基于Seebeck效應(yīng)的配電變壓器繞組材質(zhì)鑒別裝置的設(shè)計(jì)

王恒 鄭偉 安楠 李浪 李陽(yáng) 付生磊 韓楚龍

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于Seebeck效應(yīng)的配電變壓器繞組材質(zhì)鑒別裝置，主要實(shí)現(xiàn)在不對(duì)配電變壓器采取拆卸外殼的情況下測(cè)量分析，從而確定配電變壓器繞組材質(zhì)為銅、鋁或“銅包鋁”的目的。

關(guān)鍵詞：配電變壓器;繞組材質(zhì);Seebeck效應(yīng);熱電動(dòng)勢(shì);

Abstract：A kind of distribution transformer winding material identification device based on Seebeck effect is designed， which can determine the distribution transformer winding material to be copper， aluminum or "copper clad aluminum" by measuring and analyzing without disassembly of the distribution transformer.

Key words：Distribution Transformer;Winding material;Seebeck effect;Thermoelectric EMF;

引言

配電電力變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，是用來(lái)將某一數(shù)值的交流電壓變成頻率相同的另一種或幾種數(shù)值不同的電壓的設(shè)備。當(dāng)一次繞組通以交流電時(shí)，就產(chǎn)生交變的磁通，交變的磁通通過(guò)鐵芯導(dǎo)磁作用，就在二次繞組中感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)。變壓器繞組是變壓器的重要部件，變壓器工作在高電壓大電流的環(huán)境下，繞組會(huì)承受巨大的壓力，這就需要繞組具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性能、短時(shí)過(guò)載以及抗短路能力。繞組材料一般有銅與鋁。與銅芯相比，鋁芯有抗氧化耐腐蝕、重量輕以及價(jià)格便宜的特點(diǎn)，但在國(guó)家日益強(qiáng)調(diào)節(jié)能、環(huán)保的環(huán)境下，銅芯具有能耗低、電阻率低、電壓損失低以及發(fā)熱低的優(yōu)點(diǎn)更加符合電網(wǎng)的要求。

為了避免出現(xiàn)鋁芯變壓器流入電網(wǎng)，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)危害，就需要對(duì)變壓器的繞組材質(zhì)進(jìn)行鑒別。除吊罩解體、破壞繞組絕緣進(jìn)行檢測(cè)外，還可以通過(guò)X射線法、溫度系數(shù)法、參數(shù)對(duì)比法等。但由于設(shè)備限制以及對(duì)比參數(shù)復(fù)雜度高等問(wèn)題，這些方法實(shí)際操作起來(lái)人力、時(shí)間成本過(guò)大。

本論文設(shè)計(jì)一種基于 Seebeck 效應(yīng)的配電變壓器繞組材質(zhì)鑒別裝置。可以在不破壞變壓器外殼的情況下以極低的操作成本完成對(duì)變壓器繞組材質(zhì)的鑒別。

1 Seebeck效應(yīng)原理分析

Seebeck效應(yīng)又稱作第一熱電效應(yīng)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。

變壓器某一項(xiàng)繞組可簡(jiǎn)化成圖1所示，如下圖。

其中V1-T1為變壓器進(jìn)線端銅排，V0-T0為變壓器出線端銅排。變壓器銅排部分材料一般為紫銅，且裸露在外可以直接辨別。T1、T0為變壓器繞組與銅排連接點(diǎn)。由簡(jiǎn)化圖可以看出繞組與銅排部分構(gòu)成了簡(jiǎn)單的兩種不同電導(dǎo)體線路。當(dāng)對(duì)V1點(diǎn)進(jìn)行加熱，因?yàn)殂~排相對(duì)繞組長(zhǎng)度較短，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間加熱，T1節(jié)點(diǎn)溫度會(huì)升高。熱量通過(guò)繞組以后，由于繞組體積較大且變壓器外殼也會(huì)進(jìn)行散熱，熱量不足以令T0點(diǎn)溫度上升，T0節(jié)點(diǎn)溫度等同于V0且與當(dāng)時(shí)所處環(huán)境溫度一致。此時(shí)便達(dá)成了Seebeck效應(yīng)所需要的兩種不同電導(dǎo)體且具有溫度差的條件，V1與V0便會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電勢(shì)差V10 ，且V10 的具體大小將會(huì)由繞組材質(zhì)與銅排材質(zhì)的具體Seebeck系數(shù)差值以及溫度差決定。常溫下，銅、鋁的 Seebeck 系數(shù)理論值分別為 3.1387μV/K和1.8779μV/K。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，溫差在70-80℃時(shí)，銅鋁材質(zhì)的回路熱電勢(shì)已有明顯差異。

