一种用于配电变压器绕组材质诊断的新方法

何良，刘隆晨，毛强

(国网四川省电力公司电力科学研究院，四川成都610072)

一种用于配电变压器绕组材质诊断的新方法

何良，刘隆晨，毛强

(国网四川省电力公司电力科学研究院，四川成都610072)

为了诊断配电变压器绕组材质，基于变压器绕组体积、质量、容量、直流电阻及其温升曲线等绕组参数提出了一种用于判定变压器绕组材质的新方法。此方法通过绕组参数测量与实验数据收集，建立配电变压器绕组参数标准数据库，并将实验配电变压器绕组参数数值与标准数据库进行比对，得到绕组参数分布的概率密度曲线，再根据绕组参数的影响因子，建立分析模型综合判定变压器绕组的材质。测试了S9－200与S11－400两类典型的配电变压器，通过上述方法诊断发现变压器绕组材质均为铜，这与绕组的金属化学成分分析结果一致，故该方法能够准确诊断出配电变压器的绕组材质。

绕组材质;直流电阻;电阻温升曲线;概率密度函数

0 引言

目前，国内外对变压器绕组材质检测已开展了研究，并取得了一定进展。最直接的方法是对绕组进行破坏取样，再进行金属化学成分分析，但这种破坏性检验的人力及时间成本巨大，还给电网运维人员带来了极大不便。部分研究人员利用直流电源对变压器绕组通电，得到绕组的电阻时间曲线，再与其标准曲线对比，但其忽略了温升对绕组电阻的影响，效果不佳。此外还可利用X射线探伤机和工业射线胶片对配电变压器绕组拍照，将被测变压器绕组材料的X射线衰减系数与透照厚度曲线同铜、铝的标准曲线进行比对［2］。由于这种方法会产生辐射，对人体健康威胁很大，且价格昂贵，现场使用不便。

因此，在不拆解变压器、不破坏绕组的前提下，掌握一种能便捷有效地检测配电变压器绕组材质的技术方法具有重要的工程实用价值。由于铜和铝物理性质的差异性，绕组材质的改变将会影响变压器的体积质量、容量、直流电阻及其温升曲线等参数。基于上述绕组参数提出了一种用于判定变压器绕组材质的新方法，可准确有效地诊断出变压器绕组的材质。

1 绕组材质诊断依据

电阻率是描述导体导电特性的物理量，与导体长度、横截面积等因素无关，仅与温度有关。电阻温度系数是指当温度变化时电阻值的相对变化，不同材料的电阻温度系数不同。实际中，通常采用平均电阻温度系数的概念，如公式(1)所示。铜或铝的电阻率和电阻温度系数如表1所示。

式中，R1、R2分别表示温度为T1、T2时的导体电阻值。

表1 铜和铝的电阻率和电阻温度系数

由于铜和铝热学、电学性能存在差异，若同型号配电变压器绕组采用不同的材质，将导致绕组参数(直流电阻、容量、体积、质量、电阻温升曲线等)存在明显不同。

对于固定型号与容量的配电变压器，由于国标严格规定了其设计与制造流程，故绕组直流电阻值存在固定范围。若绕组材质发生改变，其直流电阻值也会发生变化，即直流电阻与绕组材质直接相关。其次，改变绕组材质后，变压器的通流能力、容量也会发生变化。再次，当绕组材质改变时，若要保证变压器电阻、损耗等变化不大，必须改变绕组导线的截面积或者长度(匝数)，这会导致变压器体积发生变化。最后，由于不同材料的电阻温度系数不同，不同材质绕组的电阻温升曲线也不相同。综上，绕组直流电阻、容量、体积、质量、电阻温升曲线等参数与绕组材质密切相关。

在厂家变压器绕组造假中，通常会出现以下情况:1)为保证铝绕组变压器的直阻、损耗与同型号铜绕组变压器的对应参数相等，在变比和铁心相同的情况下，部分厂家或增大铝导线截面，这会导致变压器体积增大;或减少线圈匝数，即减小线圈长度，这将导致变压器阻抗电压发生改变。2)保证变压器器身及体积基本相同，部分厂家减小铝线截面，这将导致绕组直流电阻、损耗增大;或者在保证变比一致的情况下，减少线圈匝数，这将会导致变压器容量发生变化。

综上，不难看出，通过对比变压器的直流电阻、容量、体积、质量、电阻温升曲线等参数，可以为诊断绕组材质提供依据。因此，可将直流电阻、容量、辅助参数(体积、质量)、电阻温升曲线等参数与标准数据库进行对比，结合绕组参数分布的概率密度曲线，再根据绕组参数的影响因子，建立概率分析模型综合判定变压器绕组的材质。用于变压器绕组材质分析的总概率函数如式(2)所示。

