基于多点温度的变压器绕组无损识别方法_丁晓飞.pdf

doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.007基于多点温度的变压器绕组无损识别方法丁晓飞，郭劲，唐浩龙(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610057)摘要:为保障公平的市场竞争机制，杜绝铝绕组变压器冒充铜绕组变压器而影响电力系统运行安全稳定性，进行变压器绕组材质识别具有重要意义。为避免变压器结构损坏，准确有效地识别绕组材质，提出一种基于多点温度的变压器铜铝绕组材质无损识别方法，根据电阻系数法结合多个测试点结果对绕组材质进行判别。实际铜绕组变压器和铝绕组变压器的实验结果表明所提方法准确、有效，可进一步推广至大规模工程实践。关键词:变压器;绕组材质识别;电阻温度系数;多点温度中图分类号:TM404文献标志码:B文章编号:1008-0198(2023)01-0041-05基金项目:中国能源建设集团规划设计有限公司科技项目(GSKJ1D042021)收稿日期:2022-10-09修回日期:2022-11-04Nondestructive Identification Method of Transformer WindingsBased on Multiple Points TemperatureDING Xiaofei，GUO Jing，TANG Haolong(CPECC Southwest Electric Power Design Institute Co，Ltd，Chengdu 610057，China)Abstract:To ensure a fair market competition mechanism and avoid aluminum winding transformers fromimpersonating copper winding transformers，which affects the safety and stability of power system operation，it isimportant to identify transformer winding materials To avoid transformer structure damage and identify windingmaterial accurately and effectively，this paper proposes a nondestructive identification method of transformercopper and aluminum winding material based on multiple temperature points，which identifies the windingmaterial based on the resistance coefficient method combining with the results of multiple test points Theexperiment results on a copper winding transformer and an aluminum winding transformer show that the proposedmethod is accurate and effective，and can be further extended to largescale engineering practiceKey words:transformer;winding material identification;resistance temperature coefficient;multiplepoints temperature0引言变压器是电力系统中最重要的输变电设备之一，主要起着变换电压等级的作用12。绕组是变压器发挥电气作用的关键部件3，根据制造变压器绕组所采用的材料种类进行区分，可将变压器分为铜绕组变压器和铝绕组变压器4。铜、铝材料的基本性能存在着一定差异，如铝电阻率约为铜电阻率的1.6 倍、铝密度约为铜密度的 30%、铝抗拉强度为铜抗拉强度的 40%等，导致铜绕组变压器的性能优于铝绕组变压器，但成本高于铝绕组变压器56。行业标准规定铝绕组变压器必须标注字母代号“L”7，然而通过抽检发现有厂家为降低成本，私自在未标注字母代号的情况下以铝绕组代替铜绕组，形式主要包括全铝代铜绕组线圈、半铜半铝绕组线圈、铜包铝绕组线圈等。这种直接用铝绕组替代铜绕组的变压器在投入运行后，会给电力系统带来严重的安全隐患，因此鉴别变压器绕组材质14第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月有着重要的工程实际意义8。目前，判断变压器绕组材质的常规方法是将变压器绕组从箱体中取出，剥落绕线绝缘进行直接观察判断，但这样的检测方法不仅人力成本较高，而且会对变压器造成不可逆的损害，因此只能用于变压器的抽检。随着电力行业迅猛发展，变压器绕组材质检测的新方法也不断取得进展，具体包括:1)X 射线法，对待检变压器进行 X 射线透射试验，并根据 X 射线在不同材质中的衰减规律进而判断绕组材质，但过程繁琐、成本较高，且对工作人员存在一定的辐射危害910;2)多参数法，由于铝绕组变压器通常较铜绕组变压器更大，该方法通过测量变压器油箱容积、绝缘油质量、总体积等各项基本参数进而判断绕组材质，但需建立标准库且可靠性较低1112;3)谐波电阻法，主要根据谐波效应下不同材质变压器绕组的谐波交流电阻差异进行辨识，但受变压器型号、结构的影响8，13;4)Seebeck 系数法，该方法原理是铜和铝的 Seebeck系数差异，通过热电势来判断绕组材质，需要通过标准库来设定阈值1415;5)电阻系数法，设定阈值，根据铜、铝不同的电阻温度系数进行判别，但该阈值通常采用理论平均值，较为单一16。