CN106353370A - 一种配电变压器绕组材质无损检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种配电变压器绕组材质无损检测装置及方法。装置包括采集传感器、信号调理电路、信号采集卡、检测计算机、检测控制器、放电回路和电源模块。本发明可方便变电运维人员对变压器绕组材质进行检测并实现无损测量，防止不法供应商以铝充铜，确保入网配电变压器产品质量。本发明成果应用后，一方面可提高配电变压器的寿命和稳定性，进一步可全面推广覆盖国家电网配电网系统的配电变压器准入检测工作，直接和间接效益明显。一方面，可有效提高变电运维人员的工作效率及管理水平。另一方面，可以及早发现问题，提高供电可靠性，从根本上保证了电网安全、可靠运行，经济效益显著。

Description

一种配电变压器绕组材质无损检测装置及方法

技术领域

本发明属于电力设备材质检测技术领域，特别是涉及一种配电变压器绕组材质无损检测装置及方法。

背景技术

配电网是电网的重要组成部分，而配电变压器在配电系统中承担着电压变换、电能分配和转移的重要任务，因此其能否安全可靠运行对保障配电系统的稳定运行具有重大意义。由于铜具有优良的机械性能和电气性能，因此是传统的导电材料，也是变压器绕组的主要来源。但是，由于世界上铜的市场价格较高，促使不法商贩利用铝导线来冒充铜导线或者在铜导线中掺入铝。由于铝导线熔点较低、导电性差、抗短路能力弱、机械强度小并且其焊接难度非常大，这往往会对变压器的安全运行产生很大的影响。因此，必须遏制不法商贩以铝充铜的行为。要遏制这种行为首先要能有效经济地检测出配电变压器材料是否含有铝，为此，将配电变压器绕组材质无损检测技术作为国家电网公司的一项重要研究内容，以保障我国电力系统安全、稳定、高效运行，有着重要的意义。

由于利用铝绕组和铜绕组的电气性能非常相近，因此很难在不损坏配电变压器的条件下区分出变压器的绕组材质，另外，大部分厂家生产的配电变压器的绕组是经过烤漆处理的，这使得对其区分难度更大，这也是为什么大部分变压器是在其绕组烧断后才得以了解其绕组材质的原因。而配电变压器的售价非常高，因此如果对其进行破坏性的检测将会产生非常大的经济代价。而在理论上可以用铜和铝在传热性能、导电性以及质量等特性上对配电变压器的绕组材质进行区分的。

无损检测技术，因其能够在不破坏被测对象内部结构和保证实用性能的前提下，对被测对象内部或表面的物理性能、状态特性进行检测，并判断被测对象是否合格，而具有很强的应用性。目前，国际上较为成熟的无损检测方法主要以材料电磁性能的变化作为判断依据。对材料及构件实施缺陷检测和性能测试的一类方法统称为电磁检测技术。这种检测技术以电磁基本原理为理论基础，主要包括涡流法、磁粉法、漏磁法、微波法、电流扰动法、巴克豪森噪声法、磁记忆法、太赫兹法、电磁超声法和涡流热成像法等。航空、航天、铁路、核电、新材料等领域的快速发展为无损检测既提供了很好的机遇，同时也提出了极大的挑战。放眼国内外，瞬态式电磁检测技术是最具发展前景的一类无损检测技术，具有检测速度快、深度大、灵敏度高、频谱宽、易定量等优势，在金属和复合材料的检测评估中扮演着非常重要的角色。但目前尚未发现配电变压器绕组材质的无损检测方法及装置方面的报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种配电变压器绕组材质无损检测装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供的配电变压器绕组材质无损检测装置包括：采集传感器、信号调理电路、信号采集卡、检测计算机、检测控制器、放电回路和电源模块；其中：采集传感器依次通过信号调理电路和信号采集卡与检测计算机连接，检测计算机与检测控制器连接，检测控制器分别与放电回路和电源模块连接，采集传感器、放电回路和电源模块分别与待测变压器连接。

