金中的含量，Delta合金分析仪的外观如图10所示。采用该设备对某铝合金进行尝试性检测，检测结果如图11所示，从图中可以清晰看到检测后的合金材料主要是铝元素，其含量最高，其余如铁、铜元素等含量较少。但是与设备供应商沟通后了解到，市场上的合金分析仪设备必须直接接触被测物表面才能进行测量，如想要穿透变压器绕组的绝缘材料,必须加大射线剂量，但国家标准对射线剂量有严格明确的规定，不能危及人体安全。所以，此方法在实际应用中不可行。

图11 某铝合金的检测数据

3 方法比较

经过以上的试验，各铜铝绕组材料鉴别方法的优缺点及可行性总结如表7所示。

表7 铜铝绕组材料鉴别方法的优缺点比较及可行性

4 结论

针对配电变压器铜铝绕组鉴别，基于相应的理论基础，进行了多种方法的实施对比，发现诸多理论上可行的方法在实际操作中存在准确性不高、检测周期性长、试验环境不稳定等问题。其中，数据统计法、频率响应法、铜铝系数法、数字涡流金属电阻率法、合金分析法、金属探测法、钻孔取料解剖法等均不可行，而热电偶原理法有待进一步研究和确认。