干式配电变压器绕组线圈材质判定方法及分析装置与流程

本发明涉及干式配电变压器分析技术领域，尤其涉及一种干式配电变压器绕组线圈材质判定方法及分析装置。

背景技术：

变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，它具有变换电压、变换电流、变换阻抗的功能，在工程各个领域得到广泛应用。在变压器绕组的生产中，导电材料主要是铜，用量较大。当前配电变压器生产中，同等容量的变压器，使用铜线或铜箔与铝材料相比，铝导线重量轻，重量只有铜线的73％；铝导线价格便宜，单价只有铜的40％左右。综合计算，总的绕组材料成本可下降70％以上。所以，目前，大都用铝线代替铜线作为导体材质，之所以出现这种情况，主要原因是铝线变压器与铜线变压器相比可以降低成本，具有较强经济性。

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。具体参数可以参考三个参数表；由三个参数表可知，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，最终会导致用户用电的质量上有所差别。

从体积上考虑，根据设计资料，铝线变压器体积会增大很多，导致成品变压器占地面积大或者高度增加。

从运行维护方面，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，很可能导致变压器或配电网出现问题。

因此，对于用量巨大的干式配电变压器，有必要准确核实绕组导电材料的材质是铜还是铝。

因为变压器(干式变压器)生产完成后，其导电绕组，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。所以这个变压器的材质判断，无法直接得到。目前，发现没有能够对变压器绕组材质进行分析的方法和仪器设备。搜索相关资料，也没有能够实现的导体材质分析理论。

在没有特定材质分析方案的情况下，目前判断变压器绕组材质现有的方案，一个是在厂家派驻监督人员，从源头保证厂家必须用铜线生产。这个其实是一种非常耗费资源的办法，很容易出问题。还有就是破坏法，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，而且这种抽查判断的方案，也是非常浪费资源的。

以上所述变压器材质判断的方案，基本上都无法真正推广使用，一是耗费时间资源，人力物力，二是无法保证判断效果，判断的结果基本上只是对样品有效。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种设计新颖、可实现对干式变压器绕组线圈材质进行快速判断的干式配电变压器绕组线圈材质判定方法。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：