在查阅文献[21-24]的基础上，结合实验试剂的安全性，选定四种试剂，分别为甲醇、四氢呋喃、正己烷、乙酸乙酯，不同有机溶剂对稻谷中叶黄素提取量的影响结果见图2。由图2可知，不同溶剂对叶黄素的提取量存在显著差异（P＜0.05）。选取四氢呋喃作有机溶剂时，稻谷中叶黄素的提取量最高，为（1.54±0.03）μg/g，正己烷、乙酸乙酯次之，甲醇最低。因此，选取四氢呋喃作为提取稻谷中叶黄素的有机溶剂。

P=p1F(r)+p2F(s)+p3F(f)+p4F(t－r)(2)式中:F(r)、F(s)、F(f)、F(t－r)分别表示直流电阻、容量、辅助参数、电阻温升曲线的概率函数;p1、p2、p3、p4分别表示上述4个概率函数的权重，满足p1、p2、p3、p4∈(0，1)，且p1+p2+p3+p4=1。

2 绕组材质诊断试验方法与结果分析

2.1 绕组材质诊断试验方法

绕组材质诊断试验流程如图1所示，先测量变压器的体积与质量，再用高精度直流电阻测试仪测量绕组直流电阻，然后通过测量短路阻抗得到变压器容量。用短路法对变压器加热，待温度稳定后自由冷却，同步测量温度和电阻值，得到电阻温升曲线。最后将试验结果与标准数据进行对比，综合判断变压器绕组材质。

图1 配电变压器绕组材质诊断试验流程图

2.2 绕组材质诊断试验结果

选取两台典型配电变压器，按照上述试验方法进行现场测量，其铭牌参数及部分试验结果如表2所示。

表2 配电变压器铭牌参数及试验结果

本次试验中两台配电变压器的电阻温升曲线如图2所示。由图2不难看出，电阻和温度呈近似线性关系。通过线性拟合，S9－200与S11－400两台配电变压器电阻温度曲线的拟合函数分别如式(3)、式(4)所示。

图2 配电变压器电阻温升曲线

2.3 绕组材质诊断结果分析

一般而言，直流电阻不仅与绕组材质相关，还与焊接工艺、触头间接触电阻等相关;变压器容量与绕组材质相关，同时还受铁心截面、导线散热等因素影响;变压器体积、质量亦如此，其与产品设计直接相关。因此，为研究绕组材质对上述参数的影响，通过大量试验数据统计，建立了标准数据库，再将测试结果与标准数据库进行对比。配电变压器绕组参数数值的典型分布如图3所示。图3中，柱状图为绕组参数数值分布的实验统计结果，实线为参数实验统计数据的对数正态分布(log－normal)拟合曲线。统计结果表明，直流电阻、容量、体积、质量等参数数值分布均近似服从对数正态分布函数。对数正态分布的概率密度函数如下。

式中:d为参数数值;D50为参数的几何平均值，即

σg为参数的几何标准偏差，即

ni为统计样本中数值di的数目。

图3 变压器绕组参数的典型对数正态分布

所涉及的两种铜绕组配电变压器统计参数如表3所示。其中，S9－200与S11－400配电变压器的电阻温升曲线拟合函数分别如式(8)、式(9)所示。

表3 铜绕组配电变压器统计参数

如前面所述，在判断绕组材质时，直流电阻、容量、辅助参数(体积、质量)、电阻温升曲线等参数所占的权重存在差异。如图4所示，通过多次研究发现，设定电阻温升曲线权重为50%，直流电阻权重为20%，容量权重为20%，辅助参数权重为10%，能有效地诊断绕组材质。

图4 绕组参数权重因子设定

基于上述方法，测试了S9－200与S11－400两台典型配电变压器，发现其绕组材质为铜的概率分别为82%和76%。随后通过金属化学成分分析，发现两台配电变压器的绕组材质确实为铜，这表明所提方法能准确有效地诊断出配电变压器的绕组材质。

3 结论

基于变压器绕组体积、质量、容量、直流电阻及其温升曲线等绕组参数，将实验配电变压器绕组参数数值与其标准数据库进行比对，并根据不同绕组参数的影响因子，建立分析模型计算了绕组材质为铜的概率，判定了变压器绕组的材质。通过实际测试S9－200与S11－400两类典型的铜绕组配电变压器，发现该方法能够准确诊断出配电变压器的绕组材质。

［1］陈民铀，李霞，王平，等.配电变压器短路和开路损耗在线测量系统［J］.电机与控制学报，2012，16(3):36－41.

［

2］张仁奇，李小军，蒋欣，等.配电变压器线圈用材的X射线鉴别方法［J］.无损检测，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

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1003－6954(2015)06－0047－04

2015－08－10)