干式變壓器繞組材質(zhì)無(wú)損判定方法的研究

葉計(jì)團(tuán)

摘 要：在配網(wǎng)干式變壓器的制造中，由于鋁制干變比銅制干變成本低，同時(shí)干變線圈被樹(shù)脂絕緣材料封裝，用戶無(wú)法對(duì)材質(zhì)直接判別。所以一些制造廠商為了牟取更高利潤(rùn)，用鋁制干變來(lái)冒充銅制干變，以次充好。針對(duì)這種情況當(dāng)前有效的方法是破壞性檢驗(yàn)，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，造成資源浪費(fèi)，而且只是對(duì)抽檢樣品有效，所以研究無(wú)損便攜的檢測(cè)方法極其重要，本文對(duì)干變繞組材質(zhì)判別方法進(jìn)行了研究，提出通過(guò)比較繞組導(dǎo)線截面積額定載流量來(lái)判定材質(zhì)，根據(jù)導(dǎo)線單位截面積額定載流量定義J=I/S，式中I為額定電流，S為導(dǎo)體截面積。如果線圈導(dǎo)線是銅線時(shí)，J一般為2.7～3.5安培/平方毫米;如果線圈導(dǎo)線是鋁線時(shí)，J一般為1.5～2.0安培/平方毫米。式中額定電流可以通過(guò)額定容量求得、而截面積可采用已知匝比的測(cè)量繞組并將此線圈套在與變壓器同心的鐵芯，通過(guò)在低壓繞組施加激勵(lì)信號(hào)，在已知電壓和匝數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各繞組電壓的比值等于線圈匝數(shù)的比值關(guān)系，從而測(cè)得其他的線圈匝數(shù)。

關(guān)鍵詞：干式變壓器;繞組材質(zhì);額定容量;額定電流

1.干式變壓器繞組材質(zhì)判定的意義

由于干式變壓器具有抗短路能力強(qiáng)、維護(hù)工作量小、運(yùn)行效率高、體積小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，在配電變壓器中，干變所占的比例愈來(lái)愈大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家中，它已占到配變的40～50%。在我國(guó)，約占到60%左右，目前我國(guó)已成為世界上干式變產(chǎn)銷量最大的國(guó)家。在如今國(guó)內(nèi)配電干式變壓器制造過(guò)程中，用鋁線代替銅線作為線圈繞組的導(dǎo)體來(lái)假冒銅導(dǎo)體變壓器已成為行業(yè)公開(kāi)的潛規(guī)則。主要原因是鋁線變壓器與銅線變壓器相比更節(jié)省成本，經(jīng)成本計(jì)算，使用鋁代替銅來(lái)作為導(dǎo)體材質(zhì)，可以節(jié)省超過(guò)60%的成本。在配網(wǎng)干式變壓器生產(chǎn)完成后，不僅導(dǎo)體本身是具備絕緣表層，而且線包外部還會(huì)進(jìn)行浸漆、環(huán)氧樹(shù)脂包封等絕緣措施，從外部看是根本無(wú)法判斷導(dǎo)體材質(zhì)的。如果破開(kāi)一塊繞組絕緣，這樣就會(huì)導(dǎo)致絕緣失效，并且是無(wú)法修補(bǔ)的。材質(zhì)判斷無(wú)法直接得到，不良制造廠商也正是利用這一因素進(jìn)行以次充好，從而大幅度降低了成本，非法獲利。這不僅導(dǎo)致用戶用電的質(zhì)量差、耗電量更大，還由于銅鋁繞組運(yùn)行的最高溫度不同，如果鋁線變壓器按照銅繞組的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，在過(guò)載、短路等特殊工況下，很可能造成了安全隱患，同時(shí)也擾亂變壓器制造行業(yè)秩序，對(duì)我國(guó)干式變壓器制造行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生不良的影響。

2.干式變壓器繞組材質(zhì)判定方法的研究

目前，針對(duì)上述情況較為常見(jiàn)的方法是通過(guò)變壓器吊罩進(jìn)行檢查，也就是將一批變壓器，隨機(jī)抽出其中的樣品，破壞性拆解，拆開(kāi)其繞組，切斷其高低壓繞組導(dǎo)體，來(lái)直觀判斷導(dǎo)體是銅還是鋁。這種方案，只是針對(duì)被抽到的變壓器樣品有效。不可能每個(gè)變壓器都拆開(kāi)看，對(duì)于其他同批次變壓器，只能猜測(cè)性的判斷，而且這種抽查判斷負(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也是浪費(fèi)資源。而其它文獻(xiàn)出現(xiàn)的方法，如溫升法、射線法、超聲波法等，也只能作為理論研究，限于成本及其復(fù)雜性一般難以應(yīng)用到實(shí)際測(cè)試儀器設(shè)備中。因此，研究一種易于實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)性好的測(cè)試方法來(lái)對(duì)干式變壓器繞組材質(zhì)進(jìn)行判定是具有重大意義的。

銅和鋁都是導(dǎo)體，但是兩種材料有著不同的物理、化學(xué)、電性能參數(shù)。從原理上講，兩者作為導(dǎo)電材料使用，差別主要在于導(dǎo)電率的差異，銅線要比鋁線導(dǎo)電率高，銅線的電量損耗更低，相同截面的導(dǎo)線，電阻比鋁小，輸送同樣的功率，消耗的電量就比較小。

