一種用于配電變壓器繞組材質(zhì)診斷的新方法

何良，劉隆晨，毛強

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川成都610072)

一種用于配電變壓器繞組材質(zhì)診斷的新方法

何良，劉隆晨，毛強

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川成都610072)

為了診斷配電變壓器繞組材質(zhì)，基于變壓器繞組體積、質(zhì)量、容量、直流電阻及其溫升曲線等繞組參數(shù)提出了一種用于判定變壓器繞組材質(zhì)的新方法。此方法通過繞組參數(shù)測量與實驗數(shù)據(jù)收集，建立配電變壓器繞組參數(shù)標準數(shù)據(jù)庫，并將實驗配電變壓器繞組參數(shù)數(shù)值與標準數(shù)據(jù)庫進行比對，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，建立分析模型綜合判定變壓器繞組的材質(zhì)。測試了S9－200與S11－400兩類典型的配電變壓器，通過上述方法診斷發(fā)現(xiàn)變壓器繞組材質(zhì)均為銅，這與繞組的金屬化學成分分析結(jié)果一致，故該方法能夠準確診斷出配電變壓器的繞組材質(zhì)。

繞組材質(zhì);直流電阻;電阻溫升曲線;概率密度函數(shù)

0 引言

目前，國內(nèi)外對變壓器繞組材質(zhì)檢測已開展了研究，并取得了一定進展。最直接的方法是對繞組進行破壞取樣，再進行金屬化學成分分析，但這種破壞性檢驗的人力及時間成本巨大，還給電網(wǎng)運維人員帶來了極大不便。部分研究人員利用直流電源對變壓器繞組通電，得到繞組的電阻時間曲線，再與其標準曲線對比，但其忽略了溫升對繞組電阻的影響，效果不佳。此外還可利用X射線探傷機和工業(yè)射線膠片對配電變壓器繞組拍照，將被測變壓器繞組材料的X射線衰減系數(shù)與透照厚度曲線同銅、鋁的標準曲線進行比對［2］。由于這種方法會產(chǎn)生輻射，對人體健康威脅很大，且價格昂貴，現(xiàn)場使用不便。

因此，在不拆解變壓器、不破壞繞組的前提下，掌握一種能便捷有效地檢測配電變壓器繞組材質(zhì)的技術(shù)方法具有重要的工程實用價值。由于銅和鋁物理性質(zhì)的差異性，繞組材質(zhì)的改變將會影響變壓器的體積質(zhì)量、容量、直流電阻及其溫升曲線等參數(shù)?；谏鲜隼@組參數(shù)提出了一種用于判定變壓器繞組材質(zhì)的新方法，可準確有效地診斷出變壓器繞組的材質(zhì)。

1 繞組材質(zhì)診斷依據(jù)

電阻率是描述導體導電特性的物理量，與導體長度、橫截面積等因素無關(guān)，僅與溫度有關(guān)。電阻溫度系數(shù)是指當溫度變化時電阻值的相對變化，不同材料的電阻溫度系數(shù)不同。實際中，通常采用平均電阻溫度系數(shù)的概念，如公式(1)所示。銅或鋁的電阻率和電阻溫度系數(shù)如表1所示。

式中，R1、R2分別表示溫度為T1、T2時的導體電阻值。

表1 銅和鋁的電阻率和電阻溫度系數(shù)

由于銅和鋁熱學、電學性能存在差異，若同型號配電變壓器繞組采用不同的材質(zhì)，將導致繞組參數(shù)(直流電阻、容量、體積、質(zhì)量、電阻溫升曲線等)存在明顯不同。

對于固定型號與容量的配電變壓器，由于國標嚴格規(guī)定了其設計與制造流程，故繞組直流電阻值存在固定范圍。若繞組材質(zhì)發(fā)生改變，其直流電阻值也會發(fā)生變化，即直流電阻與繞組材質(zhì)直接相關(guān)。其次，改變繞組材質(zhì)后，變壓器的通流能力、容量也會發(fā)生變化。再次，當繞組材質(zhì)改變時，若要保證變壓器電阻、損耗等變化不大，必須改變繞組導線的截面積或者長度(匝數(shù))，這會導致變壓器體積發(fā)生變化。最后，由于不同材料的電阻溫度系數(shù)不同，不同材質(zhì)繞組的電阻溫升曲線也不相同。綜上，繞組直流電阻、容量、體積、質(zhì)量、電阻溫升曲線等參數(shù)與繞組材質(zhì)密切相關(guān)。