公开一种干式配电变压器绕组线圈材质判定方法，通过下式进行判定：

j＝i/s

其中，j为电流密度，i为额定电流，s为导体截面积；

若j在1.5-2.6a/mm²之间，则线圈由铜导线绕制，若j在0.6-1.4a/mm²之间，则线圈由铝导线绕制，否则，线圈由非铜导线、非铝导线绕制。

所述导体截面积s获取方法如下：

1)、对线包外部尺寸进行测量，得到整个线包的截面积a，其中，a＝s*匝数+绝缘层截面积+缠绕材料截面积；式中，绝缘层截面积和缠绕材料截面积为已知量；

2)、测量线圈的匝数，包括：

a.使用软导线制作一个匝数为n1的实验线圈；

b.将实验线圈套在与变压器同心的铁芯上,并在实验线圈上接电压为u1的激励信号；

c.分别测量变压器上高、低压绕组上的输出电压u2、u3；

d.带入公式u1/u2/u3＝n1/n2/n3中，求得n2和n3，n2和n3分别为高低压绕组的匝数；

3)、根据公式s＝(a-绝缘层截面积-缠绕材料截面积)/匝数，计算得出导体截面积s。

所述额定电流i通过下式得到：

当变压器高压绕组为y型时，i＝sr/uf，式中，sr为变压器的额定容量，uf为变压器额定分接位电压；

当变压器高压绕组为δ型时，i＝sr/(uf√3)，式中，sr为变压器的额定容量，uf为变压器额定分接位电压。

所述额定容量sr的获取方法如下：

(1)、在温标条件下，使用仪器测量变压器的短路损耗值；

(2)、将损耗值校正到额定条件时的短路损耗数值；

(3)、查表，通过查表得到该变压器的额定容量sr。

步骤(2)具体为：根据公式：

p＝k×pk

进行校正；

式中，p为短路损耗数值，k为电阻温度系数，k＝(235+温标)/(235+t)，式中t

为测试时实际温度。

进一步的，本发明还公开了一种干式配电变压器绕组线圈材质分析装置，它包括：

用于与变压器连接的外接变压器接口；

数据采集模块电路，数据采集模块电路与外接变压器接口连接；

运算控制模块电路，运算控制模块电路与数据采集模块电路连接用于计算数据采集模块电路发送的电流信号并计算出变压器的电流密度j；

显示模块，与运算控制模块电路连接，用于显示运算控制模块电路输出的数据。

所述数据采集模块电路包括并联的电压取样模块和电流取样模块，所述电压取样模块与外接变压器接口直接连接，所述电流取样模块通过标准源输出电路与外接变压器接口连接。

所述电压取样模块为三个，分别为a相电压取样模块、b相电压取样模块、c相电压取样模块，a相电压取样模块、b相电压取样模块、c相电压取样模块的输出端分别连接一个a/d转换模块，a相电压取样模块、b相电压取样模块、c相电压取样模块的输入端分别与外接变压器接口中的其中一个接口连接；

所述电流取样模块为三个，分别为a相电流互感器、b相电流互感器、c相电流互感器，所述a相电流互感器、b相电流互感器、c相电流互感器的输出端分别连接一个a/d转换模块；

所述a相电流互感器、b相电流互感器、c相电流互感器的输入端通过标准源输出电路与外接变压器接口连接；

六个所述a/d转换模块通过一个cpld模块与运算控制模块电路连接。

标准源输出电路包括三个并联的子电路，各子电路包括串联连接的微型变压器和整流桥电路，三个整流桥电路的两个输出端之间分别连接有一定值电容，三个定值电容串联连接，还包括一可变电阻，所述三个定值电容、可变电阻串联连接。

所述运算控制模块包括cpu芯片和与cpu芯片对应连接的按键组，按键组由若干个按键构成，所述cpld模块的输出端与cpu芯片连接。

还包括与运算控制模块电路连接的打印模块，所述打印模块包括打印机。

本发明的有益效果在于：

本发明是将集变压器材质检测、容量测试、特性测试、直阻测试、变比测试与一身，是针对干式变压器材质专门研制的一种高精度综合测试装置，使用中，既能轻松检测出干式变压器是否以铝代铜以次充好，还能准确测试变压器容量，可准确检测用户是否改、换变压器铭牌，又能对各种变压器的容量、负载损耗、空载损耗、阻抗电压、空载电流等工频参数进行准确测量；同时，本装置的研制是国内首创，将填补国内空白，本发明此项技术可以实现在正常的生产工作中，以简易的、低成本的测试操作来判断成品变压器的绕组材质。

真正有效的变压器绕组材质分析方案，随时随地能够使用；绝对不破坏变压器的任何绝缘、结构、部件等，对变压器没有任何损伤；不产生额外的资源损耗。

附图说明

图1为本装置的电路原理示意图；

图2为本发明中的标准源输出电路、数据采集模块电路中的三个电流互感器连接电路示意图；

图3为本装置内部的系统软件结构设计图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，参见图1至图3。

实施例前述：

通过背景技术中的内容分析，本发明人对针对变压器和导体材料的相关理论进行了深入研究，对变压器的生产过程、各部件制造工艺等都进行了一定的学习、研究分析，发现其中有几个影响数据的关键点：

1、变压器线包的设计：包括高低压匝数的设计，高低压导线线径(截面积)设计，不同的导电材料，其匝数和截面积要求不同；

2、变压器绝缘：包括内外绝缘，线包绝缘等。

变压器设计计算中的参数非常多，包括铁芯相关的尺寸、磁通，线包尺寸、线径、缠绕方式、绝缘方式等。还有线包直流电阻、损耗，线包的阻抗短路阻抗等。这些参数仔细分析，发现没有哪个参数是铜或者铝材料唯一的特征。例如：直流电阻，铝材料的直流电阻率，比铜大，但是可以通过增加截面积，实现铝绕组的直流电阻下降。

而在长期研究变压器制造相关工艺中，发现一个参数——“电流密度”。这个参数在设计资料中，对铜和铝具有各自的取值范围，互不重合，因此，本发明人经过长时间的分析和讨论，决定以通过电流密度这个参数来判断分析变压器绕组的材质。

