， ， ，，

(1.國家智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,東莞 523325;2.國際銅業(yè)協(xié)會, 北京 100045;3.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院, 廣州 510006)

隨著中國電力行業(yè)的快速發(fā)展，銅和鋁作為重要的電工材料，市場需求越來越大。由于鋁材具有絕對的價(jià)格優(yōu)勢，故以鋁代替銅的問題日益成為電力工業(yè)乃至國家層面普遍關(guān)心的話題[1]。但鋁的電阻率比銅大，熔點(diǎn)比銅低，抗延展性較差，抗氧化性能比銅差[2]。因此，目前在電力行業(yè)主要還是采用銅材為主，但在電力變壓器制造領(lǐng)域，出現(xiàn)了銅包鋁線材產(chǎn)品或直接將鋁線用于變壓器繞組來代替純銅線，且在銘牌型號中無任何鋁材標(biāo)識的現(xiàn)象。目前，國內(nèi)外還沒有一種現(xiàn)成的技術(shù)或儀器設(shè)備能迅速準(zhǔn)確判定或鑒定出變壓器繞組為銅或鋁或銅包鋁材料。國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家缺乏誠信，為獲取暴利，以鋁代銅，且不在銘牌中聲明或明示，給電網(wǎng)公司或用戶造成了選型誤導(dǎo)和場合誤用，也給電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來了威脅和隱患。目前對于電網(wǎng)公司，鑒別銅鋁繞組材料的準(zhǔn)確方法是通過電鋸刀進(jìn)行繞組切割來進(jìn)行判定。此方法原始粗暴，對產(chǎn)品破壞性極大，而且對一些在線運(yùn)行的配電變壓器，難以實(shí)施。因此，亟待希望能有一種設(shè)備或技術(shù)在不破壞產(chǎn)品的前提下，迅速判定或鑒定配電變壓器繞組材料。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國外普遍認(rèn)為鋁繞組變壓器可以取代銅繞組變壓器[3]，且國外誠信體制較完善，即使生產(chǎn)者使用鋁繞組變壓器，也會在產(chǎn)品銘牌中聲明或明示，所以國外對于此方面研究甚少。國內(nèi)近幾年一些科研單位或大學(xué)如國際(中國)銅業(yè)協(xié)會，云南電科院、重慶電科院和重慶大學(xué)等進(jìn)行了一些相關(guān)研究，文獻(xiàn)[4]與[5]中提到了在10 kV配電變壓器常規(guī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對比銅鋁導(dǎo)線的性能差異，分析了銅鋁繞組配電變壓器電氣性能、結(jié)構(gòu)尺寸、價(jià)格比例的差異，探討了可作為配電變壓器繞組材料鑒別的可能因素。文獻(xiàn)[6]中描述了鋁導(dǎo)線油浸式變壓器的質(zhì)量、尺寸特征，介紹了其油箱容積、器身密度等的計(jì)算方法以及鋁導(dǎo)線油浸式變壓器的判斷步驟。文獻(xiàn)[7]中提出了一種基于熱電效應(yīng)的變壓器內(nèi)部繞組材料的無損鑒別方法，其基本原理是利用銅和鋁的Seebeck 系數(shù)差異，通過理論推導(dǎo)得到了變壓器繞組回路熱電勢值與繞組材料的關(guān)系，并建立試驗(yàn)平臺進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。文獻(xiàn)[8]與[9]提出了一種基于改進(jìn)自然降溫法的變壓器內(nèi)部繞組材料的無損檢測方法，該方法通過對變壓器進(jìn)行升溫和自然降溫計(jì)算電阻溫度系數(shù)，并基于此實(shí)現(xiàn)繞組材料檢測。文獻(xiàn)[10]提出了基于X射線的鑒別方法，探討了均勻遮蔽物中不同繞組材料的X射線衰減規(guī)律。文獻(xiàn)[11]與[12]介紹了電渦流法通過線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因素等參數(shù)來鑒別金屬材料的方法。文獻(xiàn)[13]通過測量繞組參數(shù)與收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了配電變壓器繞組參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，并將試驗(yàn)配電變壓器繞組參數(shù)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，得到繞組參數(shù)分布的概率密度曲線，再根據(jù)繞組參數(shù)的影響因子，建立分析模型以綜合判定變壓器繞組的材料。以上各文獻(xiàn)從理論上驗(yàn)證了電力變壓器銅鋁繞組無損鑒別的可能性，但實(shí)際的設(shè)備或算法有待進(jìn)一步驗(yàn)證和應(yīng)用。

