干式变压器铜铝线材涡流检测技术开发与应用

干式变压器铜铝线材涡流检测技术开发与应用

李霞

顺特电气设备有限公司 528300 佛山

摘要：干式变压器作为一种重要的供电设备，具有安全、防火、无污染、机械强度高、短路强度高、局部放电低、热稳定性好、可靠性高、使用寿命长、损耗低、噪音低、效率高等优点它广泛用于地方照明、高层建筑、机场、终端和机械设备等领域。但是，由于铜的价格是铝的三倍，一些国内企业目前正在出现用铝取代铜的现象，以降低生产成本，这不仅给电网，而且给电力系统造成巨大的直接经济损失如何实现干式变压器线圈材料的快速无损检测成为干式变压器检测的一个难题。

关键词：电磁涡流检测; 干式变压器; 铜铝线材

引言

干式变压器作为重要的电网设备，具有安全、防火和清洁等优点，广泛用于城市轨道交通、当地照明、高层建筑、机场、码头、机械设备等地方。其主要由铁芯、绕组、绝缘介质和铁轭构成。绝缘介质一般为环氧树脂，厚度为4mm~7mm，既不是导体也不是磁性的。铁芯由优质冷轧机晶方向的硅片组成，硅片采用45度斜接缝，使磁链沿硅片接缝流动。导线通常是铜或铝材质。目前，国内电力公司和南方电网公司通常通过破坏性取样和x射线成像测试(或工业原子计)来识别干式变压器中的铜和铝材料。为此，笔者基于电磁涡流技术，对干式变压器铜铝线无损识别进行了研究，分析了各种因素对干式变压器铜铝材料识别的影响，以期找出实现变压器铜铝线快速无损识别的最佳检测参数。

一、检测原理

涡流检测是一种以电磁感应为基础，通过测量被检测物内引起的涡电流的变化，对导电材料及其工件的特性进行无损评价和发现缺陷的无损检测方法。 当载有交变电流的试验线圈接近导体试验片时，线圈产生的交变磁场的作用会诱发涡流，涡流的大小、相位和流动的形状会受到试验片的性能和有无缺陷的影响，涡流的反作用会使线圈的阻抗发生变化。 因此，通过测量线圈阻抗的变化，可以推测被试验片的性能变化和有无缺陷。

二、影响因素分析

根据干式变压器特点以及涡流检测原理,影响因素主要包括励磁线圈尺寸、频率、环氧树脂层厚度、导线材质、线材的宽度和厚度及干式变压器工作温度。此外,工作温度超过70℃时,电涡流传感器的灵敏度才会显著降低。而干式变压器是在常温下检测,因此工作温度的影响暂不予以考虑,但必须考虑线宽对检测的影响。

三、涡流检测系统的设计思路

变压器导线采用的铜材、铝材或铜铝合金材料均属于导体材料。当导体位于可变磁场中时，会产生感应电流，并且由于铜导体材料和铝导体材料之间的电导率差异，在同样线宽的条件下，当把涡流探头从空气中放置到变压器线圈上时，阻抗信号会在相同的线宽条件下从点A移至点B；如果线圈是铝，阻抗信号从点A传递到点C。AB段和AC段的值和角度不同，并且线圈的铜铝材料可以根据AB段附近或AC段附近的特征相位变化进行推断。但是，在不同的线宽条件下，小口径铜线圈基本上符合高精度铝线圈的特性，当铜线圈的线宽大大小于铝线圈的线宽时，铝线圈导线的特征相位甚至还大于铜线圈导线特征相位。容量相同的干式变压器使用的卷线规范因结构而异，如果卷线宽度的影响无法消除，则很难根据铜铝材料来识别因此，在设计干式变压器铜铝线涡流检测系统时，该组考虑使用线圈线宽度和特性相这两个变量来确定铜和铝材料。系统设计:首先测量受控干式变压器线圈导体宽度；然后检测线圈的特征相位；最后，比较了实验室比较样品的线宽和特征阶段，确定了线圈导体的铜铝材料。

四、涡流检测设计

涡流检测器的基本原理是:信号发生器产生替代电流来给检测线圈供电；线圈产生变压器磁场并检测零件中的涡流；涡旋受到零件性能的影响；线圈阻抗随后发生变化；检测到的零件信息信号由选择经调理电路处理信号后，将信号发送给变换器A-D进行高速采样，转换后的数字信号发送给DSP进行相位检测、滤波和旋转等处理。ARM9 嵌 入 计 算 机 对DSP 送来的信号信息进行进一步处理, 最终在屏幕上铜铝材质特征相位, 仪器设计框图如图1 所示。给出特征参数计算公式, 干式变压器导线材质鉴别采用的特征相位探头线圈的平均半径约为 2 mm。。此外，峰谷原理的形成不一致，是由于在铜铝线上移动涡旋探测器时，线的中点和边缘产生的自旋强度，即两峰之间的距离等于线的宽度，并且设计了线圈宽度检测探测器。卷筒宽度探头由高频钢笔探针和编码器两部分组成，软件是在LabVIEW的基础上编写的。为保证检测灵敏度，线圈宽度探头测量线圈直径为1.5mm，频率范围为50 ~ 500 kHz，编码器规格为2000P/R，旋转轮直径为40mm。开发的涡流仪器及探头如图 2所示。

图 1　仪器设计框图

图 2干式变压器涡流检测仪

五、探头激励线圈尺寸、频率对特征相位影响分析

关于变压器电线材料识别要求，采用半径理论计算的探针励磁线圈值为2mm，试验频率为5221Hz。因此，为了寻找探针励磁线圈的尺寸和频率对特征相位的影响规律，笔者分别对3mm、10 mm、30mm和40mm尺寸的探针进行了检测，检测频率分别为3000Hz、8000Hz、10kHz和25kHz，检测仪器采用某电子有限公司生产的涡流检测仪，试样根据干式变压器排列方式采用亚力克板粘接铜铝线材，亚克力板厚度为5mm，铜铝试样规格列式为宽度×厚度。

六、现场检测

利用开发的涡流检测器对中国主要干变压器制造商生产的不同类型干变压器进行现场检测，所检测的53台干式变压器覆盖全部变电容量。由于篇幅所限，本文件仅列出其中四种型号。仪表参数:频率2915Hz，增益30dB，相位230°，前增益20dB，探头直径17mm。SCB10-2000/10、SCB11-1000/10、SCB11-800/10和SCB10-63和SCB10-630等干式变压器线圈材料由现场检测确定，与制造商提供的线圈材料相对应。而其余49台干式变压器经现场检测判断的线圈材质也与厂家提供的线圈材质相符，由此验证了本文开发的涡流检测系统可准确检测出干式变压器线圈铜铝材质。

结束语

1)针对当前干式变压器线圈材质鉴别难题,本文提出了基于电磁涡流原理的干式变压器线圈材质鉴别方法,只需要在干式变压器环氧树脂表层处放置涡流探头,无须直接接触变压器内部线圈,不会对变压器绝缘等产生破坏性影响,是一种新的无损检测方法。2)建立以铜铝线材特征相位、线圈导线宽度为变量的检测分析方法,同时开发出专用变压器涡流检测仪,并找出铜铝线材线宽与特征相位关系规律。3)经现场验证,本方法鉴别准确性高,仪器操作简单,检测时间短,具有较高的工程应用价值。

参考文献

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