干式变压器绕组材质无损判定方法的研究

叶计团

摘 要：在配网干式变压器的制造中，由于铝制干变比铜制干变成本低，同时干变线圈被树脂绝缘材料封装，用户无法对材质直接判别。所以一些制造厂商为了牟取更高利润，用铝制干变来冒充铜制干变，以次充好。针对这种情况当前有效的方法是破坏性检验，这种方法费时费力，造成资源浪费，而且只是对抽检样品有效，所以研究无损便携的检测方法极其重要，本文对干变绕组材质判别方法进行了研究，提出通过比较绕组导线截面积额定载流量来判定材质，根据导线单位截面积额定载流量定义J=I/S，式中I为额定电流，S为导体截面积。如果线圈导线是铜线时，J一般为2.7～3.5安培/平方毫米;如果线圈导线是铝线时，J一般为1.5～2.0安培/平方毫米。式中额定电流可以通过额定容量求得、而截面积可采用已知匝比的测量绕组并将此线圈套在与变压器同心的铁芯，通过在低压绕组施加激励信号，在已知电压和匝数的基础上，根据各绕组电压的比值等于线圈匝数的比值关系，从而测得其他的线圈匝数。

关键词：干式变压器;绕组材质;额定容量;额定电流

1.干式变压器绕组材质判定的意义

由于干式变压器具有抗短路能力强、维护工作量小、运行效率高、体积小、噪音低等优点，在配电变压器中，干变所占的比例愈来愈大，据统计，在欧美等发达国家中，它已占到配变的40～50%。在我国，约占到60%左右，目前我国已成为世界上干式变产销量最大的国家。在如今国内配电干式变压器制造过程中，用铝线代替铜线作为线圈绕组的导体来假冒铜导体变压器已成为行业公开的潜规则。主要原因是铝线变压器与铜线变压器相比更节省成本，经成本计算，使用铝代替铜来作为导体材质，可以节省超过60%的成本。在配网干式变压器生产完成后，不仅导体本身是具备绝缘表层，而且线包外部还会进行浸漆、环氧树脂包封等绝缘措施，从外部看是根本无法判断导体材质的。如果破开一块绕组绝缘，这样就会导致绝缘失效，并且是无法修补的。材质判断无法直接得到，不良制造厂商也正是利用这一因素进行以次充好，从而大幅度降低了成本，非法获利。这不仅导致用户用电的质量差、耗电量更大，还由于铜铝绕组运行的最高温度不同，如果铝线变压器按照铜绕组的标准运行，在过载、短路等特殊工况下，很可能造成了安全隐患，同时也扰乱变压器制造行业秩序，对我国干式变壓器制造行业发展产生不良的影响。

2.干式变压器绕组材质判定方法的研究

目前，针对上述情况较为常见的方法是通过变压器吊罩进行检查，也就是将一批变压器，随机抽出其中的样品，破坏性拆解，拆开其绕组，切断其高低压绕组导体，来直观判断导体是铜还是铝。这种方案，只是针对被抽到的变压器样品有效。不可能每个变压器都拆开看，对于其他同批次变压器，只能猜测性的判断，而且这种抽查判断负杂，费时费力，也是浪费资源。而其它文献出现的方法，如温升法、射线法、超声波法等，也只能作为理论研究，限于成本及其复杂性一般难以应用到实际测试仪器设备中。因此，研究一种易于实现、经济性好的测试方法来对干式变压器绕组材质进行判定是具有重大意义的。

铜和铝都是导体，但是两种材料有着不同的物理、化学、电性能参数。从原理上讲，两者作为导电材料使用，差别主要在于导电率的差异，铜线要比铝线导电率高，铜线的电量损耗更低，相同截面的导线，电阻比铝小，输送同样的功率，消耗的电量就比较小。

