基于热电效应鉴别配电变压器绕组材质的方法

杨茂昌

基于热电效应鉴别配电变压器绕组材质的方法

杨茂昌

（广东中质检测技术有限公司，广东 广州，510663）

配电变压器绕组材质存在以铝代铜的现象，给电力供配电系统带来安全隐患。针对传统的热电阻检测法存在耗时长、效率低；趋肤效应检测法需要较为严格的试验条件，变压器测试模型难以确定等问题，提出基于热电效应鉴别配电变压器绕组材质的方法。经实测，验证了此方法对额定容量为400 kVA以内的配电变压器的有效性。

热电效应；配电变压器；绕组材质；以铝代铜

0 引言

配电变压器是电力供配电系统的关键设备，其安全性和可靠性对整个配电网络的正常运行至关重要。以铝代铜是配电变压器较为严重的安全隐患[1]。铝的电阻率为2.82×10-8Ω·m，铜的电阻率为1.7× 10-8Ω·m，在导电性、机械和热性能方面，铜的性能均优于铝。同样规格的配电变压器，铝材质绕组发热比铜材质绕组大，且无法及时散热，易造成配电变压器损坏，引发输电用电安全事故。如何高效、准确地鉴别配电变压器绕组材质是目前迫切需要解决的问题。

传统的配电变压器绕组材质的无损检测方法主要有趋肤效应检测法[2]、热电阻检测法[3-4]等。其中，趋肤效应检测法因实际配电变压器参数与理论模型参数的差异较大，检测准确率较低；热电阻检测法因绕组直流电阻较低，低压侧通常为毫欧级，测量精度难以达到判别要求。

为此，根据无损检测技术的研究[5]，本文提出基于热电效应鉴别配电变压器绕组材质的方法。该方法利用热电效应，通过测量配电变压器绕组的热电动势进行其材质的鉴别[6-7]。

1 热电效应原理

热电效应也称塞贝克效应，是指当导体或半导体中存在温度差时，会产生电势差的现象[1,8]，其原理示意图如图1所示。

图1 热电效应原理示意图

图1中，在由两种不同导体（导体a、导体b）串联组成的回路中，如果两种不同导体的连接点（接点1、接点2）处存在温差|T1‒T2|，那么回路中将产生热电动势U[6]。热电动势U的计算公式为

由公式(1)可计算金属单质的塞贝克系数。但在实际工程应用中，纯铜或纯铝均含有一定的杂质[1]，同时导体合金或表面镀层也会影响金属材料的塞贝克系数，因此常采用实际测试值。

2 测量模型及硬件设计

基于热电效应原理，设计鉴别配电变压器绕组材质的硬件设备，以测出导体间的热电动势，从而鉴别配电变压器绕组是铜材质还是铝材质。

测量前，先对配电变压器进行简化处理，如图2所示，单个绕组的简化测量模型已包括了关键连接点。

1—导电杆；2—铜排与导电杆的连接处；3、4—铜排与变压器绕组连接处；5—公共导电杆；6—铜排与公共导电杆连接处。

如果配电变压器绕组材质为以铝代铜，即3-4绕组为铝材质，在温差大于20℃时，3、4之间会产生较大的热电动势。4、5、6距离加热端导电杆1较远，根据热力学原理分析，热量无法通过绕组传导至4、5、6，因此，可认为4、5、6的温度相同，不用计算其热电动势。

根据配电变压器简化测量模型的连接情况，建立配电变压器单绕组测量回路的模型如图3所示。

图3 配电变压器单绕组测量回路模型

如图3所示，配电变压器单绕组测量回路的模型主要包括PTC加热块、温度传感器、温控模块、高精度数字电压表等。其中，PTC加热块给导电杆加热；温度传感器和温控模块对导电杆加热过程进行控制和测温；到达实验目标温度时，高精度数字电压表测量热电动势。

3 实验与分析

根据图2和图3进行测试实验，主要测试内容包括：配电变压器单个绕组的热电效应测试；配电变压器绕组材质的鉴别测试；配电变压器高低压侧不同绕组的不同连接方式对测试结果的影响。

3.1 配电变压器单个绕组的热电效应测试

对铝、铜绕组的塞贝克系数进行测试和定量分析。经测试，配电变压器的导电杆、铜排与铜绕组间的塞贝克系数相对值小于0.4μV/℃；铝-铜材质间的塞贝克系数相对值较大，取4μV/℃进行定量计算分析。

利用PTC加热块给导电杆加热，使配电变压器绕组两端的温差达到20 ～ 80 ℃。考虑到加热端导电杆与铜排距离较小，材质相同且温差也较小，导电杆和铜排间的热电动势可忽略不计。当配电变压器绕组材质为铜时，取温差上限值进行计算，此时绕组处的热电动势值小于40μV；当配电变压器绕组材质为铝时，取温差下限值进行计算，此时绕组处的热电势值大于80 μV。综合配电变压器的实际情况并考虑一定的裕度，当加热端铜排温度达到160 ℃时，绕组可达到40 ～ 60 ℃的温差。热电动势经过量化处理，取 80μV为判断阈值，即热电动势大于80μV为铝绕组变压器，小于80μV为铜绕组变压器。

