一种基于容量体积比的铜铝绕组变压器甄别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变压器检测技术领域，具体为一种基于容量体积比的铜铝绕组变压器 甄别方法。
【背景技术】
[0002] 电力变压器，尤其是10kV级别的配电变压器中，长期存在着使用铝线代替铜线的 现象。特别是近年来，由于国内外铜价居高不下，铝绕组变压器的数量呈现大幅度增加的趋 势。我国现行国标未对变压器绕组的材质做出限定，但要求若使用铝绕组需在变压器型号 上明确标识。目前市面上存在的铝绕组变压器绝大部分则属于生产厂家为了节省成本将绕 组由铜线偷换为铝线的情况，电力用户在购买和运行时并不知情。
[0003] 由于铜铝材质特性上的差异，铝绕组变压器本身存在着性能上的不足。同时变压 器生产企业数量巨大，许多不具备质量控制和试验检测等必要能力的小企业混迹其中，其 生产的铝绕组变压器质量更是难以保证。根据国家电网公司变压器类设备事故统计分析表 明：变压器绕组是变压器损坏事故的主要损坏部位，超过总损坏事故的70%，其中绕组抗 短路强度不够和绝缘有缺陷是损坏事故的主要原因。由事故分析可见，变压器绕组的质量 问题极易引起安全事故，使用现有的铝绕组变压器将极大地增加变压器损坏的风险，在整 个电力系统运行中埋下安全隐患。因此必须加强变压器绕组的质量控制，甄别出电力系统 中以次充好的铝绕组变压器。
[0004] 我国电力变压器出厂必须经过例行试验、型式试验和特殊试验，其中与变压器绕 组密切相关的试验包括：绕组电阻测量、短路试验、空载试验、温升试验等。这些试验都不能 用于检测铝绕组变压器，国内外也没有相关的研宄。目前，电力运检部门只能通过吊罩后破 坏绕组绝缘才能检测出绕组导体类型。但是，该方法费时费力、准确度不高同时具有不可逆 性。
[0005] 目前，国内外均没有有效的可用于甄别铜铝绕组变压器的检测方法。只能通过吊 罩后破坏绕组绝缘才能检测出绕组导体类型。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种在不破坏绕组绝缘的情况下，可 以简单快捷地进行铜铝绕组变压器的甄别的无损检测方法。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现：
[0008] 一种基于容量体积比的铜铝绕组变压器甄别方法，包括以下步骤：
[0009] S1.对待检测变压器进行空载试验和短路试验，得到其实测空载损耗和实测负载 损耗；
[0010] S2.判断其损耗参数是否满足国标要求，如果不满足，判定为不合格产品；
[0011] S3.当变压器损耗参数满足国标要求时，测量变压器的体积，再与变压器体积参考 值进行比较，当测量体积大于最大允许偏差值时，则判定为铝绕组变压器；否则为铜绕组变 压器。
[0012] 进一步，判断同型号的变压器，体积大的为铝绕组变压器的依据为：
[0013] 同型号的铝绕组变压器和铜绕组变压器的空载损耗和负载损耗相同，变压器的空 载损耗P〇包括铁芯损耗p Fe及空载电流I 〇在初级线圈电阻R :上的损耗，因此空载损耗就是 铁芯损耗：
[0014] P0 =Pn.+?'!>，!)「'. (1)
[0015] 在一定的工作磁通密度范围内，铁芯损耗可近似写成：
[0016] PFe=CFeBl-f3-V (2)
[0017] 式中：CFe为铁芯损耗系数；为最大磁通密度；f为频率；V为铁芯体积，由于C Fe 和f为定值，可知空载损耗由1和V决定，其中：
[0018]
(3)
[0019] 式中：UN为变压器额定电压；N为线圈匝数；S i为铁心柱横截面积；
[0020] 铁芯的体积V为：
[0021] V = (3h+41) ? S: (4)
[0022] 式中：h为铁芯柱高度；1为铁轭长度。
[0023] 由式⑴~⑷可得空载损耗为：
[0024] (5)
[0025]
[0026] (())
[0027] 由于Q为定值，可知空载损耗由线圈匝数N、铁芯柱横截面积S i、铁芯柱高度h和 铁轭长度1决定。
[0028] 变压器的负载损耗的计算方法为：
[0029] 负载损耗Pk包括基本损耗Px及附加损耗AP，
[0030] Pk=PX+AP^Px (7)
[0031] 当短路电流为额定电流以寸，基本损耗为：
[0032] P、' =3!\R,、 (8)
[0033] 式中Rk为绕组50Hz时的交流电阻，忽略集肤效应的影响，则：