2 方法探索和驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法

由于銅鋁的性能差異較大，銅材在電性能、熱性能等方面優(yōu)于鋁材，為了滿足性能要求，選擇不同的繞組材料，必將導(dǎo)致變壓器的質(zhì)量、體積、結(jié)構(gòu)和性能存在差異。

根據(jù)材料學(xué)理論可知，鋁導(dǎo)線75 ℃時(shí)的電阻系數(shù)為0.035 7 Ω·mm2·m-1，比銅導(dǎo)線75 ℃時(shí)的電阻系數(shù)(0.021 35 Ω·mm2·m-1)高很多。為了使變壓器的負(fù)載損耗符合要求，需增大鋁導(dǎo)線截面積，但這樣會增大鐵心尺寸，使空載損耗不符合要求。為了使空載損耗、負(fù)載損耗均符合要求，必須重新調(diào)整線圈匝數(shù)、鋁導(dǎo)線截面積，所以鋁導(dǎo)線變壓器的體積較大。但是，鋁的密度僅為2 700 kg·m-3，而銅的密度為8 900 kg·m-3，因此其總質(zhì)量、器身質(zhì)量增加不明顯。

表1對比了某變壓器廠生產(chǎn)的由銅、鋁導(dǎo)線油浸式配變的結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量，可以看出：在配變?nèi)萘考靶阅芤欢ǖ臈l件下，繞組改為鋁導(dǎo)線后將導(dǎo)致油配變器身體積和油箱容積大幅增大，全鋁導(dǎo)線配變器身體積的增幅可達(dá)55%，油箱容積增幅可達(dá)35%，器身密度下降30%。同時(shí)可以看到，正常設(shè)計(jì)的鋁導(dǎo)線配變整體質(zhì)量不一定比銅導(dǎo)線配變輕，因?yàn)殍F芯尺寸及器身體積的變化，其他材料用量的增加使得鋁導(dǎo)線配變器身質(zhì)量及總質(zhì)量都略有增加。

表1 同一廠家生產(chǎn)的銅、鋁導(dǎo)線油浸式配變的質(zhì)量及體積對比

為了使試驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，隨機(jī)抽取國家智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的歷年測試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了不同生產(chǎn)廠家銅、鋁導(dǎo)線配變(包括油浸式和干式配電變壓器)的質(zhì)量及體積對比，圖1為對同一廠家不同容量的干式變壓器的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,表2為采用A廠家鋁繞組油變分別和B，C，D廠家銅繞組油變進(jìn)行對比的結(jié)果。

圖1 同一生產(chǎn)廠家的銅鋁繞組干式變壓器的質(zhì)量和體積對比

表2 不同生產(chǎn)廠家的銅、鋁導(dǎo)線油浸式配變的質(zhì)量和體積對比

由圖1可看出，同一廠家的干變鋁繞組的質(zhì)量和體積比銅繞組的大；由表2可看出，同型號規(guī)格條件下，A廠家的鋁繞組油變質(zhì)量和體積均小于B廠家的。根據(jù)以上結(jié)果分析，對于同一生產(chǎn)廠家的銅、鋁繞組變壓器，采用相同生產(chǎn)工藝，在保證足夠容量和滿足標(biāo)準(zhǔn)性能的前提下，一般鋁繞組變壓器的體積和質(zhì)量都比銅繞組變壓器的略大。但對于不同生產(chǎn)廠家的銅、鋁繞組變壓器，由于生產(chǎn)工藝的不同以及性能指標(biāo)的差異，其體積和質(zhì)量并無絕對的規(guī)律和趨勢。

2.2 熱電效應(yīng)原理法

向兩種不同材料的導(dǎo)體組合成的閉合回路通入電流，直到閉合端與另一端產(chǎn)生溫度差時(shí)，兩端之間會產(chǎn)生一個(gè)電動勢，其也稱為寄生熱電勢，而同一導(dǎo)體材料組合成的閉合回路幾乎不會產(chǎn)生寄生熱電勢。