电流密度这个参数，虽然电流值是电参数，可以从外部测量得到，但是电流密度从定义上看，是与导体几何尺寸相关的。所以，从外部取得电流密度这个参数，首要的条件，是我们能够看到、测量到变压器的绕组、线包尺寸，因此，需进一步的明确是，本发明是针对干式配电变压器进行材质分析判断。

实施例1：一种干式配电变压器绕组线圈材质判定方法。

电流密度，无论从设计计算环节，还是成品变压器测试校验环节，都属于一个计算参数，在当前技术条件下应该是无法直接测试得到的。为了得到电流密度数据，我们在此之前需要取得一系列参数，才能够计算得到电流密度。

本方法对干式配电变压器绕组线圈材质判断时通过下式进行判定：

j＝i/s

其中，j为电流密度，i为额定电流，s为导体截面积。

干式电力变压器的电流密度的选择，将直接影响负载损耗、温升、短路机械力和材料消耗量，综合计算资料和变压器厂家的实际制作方案变压器绕组采用铜材质时，电流密度大概在1.5-2.6/mm²之间，通常变压器绕组采用铝材质时，电流密度大概在0.6-1.4a/mm²之间。两种材质的电流密度有明显的差距，且铝材质的电流密度最大值不会与铜材质的电流密度最小值重合。当变压器是容量合格的变压器的情况下，铜材和铝材的电流密度是可以进行区分的。

因此，判断时，若j在1.5-2.6a/mm²之间，则线圈由铜导线绕制，若j在0.6-1.4a/mm²之间，则线圈由铝导线绕制，否则，线圈由非铜导线、非铝导线绕制，此时线圈可能由铝箔线绕制而成。

有上式可知，我们如果能够准确得到一个变压器的额定电流和导体截面积，就可以计算分析出此变压器的导体电流密度，进而分析得到导体的材质，我们只要确定了i和s即可得到电流密度j。

在国内测试干式变压器容量的设备一般都存在很大的缺陷，准确判断变压器的容量，得到准确真实的额定电流，这是解决干式变压器材质判断准确性的关键。

而我们面对一台成品变压器的时候，我们只能直接得到变压器高低压线包的外部尺寸，导体截面积既无法直接得到，也无法从电参数来测量，得不到导体截面积，电流密度的核算就根本无法实现。通过线包的外部尺寸，我们可以得到整个线包的截面积。这个截面积是由以下参数组成：导体截面积*匝数+绝缘层截面积+缠绕材料截面积，如果能够将绝缘材料等这些结构所占的面积确定，那么就能得到导体的截面积。

为了准确取得导体截面积参数，本发明人对变压器绕组制作过程工艺进行了深入的现场分析积累了大量数据，首先，我们能得到线包高度和厚度，也就能够得到线包的截面积，线包截面积的组成是由导体匝的截面积和绝缘层截面积+缠绕材料截面积组成。

导体绝缘层的厚度根据不同型号的导体厚度不同，不同型号的线包绝缘层厚度也不相同。但可以确定的是：任何厂家生产变压器，不会随意加厚绝缘层厚度、绝缘层加厚，否则会导致散热不良、材料成本增加，同时导致应力增大进而导致容易开裂等问题，因此，变压器的外绝缘，都会按照绝缘要求有一个合理的尺寸。这个参数，没有文件规定必须是多少毫米，但成型的成规格的变压器，都是一个基本确定的数据。所以，对外绝缘的尺寸，通过大量收集各变压器生产厂家各型号变压器的绝缘层数据，而后做成数据库进行备份，可以在分析出各型号的变压器绕组的绝缘层厚度。