除了上述变压器绕组材质专用检测方法以外，还有普遍用于金属材料的多种检测方法，如电涡流法、磁性法、金相法等1719，但这些方法暂未大规模应用于变压器绕组材质识别。因此，为了不破环变压器结构、实现准确有效地变压器绕组材质识别，本文根据已有的电阻系数法，提出了一种基于多点温度的变压器铜铝绕组材质无损识别方法，并使用 1 台铜绕组变压器和 1 台铝绕组变压器进行了分析验证，结果表明所提方法可准确有效地诊断出变压器绕组的材质。1铜、铝电阻温度系数金属的电阻与温度存在如下关系:T=01+T+T2+T3+()(1)式中，T 为导体温度;T为金属在温度 T 时的电阻;0为金属在 0时的电阻;为一次电阻温度系数;为二次电阻温度系数;为三次电阻温度系数。通常金属电阻温度系数为正，意味着金属的电阻值会随着温度增加而增大。根据 JB/T 86232015 工业铜热电阻技术条件及分度表，铜的三次函数电阻温度关系式如下20:T，Cu=0，Cu 1+4.280 103t 9.31 108T T 100()+1.23 109T2T 100()(2)式(2)中，二次电阻温度系数和三次电阻温度系数远远小于一次电阻温度系数，可忽略不计，进而将式(2)简化为一次函数电阻温度关系式如下:T，Cu=0，Cu1+4.280 103T()(3)根据 GB/T 39562008 电缆的导体可计算出铝的一次函数电阻温度关系式如下21:T，Al=0，Al1+4.666 103T()(4)定义 T/0为电阻倍率，铜与铝在不同温度下的电阻倍率变化情况如图 1 所示。图 1铜与铝电阻倍率随温度变化从图 1 可以看出，铜、铝两种材质的电阻值大小随温度的变化情况存在明显差异，因此可通过测试不同温度下变压器绕组的直流电阻变化情况，来判断绕组材质。2基于多点温度的识别方法对待测变压器进行整体温升试验，获得 n 个不同温度下的直流电阻比值，如变压器在 T1温度下与 T2温度下的电阻比值测量值为:kT2/T1=T2T1(5)根据式(3)，铜绕组变压器在 T1温度下与 T2温度下的直流电阻比值理论值为:kT2/T1，Cu=T2，CuT1，Cu=0，Cu1+4 280 103T2()0，Cu1+4.280 103T1()=1+4.280 103T21+4.280 103T1(6)24第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月根据式(4)，铝绕组变压器在 T1温度下与 T2温度下的直流电阻比值理论值为:kT2/T1，Al=T2，AlT1，Al=0，Al1+4 666 103T2()0，Al1+4 666 103T1()=1+4.666 103T21+4 666 103T1(7)若待测变压器为铜绕组变压器，则 kT2/T1数值更接 近 于 kT2/T1，Cu;反 之，kT2/T1数 值 更 接 近 于kT2T1，Al。因此求得 n 个测量直流电阻比与铜绕组变压器理论直流电阻比之间的均方根误差为:Cu=ni=1ki ki，Cu()2n(8)n 个测量直流电阻比与铝绕组变压器理论直流电阻比的均方根误差为:Al=ni=1ki ki，Al()2n(9)待测变压器绕组材质判别准则:Cu Al时材质为铜绕组;Cu Al时材质为铝绕组。3实验验证3.1实验仪器本文所提变压器绕组材质识别方法仅与不同材质在不同温度下的直流电阻有关，因此不局限于变压器型号、容量等参数。选择铜材质绕组三相10 kV变压器、铝材质绕组三相 10 kV 变压器各 1 台。将两台变压器同时放入 1 台大型高温实验箱进行加热。高温实验箱温度范围为室温至 135，箱内设置有与外部的温度测试仪相连的温度传感器。外部的温度测试仪能够对高温实验箱内部温度以及铜、铝绕组变压器顶层油温进行监测，该温度测试仪所使用的温度传感器为 PT100，传感器测量范围为 0150，精度为 0.1。使用两台相同型号的直流电阻测试仪分别测试两台变压器的直流电阻。实验时，将两台直流电阻测试仪的测试钳分别夹在铜、铝绕组变压器高压侧的 A、B 两相，测量直流电阻。3.2实验过程第一阶段:室温下测试。实验 时，室 温 约31，在室温下测量两台变压器的顶层油温及高压绕组直流电阻见表 1。表 1变压器参数参数数值铜变顶层油温/31.2铜变直流电阻/14.865铝变顶层油温/30.9铝变直流电阻/161.960第二阶段:将两台变压器温度升至 55左右。受实验时间所限，本次实验预先对变压器进行温升实验，以施加一定负载电流的方式对铜、铝绕组变压器进行加热。温升实验加热时采用短路法进行变压器接线，即高压侧施加电压，低压侧短路连接，并进行接地处理。待两台变压器加热至 45 左右时，同时放入实验箱，进行下一阶段的实验箱加热，得到两台变压器顶层油温及直流电阻变化情况，如图 2 所示。(a)铜绕组变压器(b)铝绕组变压器图 2第二阶段变压器内部油温与直流电阻变化情况图 2 中，铜、铝两台变压器的顶层油温始终存在 610的差值，原因一是温升实验对铜绕组变压器加热时初始温度设置较高，二是铜绕组变压器放置在高温实验箱，更靠近加热油管。虽然两台变压34第 43 卷第 1 期丁晓飞等:基于多点温度的变压器绕组无损识别方法2023 年 2 月器温度存在差异，但本文所提绕组材质识别方法仅与同一变压器不同温度值的直流电阻有关，并不需要将两台变压器进行对比，因此对实验结果并无影响。第三阶段:连续加热两台变压器 540 min。连续运行高温实验箱，至第540 min 时关闭高温实验箱电源，实验记录最后180 min 的两台变压器顶层油温及直流电阻变化情况如图 3 所示。(a)铜绕组变压器(b)铝绕组变压器图 3第三阶段变压器内部油温与直流电阻变化情况3.3实验结果标记铜绕组变压器序号为 1，铝绕组变压器序号为 2。根据上述实验，不同阶段下铜、铝绕组变压器各组稳定实验温度值与对应的直流电阻数据统计见表 2。表 2变压器实验结果统计变压器参数第一阶段()第二阶段()第三阶段()铜绕组(1 号)温度/31.257.274.1电阻