在廠家變壓器繞組造假中，通常會出現(xiàn)以下情況:1)為保證鋁繞組變壓器的直阻、損耗與同型號銅繞組變壓器的對應參數(shù)相等，在變比和鐵心相同的情況下，部分廠家或增大鋁導線截面，這會導致變壓器體積增大;或減少線圈匝數(shù)，即減小線圈長度，這將導致變壓器阻抗電壓發(fā)生改變。2)保證變壓器器身及體積基本相同，部分廠家減小鋁線截面，這將導致繞組直流電阻、損耗增大;或者在保證變比一致的情況下，減少線圈匝數(shù)，這將會導致變壓器容量發(fā)生變化。

綜上，不難看出，通過對比變壓器的直流電阻、容量、體積、質(zhì)量、電阻溫升曲線等參數(shù)，可以為診斷繞組材質(zhì)提供依據(jù)。因此，可將直流電阻、容量、輔助參數(shù)(體積、質(zhì)量)、電阻溫升曲線等參數(shù)與標準數(shù)據(jù)庫進行對比，結(jié)合繞組參數(shù)分布的概率密度曲線，再根據(jù)繞組參數(shù)的影響因子，建立概率分析模型綜合判定變壓器繞組的材質(zhì)。用于變壓器繞組材質(zhì)分析的總概率函數(shù)如式(2)所示。

在查閱文獻[21-24]的基礎上，結(jié)合實驗試劑的安全性，選定四種試劑，分別為甲醇、四氫呋喃、正己烷、乙酸乙酯，不同有機溶劑對稻谷中葉黃素提取量的影響結(jié)果見圖2。由圖2可知，不同溶劑對葉黃素的提取量存在顯著差異（P＜0.05）。選取四氫呋喃作有機溶劑時，稻谷中葉黃素的提取量最高，為（1.54±0.03）μg/g，正己烷、乙酸乙酯次之，甲醇最低。因此，選取四氫呋喃作為提取稻谷中葉黃素的有機溶劑。

P=p1F(r)+p2F(s)+p3F(f)+p4F(t－r)(2)式中:F(r)、F(s)、F(f)、F(t－r)分別表示直流電阻、容量、輔助參數(shù)、電阻溫升曲線的概率函數(shù);p1、p2、p3、p4分別表示上述4個概率函數(shù)的權(quán)重，滿足p1、p2、p3、p4∈(0，1)，且p1+p2+p3+p4=1。

2 繞組材質(zhì)診斷試驗方法與結(jié)果分析

2.1 繞組材質(zhì)診斷試驗方法

繞組材質(zhì)診斷試驗流程如圖1所示，先測量變壓器的體積與質(zhì)量，再用高精度直流電阻測試儀測量繞組直流電阻，然后通過測量短路阻抗得到變壓器容量。用短路法對變壓器加熱，待溫度穩(wěn)定后自由冷卻，同步測量溫度和電阻值，得到電阻溫升曲線。最后將試驗結(jié)果與標準數(shù)據(jù)進行對比，綜合判斷變壓器繞組材質(zhì)。

圖1 配電變壓器繞組材質(zhì)診斷試驗流程圖

2.2 繞組材質(zhì)診斷試驗結(jié)果

選取兩臺典型配電變壓器，按照上述試驗方法進行現(xiàn)場測量，其銘牌參數(shù)及部分試驗結(jié)果如表2所示。

表2 配電變壓器銘牌參數(shù)及試驗結(jié)果

本次試驗中兩臺配電變壓器的電阻溫升曲線如圖2所示。由圖2不難看出，電阻和溫度呈近似線性關(guān)系。通過線性擬合，S9－200與S11－400兩臺配電變壓器電阻溫度曲線的擬合函數(shù)分別如式(3)、式(4)所示。