因此，本发明中，所述导体截面积s获取方法如下：

1)、对线包外部尺寸进行测量，得到整个线包的截面积a，其中，a＝s*匝数+绝缘层截面积+缠绕材料截面积；式中，绝缘层截面积和缠绕材料截面积为已知量；

2)、测量线圈的匝数，包括：

a.使用软导线制作一个匝数为n1的实验线圈；

b.将实验线圈套在与变压器同心的铁芯上,并在实验线圈上接电压为u1的激励信号；

c.分别测量变压器上高、低压绕组上的输出电压u2、u3；

d.带入公式u1/u2/u3＝n1/n2/n3中，求得n2和n3，n2和n3分别为高低压绕组的匝数。

3)、根据公式s＝(a-绝缘层截面积-缠绕材料截面积)/匝数，计算得出导体截面积s。

绕组电流大小，是根据变压器容量的需要设计的，由导体截面积决定绕组能否承受设计电流。在变压器绕组的计算参数中，导线的匝数，截面积，线包的高度等参数，会最终影响到变压器的容量、阻抗等。绕组运行的额定电流，可以根据变压器容量，额定电压通过公式计算得到。但是变压器的额定容量，也存在虚标的可能，有可能标高，也有可能标低。因此，不能使用铭牌标准的容量或者电流数据来参与计算。这样看，能够准确的测得变压器的容量，也是一个非常关键的问题。

在变压器的铭牌参数中，唯一一个基本不会虚标的参数应该是额定电压。其他的参数，如容量、阻抗电压等，有可能不是真实数据。

因此，本设计中的所述额定电流i通过下式得到：

当变压器高压绕组为y型时，i＝sr/uf，式中，sr为变压器的额定容量，uf为变压器额定分接位电压，变压器额定分接位电压uf为已知量。

而当变压器高压绕组为δ型时，i＝sr/(uf√3)，式中，sr为变压器的额定容量，uf为变压器额定分接位电压，变压器额定分接位电压uf为已知量。

从以上公式可以得出，变压器绕组的额定电流与变压器容量有着直接的决定性的关系(在电压已知且一定的情况下，一台变压器不会适用于多种电压等级)。

从以上条件可以发现，额定电压我们可以得到准确的数据，那么，我们必须要取得准确的变压器容量数据，才能够得到准确的绕组额定电流的数据，才能够用来计算电流密度。

而变压器容量的数据能够采用简单方式得到吗？当然不可能。变压器的容量，是通过理论计算，结合额定电压，额定电流等参数计算得到的。变压器容量参数，除非使用满载温升方式做型式试验，否则是无法直接测试得到的。如果没有准确的容量数据，也就无法得到准确的绕组电流数据。但是我们不可能使用满载温升方式来测试变压器容量。再说，使用温升法也无法测试得到变压器的准确容量，只能是核实变压器铭牌上标注的额定容量是否满足。

为此，本发明还公开了一种额定容量获取方法，所述额定容量sr的获取方法如下：

(1)、在温标条件下，使用仪器测量变压器的短路损耗值；

(2)、将损耗值校正到额定条件时的短路损耗数值；校正时，根据公式：p＝k×pk

进行校正；式中，p为短路损耗数值，k为电阻温度系数，k＝(235+温标)/(235+t)，式中t为测试时实际温度。

(3)、查表，通过查表得到该变压器的额定容量sr。

实施例2，一种干式配电变压器绕组线圈材质分析装置。

本装置以实施实施例1所述方法为目的，具体的，本装置它包括：

用于与变压器连接的外接变压器接口；

数据采集模块电路，数据采集模块电路与外接变压器接口连接；

运算控制模块电路，运算控制模块电路与数据采集模块电路连接用于计算数据采集模块电路发送的电流信号并计算出变压器的电流密度j；所述运算控制模块包括cpu芯片和与cpu芯片对应连接的按键组，按键组由若干个按键构成，外部测量的数据通过若干个按键输入到cpu芯片中，所述cpld模块的输出端与cpu芯片连接；

显示模块，与运算控制模块电路连接，用于显示运算控制模块电路输出的数据。

具体的，以上所述数据采集模块电路包括并联的电压取样模块和电流取样模块，所述电压取样模块与外接变压器接口直接连接，所述电流取样模块通过标准源输出电路与外接变压器接口连接。

更为具体的，所述电压取样模块为三个，分别为a相电压取样模块、b相电压取样模块、c相电压取样模块，a相电压取样模块、b相电压取样模块、c相电压取样模块的输出端分别连接一个a/d转换模块，a相电压取样模块、b相电压取样模块、c相电压取样模块的输入端分别与外接变压器接口中的其中一个接口连接。