2 繞組材質(zhì)鑒別裝置具體設(shè)計(jì)

結(jié)合裝置設(shè)計(jì)需要，整理所得裝置各部分模塊需求如圖2。

該裝置基于Seebeck效應(yīng)設(shè)計(jì)，變壓器本身已經(jīng)具有導(dǎo)體基礎(chǔ)，這里采用加熱圈直接貼附銅排螺柱對(duì)變壓器銅排進(jìn)行加熱。加熱溫度必須可控，以便控制導(dǎo)體兩端溫度差保持在一個(gè)合理范圍內(nèi)便于采集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此這里采用溫度控制模塊來(lái)控制加熱圈的實(shí)時(shí)加熱功率，確保準(zhǔn)確控制電導(dǎo)體溫度差。在可控的溫度差范圍內(nèi)，所產(chǎn)生的熱電勢(shì)值較小，對(duì)采集到的熱電勢(shì)值分別采用電感、電阻、電容構(gòu)成無(wú)源濾波電路及運(yùn)算放大器構(gòu)成的二階有源濾波電路對(duì)干擾進(jìn)行削弱和濾除，保證熱電勢(shì)信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性，再由精密儀用差分放大器及運(yùn)算放大器構(gòu)成有源放大電路對(duì)μV級(jí)電勢(shì)差進(jìn)行放大，溫度漂移及非線性度低，各級(jí)電路偏移均可調(diào)。變壓器進(jìn)線端以及出線端溫度需要可視化，因此需要有兩個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度。

綜上所有的控制及數(shù)據(jù)的采集最終由中央控制單片機(jī)進(jìn)行分析判斷，將測(cè)量的具體數(shù)值結(jié)果通過(guò)顯示屏幕直觀顯示，方便使用人員直接得出結(jié)論。

3 裝置測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)論文所述方法，研制出基于Seebeck效應(yīng)的配電變壓器繞組材質(zhì)鑒別裝置。選取數(shù)臺(tái)使用率最高的50kVA和100kVA兩種容量的變壓器，其中混有鋁制繞組以及銅制繞組的變壓器。在不確定繞組材質(zhì)的情況下，使用所研制裝置分別對(duì)其進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。所得結(jié)果如下表1所示。

對(duì)所得測(cè)試結(jié)果表格進(jìn)行制圖處理，以方便直觀顯示數(shù)據(jù)特點(diǎn)。所得裝置測(cè)量結(jié)果對(duì)比折線圖，如圖3。

從圖三中，可以看出，變壓器100A、100B、100C、100D、50C、50D折線圖基本重合，由裝置理論基礎(chǔ)可判斷，其繞組材質(zhì)相同。變壓器50A和50B折線圖基本重合，可判斷其繞組材質(zhì)相同。經(jīng)后期確認(rèn)后，50A、50B繞組材質(zhì)為鋁制，其余變壓器均為銅質(zhì)。由圖三知，鋁制繞組變壓器測(cè)量值明顯大于銅質(zhì)繞組變壓器。其中50B測(cè)量值在溫度較低部分折線與銅質(zhì)變壓器折線有重合部分，這是由于加熱端與冷端溫差過(guò)低造成。理論推斷，銅質(zhì)繞組變壓器所得熱電勢(shì)測(cè)量值不應(yīng)發(fā)生變化或基本不變，而圖三中，測(cè)量值仍有較大變化。這是由于變壓器裸露銅排螺柱有金屬鍍層的緣故，另外由于銅質(zhì)純度的不同也會(huì)造成測(cè)量值產(chǎn)生誤差。這種誤差在溫差較大的情況下可以忽略。

裝置的實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明，該裝置測(cè)試結(jié)果可靠，且銅質(zhì)與鋁制所得測(cè)量結(jié)果在溫差足夠的情況下差異明顯，可有效避免誤判。

3 結(jié)語(yǔ)

本論文研制一套基于Seebeck 效應(yīng)的便攜式變壓器繞組材質(zhì)鑒別裝置，裝置操作簡(jiǎn)單，在不破壞變壓器原本結(jié)構(gòu)的情況下，以最小的人力、時(shí)間成本鑒別變壓器繞組材質(zhì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)際變壓器測(cè)量結(jié)果顯示，本裝置可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷變壓器繞組材質(zhì)。該裝置的研制，避免了“以鋁代銅”的變壓器流入電力系統(tǒng)，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，減少了供電公司的經(jīng)濟(jì)損失，為工業(yè)和居民用電提供保障。