[0034] Rk=pL/S2 (9)
[0035] 式中：P为绕组75°C时电阻率；&为绕组导线横截面积；L为绕组长度，绕组长度 可由绕组平均匝长L p表示：
[0036] L= N ?Lp (10)
[0037] 由于绕组紧密绕制于铁芯柱表面，故Lp可近似认为与铁芯柱横截面周长成正比， 则：
[0038] L,, =i<2^^ (11)
[0039]式中：k为一比例系数，Si为铁芯柱横截面积；
[0040] 由式（7)-（11)可得负载损耗为：
[0041] (12)
[0042]
[0043] (13)
[0044] 由于C2为定值，可知负载损耗由绕组电阻率P、线圈匝数N、铁芯柱横截面积Sp 绕组导线横截面积S 2决定。
[0045] 在对铜铝绕组进行判断时，前提是铝绕组变压器和铜绕组变压器的空载损耗和负 载损耗相同，
[0046]将式（6)带入式（13)，可得：
[0047]
(14)
[0048] 为了便于表述，取：
[0049]
(15)
[0050] 其中，h为铁芯柱高度，1为铁轭长度；由式（14)可知，由于绕组材质由铜换成铝， 绕组电阻率由2. 135X10-8 Q ?!!!增大为3. 57X10-8 Q ?!!!，为了保持负载损耗和空载损耗 同时不变，只能将系数C减小为原来的2. 135/3. 57 = 0. 598倍；
[0051] 由于绕组相与相之间、绕组与铁芯之间的绝缘距离相比与窗宽窗高都很小，因此 窗宽l w、窗高hw主要由绕组尺寸决定，在绕组匝数一定的情况下，可近似认为窗宽窗高与绕 组导线线径成正比，即与绕组导线横截面积&的0. 5次方成正比，设比例系数分别为kpk2， 则：
[0052] lw=kx4s~2 (16)
[0053] hw =k2^S^ (17)
[0054] 1 = lw+lc (18)
[0055] h=hw+hc (19)
[0056] 将式（16)-(19)带入式（15)可得：
[0057]
(20)
[0058] 铜绕组换成铝绕组，铁轭高度h。、铁芯柱直径1。基本不变，因此C的变化趋势与S2 相反，为了减小系数C，只能增大绕组导线横截面积S2，如果将变压器绕组由铜换成铝，为了 使损耗参数满足国标，只能通过增大绕组导线横截面积的方法来实现，在这种情况下，由于 绕组导线线径变大，铁芯的窗宽、窗高将变大，从而导致整个铁芯以及变压器整体体积的变 大。
[0059] 进一步，所述变压器体积参考值及最大允许偏差值如下：
[0060]
[0061] 由于采用了上述技术方案，本发明在不破坏绕组绝缘的情况下，可以简单快捷地 进行铜铝绕组变压器的甄别。
【附图说明】
[0062] 图1为甄别铜铝绕组变压器检测方法流程；
[0063] 图2为变压器体积参考值及最大允许偏差值；
[0064] 图3为三相芯式铁芯示意图；
[0065] 图4为变压器铁芯和绕组示意图。
【具体实施方式】
[0066] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述。
[0067] -种基于容量体积比的铜铝绕组变压器甄别方法，包括以下步骤：
[0068] S1.对待检测变压器进行空载试验和短路试验，得到其实测空载损耗和实测负载 损耗；
[0069] S2.判断其实测损耗参数是否满足国标要求，如果不满足，判定为不合格产品；
[0070] S3.当变压器损耗参数满足国标要求时，测量变压器的体积，再与变压器体积参考 值进行比较，当测量体积大于最大允许偏差值时，则判定为铝绕组变压器；否则为铜绕组变 压器。
[0071] 所述空载损耗的计算方法为：
[0072] 空载损耗匕包括铁芯损耗PFe及空载电流I^在初级线圈电阻R:上的损耗，后者可 以忽略不计，因此空载损耗基本上就是铁芯损耗：
[0073] Pd+3!hf^ (1)
[0074] 对于一般的电工钢片，在一定的工作磁通密度范围内，铁芯损耗可近似写成：
[0075] PFe=CFeBl-f3-V(2)
[0076] 式中：CFe为铁芯损耗系数；B m为最大磁通密度；f为频率；V为铁芯体积。由于C Fe 和f为定值，可知空载损耗由1和V决定，其中：
[0077]
(3)
[0078]式中：UN为变压器额定电压；N为线圈匝数；Si为铁心柱横截面积。
[0079] 对于应用最广泛的三相芯式铁芯，如图3所示，铁芯体积V为：
[0080] V = (3h+41) ? S: (4)
[0081