基于电容的变压器绕组材质检测方法

卿向东，张 骞，蒋柠泽，张长卿

（北华大学电气与信息工程学院，吉林 吉林 132021）

1.引言

配电网在我国电力系统当中占有十分重要的地位，配电网质量会从直接的层面上对用户用电安全性及稳定性造成影响。电网建设和城乡配电网改造使我国配电变压器的需求以每年15%增长率不断攀升，近年来，由于铜价格不断攀升铝不升反降，差价越来越大。目前在价格上铜5.2万/吨、铝1.5万/吨，在比重上铜8.9 g/cm3、铝2.7 g/cm3，价格和比重的差异，导致以铝作为线圈材质的变压器是铜的成本的60%～70%，加上企业竞争、低价竞标等原因，部分变压器生产厂家开始使用铝代替铜作为变压器绕组的材质，致使大量“以铝代铜”的变压器进入市场。因为铝在电气、机械和发热等性能方面均不如铜，以铝代铜的变压器热稳定性差，铜铝接头焊接困难，存在大量虚焊现象等，导致这类变压器事故率是铜绕组变压器的8～9倍。例如：2017年3月，“以铝代铜”变压器在尼泊尔出现故障，导致我国机电产品在东南亚出口受阻，并严重损害了我国声誉。

在消费者权益方面，用户支付纯铜变压器的费用买回来的却是假冒的铝变压器，经济上蒙受了损失。目前在国内特别是电网公司，希望找到一种铝绕组变压器的鉴别方法，甄别出混在电力系统中的劣质铝变压器[1]。

目前设备管理部门对变压器材质的检测方法一是暴力解体，通过肉眼观察绕组材质，但绕组表面通常有绝缘纸包裹，因此还需要破坏绕组绝缘。这种检测方法费时费力，且具有不可逆性，不可能对所有变压器逐一进行破坏性试验。二是无损检测法，目前研究在用的主流方法有：电涡流法，通过线圈的电感、阻抗等参数的改变来鉴别金属材质，不足是只能检测干式变压器，且检测时变压器铁芯和夹件对检测结果有较大的干扰，无法检测油浸式变压器，油浸式变压器的外壳是金属材[2]；绕圈电阻检测法，铜与铝的电阻率随温度变化不同，通过测试测不同温度直流电阻值，计算电阻率判断材质。铜电阻率与温度关系铝电阻率与温度关系虽然原理清晰，但实际应用时低压线圈电阻为毫欧级，且无法测到绕组内部的真正温度，只能测到线圈表面温度，图1为实际检验绘制的曲线，可以看出铜铝电阻率随温度变化差异很小，以此甄别铜铝绕组确实很困难[3-5]；X射线成像法，通过X射线在材质当中衰减规律，来对绕组材质进行判断，检测结果直观，但只能在实验室进行，工程实用性差，急需一种切实可行的变压器绕组材质鉴别方法[6]。

图1 铜铝绕组温度变化曲线

2.基本原理

2.1 基于变压器绕组电气结构参数匝间电容的检测的方法

我们提出的基于匝间电容判断线圈材质其出发点是基于变压器线圈结构，结合线圈的材质其电气参数铜铝间有着明显的差值，以S11-1000/10变压器为例其负载损耗标准为10300W，无论线圈材质为铜或铝其损耗都为此值，才能满足国家标准，为用户所接受，负载损耗公式以低压线圈为例铜铝电流都为1443A，那么损耗相等的话其电阻值必相等而在75℃时铜的电阻率为铝为根据电阻公式在电阻相同，假设导线长度相同，由于铝的电阻率是铜的1.67倍为了保证阻值相同。铝导线的面积是铜的1.67倍，根据电容公式可见铝导线绕制的线圈无论采取任何措施，其电气参数线圈匝间电容要明显大于同容量的铜导线绕制的线圈，低压线圈铝箔为1.3X930，铜箔为1.3X560，图1是绕组高频（≥1KHz）等效电路图其中K为匝间电容，L为每匝绕组电感，C为对地电容。检测时通过在绕组首端A和地M间输入高频的正弦波或脉冲波，在末端X和地N间检测通过变压器绕组后衰减的波形或频率响应，比对已有波形来判断变压器绕组的材质[7]。

图2 中高频下绕组电气原理图

结合变压器绕组高频下等效电路图，通过在绕组首端输入高频的正弦波在末端检测通过变压器绕组后的衰减的波形，比对已有波形来判断变压器绕组的材质。所测参数，差异明显，易于甄别，铁芯、外壳等干扰小，适用性强[8]。

2.2 仿真分析

基于变压器绕组电气结构参数匝间电容的检测的方法以容量S11-1000/10变压器器例，通过计算得到铝绕组时 L=45mHˎK=23pF C=1250pF 铜绕组时L=52mH K=39pF C=2230pF。以Matlab的Simulink为基础建立了如下仿真（见图3、图 4）[9]：

图3 Matlab仿真原理框图

图4 正弦波频率为8KHz时铝绕组和铜绕组的输出波形图

3.实验验证

基于此方法利用1435A信号发生器和DPO7000SX示波器在现场对两台S11-100/10变压器其中一台为铝线圈另一台为铜绕制线圈做了测试，所测波形差异明显，准备在此理论基础上开发研究专用的变压器绕组检测仪，有一定的市场开发价值。在仿真和现场实验的基础上开发了如下检测装置。

4.检测装置原理框图

检测装置的基本原理如上图所示，信号发生器产生高频正弦波或脉冲加载在待测变压器绕组首端和地之间，在该绕组末端获取衰减后信号，该信号经调理电路处理后，送入A/D转换器进行高速采样，转换后的数字信号送到DSP进行检波、滤波等处理，ARM9嵌入计算机对DSP送来的信号进一步处理，在屏幕上显示衰减后的波形，比对先前存在计算机里的铜铝衰减波形，得出结果。