圖2為熱電效應(yīng)試驗(yàn)原理示意，根據(jù)圖2進(jìn)行試驗(yàn)，給變壓器導(dǎo)電桿外加電源通入電流對三相繞組進(jìn)行不對稱加熱，使得其中一相繞組與其他兩相繞組間產(chǎn)生溫差；再斷開電流，采集存在溫差的A和B兩相間的直流電壓，若未采集到直流電壓表明沒有產(chǎn)生寄生熱電勢，則判定變壓器繞組材料為銅，若采集到直流電壓表明產(chǎn)生了寄生熱電勢，且斷開電流后采集的直流電壓逐漸消失，則判定繞組材料為鋁(或其他非銅材料)。圖3為試驗(yàn)現(xiàn)場銅繞組與鋁繞組的熱成像儀檢測結(jié)果。

圖2 熱電效應(yīng)試驗(yàn)原理示意

圖3 銅繞組與鋁繞組熱成像儀檢測結(jié)果

試驗(yàn)過程中，在給低壓側(cè)加熱后，由于試驗(yàn)電流偏小，電動勢變化太快，所以選取從高壓側(cè)加熱，根據(jù)上面的步驟給高壓側(cè)通入10 A的電流6 min后記錄電動勢數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪成趨勢圖，如圖4所示 ，從實(shí)測圖中紅色圈內(nèi)，可看出鋁繞組電動勢在衰減過程中的變化比銅繞組電動勢的變化反而更快些，與實(shí)際理論不太吻合。所以，此方法有待進(jìn)一步確認(rèn)和研究。

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圖4 加熱6 min后銅繞組與鋁繞組的電動勢變化趨勢

2.3 數(shù)字渦流金屬電阻率法

根據(jù)電磁感應(yīng)定律原理，導(dǎo)體切割磁力線運(yùn)動或者靠近變化著的磁場(源磁場)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場又會反作用于源磁場(見圖5)，這種反作用的大小與導(dǎo)體本身的導(dǎo)電率有關(guān)。

圖5 探頭信號檢測原理示意

圖6 探頭信號的檢測流程

基于這一原理,此方法采用渦流導(dǎo)電儀來檢測導(dǎo)電材料的導(dǎo)電率，探頭檢測的簡化流程如圖6所示，探頭檢測到的信號經(jīng)處理器處理后發(fā)送至顯示器，顯示器上顯示出被測金屬的導(dǎo)電率，通過導(dǎo)電率來辨別變壓器線圈繞組的金屬材料。

對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)后，在現(xiàn)場對變壓器進(jìn)行測試，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該設(shè)備儀器探頭必須直接接觸被測金屬表面時(shí)才可以檢測電導(dǎo)率，而對非接觸性質(zhì)材料則無法測量，因此該設(shè)備無法辨別變壓器繞組材料。

2.4 金屬探測法

該方法采用地下金屬探測儀進(jìn)行測試。探測儀內(nèi)帶有線圈，在工作時(shí)會產(chǎn)生周期性變化的磁場，變化的磁場即產(chǎn)生渦流電場，電場產(chǎn)生電磁波(也稱一次場)，電磁波在傳播過程中接觸到金屬時(shí),金屬內(nèi)部會產(chǎn)生渦電流，即產(chǎn)生二次場，一次場和二次場相互作用后使線圈的電壓和阻抗發(fā)生變化，從而改變原線圈電壓的振幅、方向和相位。金屬探測儀利用相位調(diào)節(jié)器測出相移量，再將實(shí)測數(shù)據(jù)與某種類的金屬相移值進(jìn)行比較，最后測得的值經(jīng)內(nèi)部CPU處理，通過聲音或顯示器告知探測者目標(biāo)金屬的類型，從而判定出金屬的種類。金屬探測法具備不需要與金屬表面接觸的特點(diǎn)，跟2.3節(jié)中提及的方法有相似之處，都以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，但在工作原理上存在差別。