所述电流取样模块为三个，分别为a相电流互感器、b相电流互感器、c相电流互感器，所述a相电流互感器、b相电流互感器、c相电流互感器的输出端分别连接一个a/d转换模块；所述a相电流互感器、b相电流互感器、c相电流互感器的输入端通过标准源输出电路与外接变压器接口连接。

进一步的，六个所述a/d转换模块通过一个cpld模块与运算控制模块电路中的cpu芯片连接。

本数据采集模块电路通过六个高精度的ad转换模块可对电压和电流进行采样，电流信号通过对应的电流互感器转换成电压信号；6路采样同步信号通过cpld模块(可编程逻辑器件)对采样到的数据进行打包并传送给高性能的cpu芯片内进行运算处理，通过cpu芯片处理后得到准确的电压、电流值以及电压电流之间的相位，结合公式实现对变压器容量、电流密度的计算。

具体的，以上标准源输出电路包括三个并联的子电路，各子电路包括串联连接的微型变压器t1、t2、t3和整流桥电路z1、z2、z3，三个整流桥电路z1、z2、z3的两个输出端之间分别连接有一定值电容c1、c2、c3，三个定值电容c1、c2、c3串联连接，还包括一可变电阻r，所述三个定值电容c1、c2、c3、可变电阻r串联连接。

通过调节可变电阻r的阻值，可改变微型变压器t1、t2、t3一侧的电压和电流值，完成微型变压器t1、t2、t3电压和电流特性的需求，从而实现微型变压器t1、t2、t3容量的调整；保证了非额定条件下各测试项目测试数据的准确性。

进一步的，本装置还包括与运算控制模块电路连接的打印模块，所述打印模块包括打印机。

本装置在使用中可达到以下技术指标：

1、输入特性

有源部分：电压测量范围：0～10v

电流测量范围：0～10a

无源部分：

电压测量范围：0～750v宽量限(可以外接电压互感器)。

电流测量范围：0～100a内部全部自动切换量程(可以外接电流互感器)。

2、准确度：

电压、电流、频率：±0.2％

功率：±0.5％(cosφ>0.1)，±1.0％(0.02<cosφ<0.1)

3、匝比测试精度：0.5％

4、直阻参数

i.输出电流：<5ma、40ma、200ma、1a、5a、10a

ii.分辨率：0.1μω

iii.量程：100ω-20kω(<5ma档)

a.1ω-250ω(40ma档)

b.100mω-50ω(200ma档)

c.5mω-10ω(1a档)

d.1mω-2ω(5a档)

e.0.5mω-0.8ω(10a档)

iv.准确度：大于5毫安：2‰小于5毫安：5‰

5、工作温度：－10℃～+40℃

6、绝缘：⑴电压、电流输入端对机壳的绝缘电阻≥100mω。

⑵工作电源输入端对外壳之间可承受工频2kv(有效值)、历时1分钟试验。

7、体积：41cm×35cm×18cm

8、重量：10kg

本装置在使用中可达到如下功能：

1、可准确判断10kv干式配电变压器的材质。

2、可无源、准确测量各种配电变压器的容量。

3、可测量各种类型变压器的负载损耗、空载损耗、短路电压、空载电流等。

4、可进行波形畸变校正，温度校正，电压校正(非额定电压下的空载试验)，电流校正(非额定电流条件下的短路试验)。

5、允许外接电压互感器和电流互感器进行扩展量程测量，可测量任意参数的被试品。

6、测试仪采用7.0英寸，800*480图形点阵的高亮度、宽温、宽视角、阳光下清晰可视的全触摸型工业级彩色液晶屏。全汉字菜单及图形操作提示实现友好的人机对话，触摸按键使操作更简便，可适应冬夏各季。

7、用户可随时将测试的数据及结果通过微型打印机打印出来。

8、集成了中小型变压器和电压互感器的直流电阻测量、电流档位多，测量范围宽，可根据负载自动选择电流。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

铜铝性能参数表：

铜铝系数表：

绕组最高允许平均温度表：