研究变压器制造相关工艺可得知，若变压器的温升、损耗、容量、负载特性等性能参数符合国家相关标准，则使用铜线作为绕组和使用铝线作为绕组，其导线载面的单位面积载流量（电流密度J）的设计必须符合一定的范围，否则，变压器的无法通过温升、损耗、容量、空负载特性等性能测试。如果线圈导线是铜线时，电流密度一般为2.7～3.5安培/平方毫米。如果线圈导线是铝线时，电流密度一般为1.5～2.0安培/平方毫米，两者数值不存在重叠。因此可以依据本结论，通过测量及计算变压绕组导线的电流密度即可评估变压器的材质是铝还是铜。

依据电流密度的定义：

J=I/S

式中J为电流密度，I为额定电流，S为导体截面积。因此只要通过一定的测量方法或得变压器的额定电流和绕线导体的截面积，即可通过上式计算出电流密度，从而判断出变压器绕组的材质。

按定义额定电流I可以通过下面公式得出：

当变压器高压绕组为Y型时，

I=Sn/Un

当变压器高压绕组为Δ型时，

I=Sn/（Un√3）

式中，Sn为变压器的额定容量，Un为变压器额定电压。式中，Un为变压器额定电压，为已知参数，Sn为变压器的额定容量，所以只要测得变压器实际额定容量即可得出额定电流。

变压器实际容量判断主要依据是变压器的短路试验的数据，并按要求校正到额定条件时的短路损耗数值，再查表得到被试变压器的实际容量。通过直阻仪测得变压器高低压侧的直流电阻Rt。利用直流电阻值可计算出变压器的直流电阻损耗，即短路损耗Pr。公式如下：

Pr=∑I2Rt

式中I是绕组的额定电流，单位为A;Rt为直流电阻，计算不同额定电流下短路损耗Pr占对相应负载损耗标准值的百分比，最接近95%以上的对应的额定容量即是配电变压器的额定容量SN。

由于测试结果是非额定电流的校正，同时国标要求变压器的短路损耗应在环境温度为“温标”设定值时进行，所以额定条件的数据都是在“温标”时的标准数值，为了准确判断容量，必须将测试结果校正，校正公式为：

P=K×Pk

式中，Pk为“温标”下的短路损耗; K代表电阻温度系数，其算法为K=（T+温标）/（T+t），式中t为测试时实际温度，T是温度换算系数，当绕组是铜导体时T=235，是铝导体时T=225。

当一台变压器成品后，可以直接通过游标卡尺量得变压器线包的外部尺寸，得到整个线包的总截面积。那么导体的截面积计算公式为：

S=（总截面积-绝缘层截面积-缠绕材料截面积导体截面积）/匝数。

在变压器制造行业中，不会随意加厚绝缘层厚度，因为绝缘层加厚不仅增大变压器的体积，也会导致散热不良、应力增大、材料成本增加，因此，变压器的绝缘层截面积+缠绕材料截面积是按最小可用范围来设计的。考虑到绝缘层截面积+缠绕材料截面积远远小于导体总截面积，因此可以按国家相关行业标准，通过收集各变压器生产厂家各型号变压器的绝缘层数据，计算出各容量等级变压器的绝缘层厚度，建立数据库代入上式即可。

对于变压器绕组匝数，通过采用特制的一个测量绕组，设计匝数为N3，将此线圈套在与变压器同心的铁芯上，并在低压绕组施加低压交流激励信号，基于电压法分别测量变压器高、低压绕组以及增加的已知匝比的测量绕组上的输出电压U1、U2、U3;代入公式U1/U2/U3=N1/N2/N3中，求得N1和N2，N1和N2分别为高低压绕组的匝数。

综上所述，计算电流密度J的未知量均已得知，若计算出电流密度J在2.7～3.5安培/平方毫米之间，则判定线圈由铜导线绕制，若J在1.5～2.0安培/平方毫米之间，则判定线圈由铝导线绕制，否则，判定线圈由非铜、非铝导线绕制，该方法无需破坏变压器本体，判定原理易于实现，计算过程简单易用，依据此方法可设计出新颖、便捷、具有经济性、可靠性高的变压器材质分析测试设备，非常适合应用到高压电力检测仪器仪表中，具有极大的推广应用价值。