圖2 配電變壓器電阻溫升曲線

2.3 繞組材質(zhì)診斷結(jié)果分析

一般而言，直流電阻不僅與繞組材質(zhì)相關(guān)，還與焊接工藝、觸頭間接觸電阻等相關(guān);變壓器容量與繞組材質(zhì)相關(guān)，同時還受鐵心截面、導線散熱等因素影響;變壓器體積、質(zhì)量亦如此，其與產(chǎn)品設計直接相關(guān)。因此，為研究繞組材質(zhì)對上述參數(shù)的影響，通過大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建立了標準數(shù)據(jù)庫，再將測試結(jié)果與標準數(shù)據(jù)庫進行對比。配電變壓器繞組參數(shù)數(shù)值的典型分布如圖3所示。圖3中，柱狀圖為繞組參數(shù)數(shù)值分布的實驗統(tǒng)計結(jié)果，實線為參數(shù)實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的對數(shù)正態(tài)分布(log－normal)擬合曲線。統(tǒng)計結(jié)果表明，直流電阻、容量、體積、質(zhì)量等參數(shù)數(shù)值分布均近似服從對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)。對數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)如下。

式中:d為參數(shù)數(shù)值;D50為參數(shù)的幾何平均值，即

σg為參數(shù)的幾何標準偏差，即

ni為統(tǒng)計樣本中數(shù)值di的數(shù)目。

圖3 變壓器繞組參數(shù)的典型對數(shù)正態(tài)分布

所涉及的兩種銅繞組配電變壓器統(tǒng)計參數(shù)如表3所示。其中，S9－200與S11－400配電變壓器的電阻溫升曲線擬合函數(shù)分別如式(8)、式(9)所示。

表3 銅繞組配電變壓器統(tǒng)計參數(shù)

如前面所述，在判斷繞組材質(zhì)時，直流電阻、容量、輔助參數(shù)(體積、質(zhì)量)、電阻溫升曲線等參數(shù)所占的權(quán)重存在差異。如圖4所示，通過多次研究發(fā)現(xiàn)，設定電阻溫升曲線權(quán)重為50%，直流電阻權(quán)重為20%，容量權(quán)重為20%，輔助參數(shù)權(quán)重為10%，能有效地診斷繞組材質(zhì)。

圖4 繞組參數(shù)權(quán)重因子設定

基于上述方法，測試了S9－200與S11－400兩臺典型配電變壓器，發(fā)現(xiàn)其繞組材質(zhì)為銅的概率分別為82%和76%。隨后通過金屬化學成分分析，發(fā)現(xiàn)兩臺配電變壓器的繞組材質(zhì)確實為銅，這表明所提方法能準確有效地診斷出配電變壓器的繞組材質(zhì)。

3 結(jié)論

基于變壓器繞組體積、質(zhì)量、容量、直流電阻及其溫升曲線等繞組參數(shù)，將實驗配電變壓器繞組參數(shù)數(shù)值與其標準數(shù)據(jù)庫進行比對，并根據(jù)不同繞組參數(shù)的影響因子，建立分析模型計算了繞組材質(zhì)為銅的概率，判定了變壓器繞組的材質(zhì)。通過實際測試S9－200與S11－400兩類典型的銅繞組配電變壓器，發(fā)現(xiàn)該方法能夠準確診斷出配電變壓器的繞組材質(zhì)。

［1］陳民鈾，李霞，王平，等.配電變壓器短路和開路損耗在線測量系統(tǒng)［J］.電機與控制學報，2012，16(3):36－41.

［

2］張仁奇，李小軍，蔣欣，等.配電變壓器線圈用材的X射線鑒別方法［J］.無損檢測，2015，37(1):49－55.

In order to diagnose the material of distribution transformer winding，a new method is proposed based on the winding parameters such as the volume，mass，capacity，DC resistance and temperature－rise curve.By measuring the winding parameters and collecting the test data，the standard database for winding parameters of distribution transformer is established. Through comparing the winding parameters of testing distribution transformer with standard database，the probability density curve of winding parameter distribution is obtained.And then according to the impact factor of winding parameters，the analysis model is established to determine the material of transformer winding comprehensively.S9－200 and S11－400 distribution transformers are tested，and the winding material of these two typical distribution transformers is diagnosed to be copper by the proposed method，which is consistent with the results of metal chemical composition analysis.So the proposed method can accurately diagnose the material of distribution transformer winding.

coil material;DC resistance;temperature－rise curve of resistance;probability density function

TM41

A

1003－6954(2015)06－0047－04

2015－08－10)