試驗(yàn)分別針對銅繞組的干式變壓器和鋁繞組的油浸式變壓器進(jìn)行，測試結(jié)果如圖7所示，從圖中讀數(shù)可看出金屬探測儀未能確定金屬種類，主要是變壓器表面鐵心和鐵軛等金屬部件對測試的影響很大，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)結(jié)果不理想，所以此方法需要進(jìn)一步研究或改進(jìn)。

圖7 金屬探測法的測試結(jié)果

2.5 頻率響應(yīng)法

該方法通過一套頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)在變壓器一次側(cè)輸入一個(gè)高頻振蕩信號，在二次側(cè)通過測量導(dǎo)納函數(shù)、開路電壓傳遞函數(shù)信號，來比較和發(fā)現(xiàn)銅和鋁繞組變壓器的規(guī)律。在某一變壓器工廠測試兩臺生產(chǎn)工藝相同，分別用銅和鋁繞制的不同材料變壓器進(jìn)行頻率響應(yīng)測試，其中銅繞制的干變用“506”表示，鋁繞制的干變用“496”表示，圖8為試驗(yàn)實(shí)測波形。

圖8 頻率響應(yīng)法的試驗(yàn)測試波形

高壓側(cè)和低壓側(cè)三相繞組頻率響應(yīng)50 Hz數(shù)據(jù)如表3所示。

為了讓試驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，針對不同廠家的三臺干式變壓器高壓側(cè)A、B、C三相繞組的頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行對比，變壓器型號、材料和對應(yīng)的通道如表4所示，頻率響應(yīng)曲線的對比如圖9所示，其中曲線第一個(gè)波谷處的圖形是放大顯示的。

表3 高低壓側(cè)三相繞組頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)

表4 樣品參數(shù)和試驗(yàn)對應(yīng)的顯示通道

圖9 三臺干式變壓器高壓側(cè)繞組的頻率響應(yīng)曲線合成圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，第一波谷處，雖然②號變壓器的A相頻響曲線(CH22通道曲線，圖中第一波谷最靠左側(cè))與B,C兩相有偏離，但是第一波谷過后,②號變壓器的頻響曲線整體靠下部，①號變壓器次之，③號變壓器最靠上部。已知③號變壓器高壓側(cè)為“鋁”，而容量為2 000 kVA。而①,②號變壓器規(guī)格相同，容量也同是1 000 kVA。

對比①,②號變壓器的頻率響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)與在2.2節(jié)中提及的“銅”“鋁”兩變壓器對比規(guī)律相同，極其相似。如果同一工廠中測試的銅鋁規(guī)律成立，那么對①號變壓器(型號SCB12-1000/10,出廠序號15095003)是否為“銅”有待進(jìn)一步確認(rèn)。

另外,高壓側(cè)繞組頻率響應(yīng)50 Hz數(shù)據(jù)的對比如表5所示。

2.6 銅鋁系數(shù)法

銅和鋁的材料校正系數(shù)分別為235和225，根據(jù)GB 1094.2-2013 《電力變壓器 第2部分 液浸式變壓器的溫升》 第7.6節(jié)中的繞組平均溫度計(jì)算公式可反推銅和鋁的材料校正系數(shù)。

表5 高壓側(cè)繞組頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中繞組平均溫度計(jì)算公式,假設(shè)材料校正系數(shù)為X，則根據(jù)式(1)和(2)可以反推

(1)

式中：θ1為冷態(tài)環(huán)境溫度；θ2為熱態(tài)環(huán)境溫度；R1為冷態(tài)電阻值；R2為熱態(tài)電阻值。

試驗(yàn)方法具體為：試品不勵(lì)磁，且靜置8 h以上，確保環(huán)境溫度與試品繞組溫度完全等同時(shí)，準(zhǔn)確測試?yán)鋺B(tài)電阻值和冷態(tài)環(huán)境溫度；將環(huán)境加熱箱加溫到一定溫度且恒定保持約3 h后，將試品置入環(huán)境加熱箱中，并分別在試品繞組、鐵芯和試品周邊區(qū)域(環(huán)境加熱箱內(nèi))布置熱電偶，采集準(zhǔn)確溫度，經(jīng)過一定時(shí)間后，確保試品繞組及鐵芯溫度和環(huán)境加熱箱內(nèi)試品周邊環(huán)境溫度相等或相差±0.1 ℃時(shí)，開始測試試品繞組電阻值。