3.2 配电变压器绕组材质的鉴别测试

为验证本文方法的有效性，对6款铜材质、铝材质的配电变压器在低压侧进行测试，结果分别如表1和表2所示。

由表1、表2可知，铜-铜材质的热电动势基本小于40μV，铝-铜材质的热电动势均大于100μV。结合前面分析取配电变压器绕组两端的温差20 ℃计算，铝-铜材质变压器绕组的热电动势为80μV，与实验结果比较分析相差大于60μV的裕度，验证了本文方法从定量分析到定性判断的有效性。

表2 铝材质配电变压器的测试结果

3.3 配电变压器高低压侧不同绕组的不同连接方式对测试结果的影响

配电变压器一般为三相结构，连接方式有“三角形接法”ABC和“星型接法”abco，如图4所示。

图4 配电变压器的等效连接模型

配电变压器一般高、低压侧的连接方式不同，高压输入端一般采用“三角形接法”，低压输出端一般采用“星型接法”。由于“星型接法”没有形成回路，低压侧绕组可以进行ao、bo、co单独连接测试。

“三角形接法”绕组已串联组成一个回路，在测量AB、BC、CA时，如果无法将其中一路断开，则无法组成单绕组串联测试电路，那么实际的测量结果就会包含多个连接点的热电动势，以致无法对配电变压器绕组材质进行鉴别。如果“三角形接法”的配电变压器出厂时不是内部固定连接在一起，而是通过铜排连接，那么可以实现单绕组串联测试电路，采用热电效应鉴别配电变压器绕组材质的方法还是适用的。

同时，大于400kVA的配电变压器的铜排面积和体积都较大，根据热传导模型分析，热量很难传导到配电变压器绕组，达到足够的温差，因此大于400kVA的配电变压器，在进行铜-铝热电动势阈值判断时，鉴别结果与实际有较大偏差。

4 结论

本文介绍了基于热电效应鉴别配电变压器绕组材质的方法，操作简单，无特殊的试验限制条件，适合配电变压器绕组材质现场测试和鉴别。通过实验验证了该方法对400 kVA以下的小容量配电变压器绕组铜-铝材质鉴别的有效性和实用性。为无法通过外观等手段判断配电变压器绕组材质的情况下，提供了一种新的方法和思路。

[1] 余欣玺.基于热电效应的配电变压器绕组材质检测方法研究[D].重庆:重庆大学,2016.

[2] 夏越婷,郑志曜,尹忠东.基于电流趋肤效应的变压器绕组材质辨识方法[J].科学技术与工程,2022,22(1):184-191.

[3] 杨春尧,蒋强,文哲,等.基于电阻系数法的配电变压器绕组材质鉴别研究[J].变压器,2020,57(8):52-54.

[4]罗健铿,吴文辉.变压器温升试验时绕组热电阻的测量[J].机电工程技术,2002(S1):153-154.

[5]关晓全,徐德才,桂敏.基于热电效应的渗铝层无损检测技术研究与应用[J].航空维修与工程,2021,366(12):103-105.

[6] 伍鸿飞,韩凌云,李国彬,等.热电效应法配变绕组材质现场鉴别测试研究[J].云南电力技术,2018,46(2):89-91.

[7] 杜林,王棣生,陈伟根,等.基于Seebeck效应的配电变压器绕组材质无损鉴别装置及测试分析[J].电力自动化设备,2019, 39(2):8-13.

[8] 徐立,王淑香,张卫卫,等.边缘效应对电容式叉指状微纳力测量装置的影响与分析[J].中国测试,2020,46(S1):153-157.

A Method for Identifying Winding Materials of Distribution Transformers Based on Thermoelectric Effects

YANG Maochang

(Guangdong Zhongzhi Testing Technology Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

The phenomenon of using aluminum instead of copper in the winding material of distribution transformers poses a safety hazard to the power supply and distribution system. The traditional thermal resistance detection method is time-consuming and inefficient; The skin effect detection method requires strict experimental conditions, and it is difficult to determine the transformer testing model. Therefore, a method based on thermoelectric effect is proposed to identify the winding material of distribution transformers. The effectiveness of this method for distribution transformers with a rated capacity of less than 400 kVA has been verified through actual measurement.

thermoelectric effect; distribution transformer; winding material; using aluminum instead of copper

TP271,TP277

A

1674-2605(2023)04-0005-04

杨茂昌，男，1972年生，本科，高级工程师，主要研究方向：电力设备检测技术、电力电子技术。E-mail: 13903015705@ 139.com

10.3969/j.issn.1674-2605.2023.04.005

：杨茂昌.基于热电效应鉴别配电变压器绕组材质的方法[J].自动化与信息工程,2023,44(4):24-27.

YANG Maochang. A method for identifying winding materials of distribution transformers based on thermoelectric effects[J]. Automation & Information Engineering, 2023,44(4):24-27.