研究變壓器制造相關(guān)工藝可得知，若變壓器的溫升、損耗、容量、負(fù)載特性等性能參數(shù)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則使用銅線作為繞組和使用鋁線作為繞組，其導(dǎo)線載面的單位面積載流量（電流密度J）的設(shè)計(jì)必須符合一定的范圍，否則，變壓器的無(wú)法通過(guò)溫升、損耗、容量、空負(fù)載特性等性能測(cè)試。如果線圈導(dǎo)線是銅線時(shí)，電流密度一般為2.7～3.5安培/平方毫米。如果線圈導(dǎo)線是鋁線時(shí)，電流密度一般為1.5～2.0安培/平方毫米，兩者數(shù)值不存在重疊。因此可以依據(jù)本結(jié)論，通過(guò)測(cè)量及計(jì)算變壓繞組導(dǎo)線的電流密度即可評(píng)估變壓器的材質(zhì)是鋁還是銅。

依據(jù)電流密度的定義：

J=I/S

式中J為電流密度，I為額定電流，S為導(dǎo)體截面積。因此只要通過(guò)一定的測(cè)量方法或得變壓器的額定電流和繞線導(dǎo)體的截面積，即可通過(guò)上式計(jì)算出電流密度，從而判斷出變壓器繞組的材質(zhì)。

按定義額定電流I可以通過(guò)下面公式得出：

當(dāng)變壓器高壓繞組為Y型時(shí)，

I=Sn/Un

當(dāng)變壓器高壓繞組為Δ型時(shí)，

I=Sn/（Un√3）

式中，Sn為變壓器的額定容量，Un為變壓器額定電壓。式中，Un為變壓器額定電壓，為已知參數(shù)，Sn為變壓器的額定容量，所以只要測(cè)得變壓器實(shí)際額定容量即可得出額定電流。

變壓器實(shí)際容量判斷主要依據(jù)是變壓器的短路試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，并按要求校正到額定條件時(shí)的短路損耗數(shù)值，再查表得到被試變壓器的實(shí)際容量。通過(guò)直阻儀測(cè)得變壓器高低壓側(cè)的直流電阻Rt。利用直流電阻值可計(jì)算出變壓器的直流電阻損耗，即短路損耗Pr。公式如下：

Pr=∑I2Rt

式中I是繞組的額定電流，單位為A;Rt為直流電阻，計(jì)算不同額定電流下短路損耗Pr占對(duì)相應(yīng)負(fù)載損耗標(biāo)準(zhǔn)值的百分比，最接近95%以上的對(duì)應(yīng)的額定容量即是配電變壓器的額定容量SN。

由于測(cè)試結(jié)果是非額定電流的校正，同時(shí)國(guó)標(biāo)要求變壓器的短路損耗應(yīng)在環(huán)境溫度為“溫標(biāo)”設(shè)定值時(shí)進(jìn)行，所以額定條件的數(shù)據(jù)都是在“溫標(biāo)”時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，為了準(zhǔn)確判斷容量，必須將測(cè)試結(jié)果校正，校正公式為：

P=K×Pk

式中，Pk為“溫標(biāo)”下的短路損耗; K代表電阻溫度系數(shù)，其算法為K=（T+溫標(biāo)）/（T+t），式中t為測(cè)試時(shí)實(shí)際溫度，T是溫度換算系數(shù)，當(dāng)繞組是銅導(dǎo)體時(shí)T=235，是鋁導(dǎo)體時(shí)T=225。

當(dāng)一臺(tái)變壓器成品后，可以直接通過(guò)游標(biāo)卡尺量得變壓器線包的外部尺寸，得到整個(gè)線包的總截面積。那么導(dǎo)體的截面積計(jì)算公式為：

S=（總截面積-絕緣層截面積-纏繞材料截面積導(dǎo)體截面積）/匝數(shù)。

在變壓器制造行業(yè)中，不會(huì)隨意加厚絕緣層厚度，因?yàn)榻^緣層加厚不僅增大變壓器的體積，也會(huì)導(dǎo)致散熱不良、應(yīng)力增大、材料成本增加，因此，變壓器的絕緣層截面積+纏繞材料截面積是按最小可用范圍來(lái)設(shè)計(jì)的。考慮到絕緣層截面積+纏繞材料截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)體總截面積，因此可以按國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)收集各變壓器生產(chǎn)廠家各型號(hào)變壓器的絕緣層數(shù)據(jù)，計(jì)算出各容量等級(jí)變壓器的絕緣層厚度，建立數(shù)據(jù)庫(kù)代入上式即可。

對(duì)于變壓器繞組匝數(shù)，通過(guò)采用特制的一個(gè)測(cè)量繞組，設(shè)計(jì)匝數(shù)為N3，將此線圈套在與變壓器同心的鐵芯上，并在低壓繞組施加低壓交流激勵(lì)信號(hào)，基于電壓法分別測(cè)量變壓器高、低壓繞組以及增加的已知匝比的測(cè)量繞組上的輸出電壓U1、U2、U3;代入公式U1/U2/U3=N1/N2/N3中，求得N1和N2，N1和N2分別為高低壓繞組的匝數(shù)。

綜上所述，計(jì)算電流密度J的未知量均已得知，若計(jì)算出電流密度J在2.7～3.5安培/平方毫米之間，則判定線圈由銅導(dǎo)線繞制，若J在1.5～2.0安培/平方毫米之間，則判定線圈由鋁導(dǎo)線繞制，否則，判定線圈由非銅、非鋁導(dǎo)線繞制，該方法無(wú)需破壞變壓器本體，判定原理易于實(shí)現(xiàn)，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單易用，依據(jù)此方法可設(shè)計(jì)出新穎、便捷、具有經(jīng)濟(jì)性、可靠性高的變壓器材質(zhì)分析測(cè)試設(shè)備，非常適合應(yīng)用到高壓電力檢測(cè)儀器儀表中，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。