為了避免試驗(yàn)隨機(jī)性并保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用了4臺試品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，將環(huán)境加熱箱加溫到60 ℃，并確保樣品與室內(nèi)環(huán)境溫度相等或相差±0.1 ℃時(shí)，進(jìn)行熱態(tài)電阻測試,試驗(yàn)時(shí)長為28 h，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6結(jié)果和以上的分析可以看出：通過試驗(yàn)所推算出來的材料校正系數(shù)與實(shí)際材料參數(shù)并不完全吻合，型號為SCLB10-30/10的鋁繞組變壓器材料校正系數(shù)應(yīng)該為225，但實(shí)際推測的結(jié)果為211.5和212.1;其他銅繞組變壓器材料校正系數(shù)應(yīng)該為235，但實(shí)際推測的結(jié)果為215.5～229.2。而且在推算中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的準(zhǔn)確測量對結(jié)果的影響很大，在測量鋁繞組變壓器時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱態(tài)環(huán)境溫度變化0.1 ℃時(shí)，材料校正系數(shù)的結(jié)果將變化0.6，而當(dāng)冷態(tài)環(huán)境溫度變化0.1 ℃時(shí)，材料校正系數(shù)的結(jié)果將變化0.7，可見，此方法對測量的不準(zhǔn)確性非常高。此次試驗(yàn)是在嚴(yán)格按照試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的要求下進(jìn)行的，但測試的結(jié)果還是不太理想。

表6 銅鋁系數(shù)法試驗(yàn)實(shí)測值

2.7 合金分析法

合金分析法是一種XRF光譜分析技術(shù)，該技術(shù)是基于一種X射線得以實(shí)現(xiàn)的。X射線的本質(zhì)是電磁輻射波，是一種不可見光，卻跟可見光一樣具有波長和能量。X射線轟擊在金屬合金上并對其發(fā)生作用，改變材料原子內(nèi)部的電子穩(wěn)定性，迫使電子發(fā)射出去形成X射線熒光，根據(jù)X射線熒光的能量或者波長即可對應(yīng)出相應(yīng)的元素，鑒別合金材料的成分。X射線穿透力強(qiáng)，能夠穿透一些如木料等可見光穿透不了的物質(zhì)，而變壓器繞組外面帶有木質(zhì)絕緣材料，因此從理論上來講相比較2.3節(jié)中的方法，該方法具有更高的可行性。

圖10 Delta合金分析儀外觀

合金分析儀設(shè)備XRF光譜分析技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用之一，是能夠檢測出合金內(nèi)部元素以及元素在合金中的含量，Delta合金分析儀的外觀如圖10所示。采用該設(shè)備對某鋁合金進(jìn)行嘗試性檢測，檢測結(jié)果如圖11所示，從圖中可以清晰看到檢測后的合金材料主要是鋁元素，其含量最高，其余如鐵、銅元素等含量較少。但是與設(shè)備供應(yīng)商溝通后了解到，市場上的合金分析儀設(shè)備必須直接接觸被測物表面才能進(jìn)行測量，如想要穿透變壓器繞組的絕緣材料,必須加大射線劑量，但國家標(biāo)準(zhǔn)對射線劑量有嚴(yán)格明確的規(guī)定，不能危及人體安全。所以，此方法在實(shí)際應(yīng)用中不可行。

圖11 某鋁合金的檢測數(shù)據(jù)

3 方法比較

經(jīng)過以上的試驗(yàn)，各銅鋁繞組材料鑒別方法的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性總結(jié)如表7所示。

表7 銅鋁繞組材料鑒別方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較及可行性

4 結(jié)論

針對配電變壓器銅鋁繞組鑒別，基于相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)行了多種方法的實(shí)施對比，發(fā)現(xiàn)諸多理論上可行的方法在實(shí)際操作中存在準(zhǔn)確性不高、檢測周期性長、試驗(yàn)環(huán)境不穩(wěn)定等問題。其中，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法、頻率響應(yīng)法、銅鋁系數(shù)法、數(shù)字渦流金屬電阻率法、合金分析法、金屬探測法、鉆孔取料解剖法等均不可行，而熱電偶原理法有待進(jìn)一步研究和確認(rèn)。