所述的采集传感器由多个霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器组成，嵌入在变压器绕组内部。

所述的信号调理电路为多路模拟信号滤波整形电路。

所述的信号采集卡为多路模数转换电路。

所述的检测计算机为一台检测专用微型计算机。

所述的检测控制器为由单片机构成的微控制器电路，其通过RS232串口与检测计算机连接。

所述的电源模块为可控直流电源，采用蓄电池。

本发明提供的利用配电变压器绕组材质无损检测装置的无损检测方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)利用采集传感器上的多个霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器分别采集待测变压器绕组上各采样点的模拟电压、电流及温度信号，然后传送给信号调理电路，由信号调理电路对上述信号进行滤波调理，然后传送给信号采集卡；之后由信号采集卡将上述信号调理电路传送的模拟信号转换成数字信号并传送给检测计算机；

步骤2)检测计算机利用信号采集卡传送的电压、电流值计算出不同温度下的电阻值R，然后利用某一采样点任意两个不同温度及该温度下的电阻值R采用下式计算出该采样点的一个电阻温度系数Ki：

$Ki=\frac{R_{\mathrm{\θ}}t-R_t\mathrm{\θ}}{R_t-R_{\mathrm{\θ}}}$

式中，R_θ为环境温度为θ℃时的绕组电阻值；R_t为环境温度为t℃时的绕组电阻值；

改变温度并重复上述计算而得到一系列某一采样点的电阻温度系数Ki。

步骤3)利用下式对上述各采样点的所有电阻温度系数Ki进行平均加权处理，由此获得待测变压器上绕组的电阻温度系数K：

$K=\frac{A_1}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_1+\frac{A_2}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_2+...+\frac{A_n}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_n,(n=2,3,4...)$

其中，

步骤4)检测计算机参照其内部预先存储的标准铜的电阻温度系数K_铜和标准铝的电阻温度系数K_铝对上述计算出的电阻温度系数K进行判别，如果228≦K≦235，则判定出待测变压器上绕组的材质为纯铜；如果217≦K≦224，则判定出待测变压器上绕组的材质为铝或含铝较多；

步骤5)检测计算机将上述判定结果进行存储，以供有关人员进行分析。

本发明提供的配电变压器绕组材质无损检测装置及方法的有益效果：

可方便变电运维人员对变压器绕组材质进行检测并实现无损测量，防止不法供应商以铝充铜，确保入网配电变压器产品质量。本发明成果应用后，一方面可提高配电变压器的寿命和稳定性，进一步可全面推广覆盖国家电网配电网系统的配电变压器准入检测工作，直接和间接效益明显。一方面，可有效提高变电运维人员的工作效率及管理水平。另一方面，可以及早发现问题，提高供电可靠性，从根本上保证了电网安全、可靠运行，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明提供的配电变压器绕组材质无损检测装置结构图；

图2为本发明提供的配电变压器绕组材质无损检测方法流程图。

图3为本发明中某变压器高压侧绕组电阻随温度变化理论曲线。

图4为某变压器高压绕组温度自然降温曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的配电变压器绕组材质无损检测装置及方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的配电变压器绕组材质无损检测装置包括：

采集传感器1、信号调理电路2、信号采集卡3、检测计算机4、检测控制器5、放电回路6和电源模块7；其中：采集传感器1依次通过信号调理电路2和信号采集卡3与检测计算机4连接，检测计算机4与检测控制器5连接，检测控制器5分别与放电回路6和电源模块7连接，采集传感器1、放电回路6和电源模块7分别与待测变压器8连接。

采集传感器1由多个霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器组成，其安装位置可根据被测变压器8的绕组特点，选择合适位置嵌入在变压器绕组内部，用于采集待测变压器8绕组上各采样点的电压信号、电流信号和温度信号；

信号调理电路2为多路模拟信号滤波整形电路，用于对采集传感器1的输出信号进行滤波调理，然后传送给信号采集卡3；

信号采集卡3为多路模数转换电路，用于将信号调理电路2传送的模拟信号转换成数字信号，采用NI公司的高精度多路同步数据采集卡，然后传送给检测计算机4；

检测计算机4为一台检测专用微型计算机，其上运行由LabVIEW软件和G语言程序构成的检测控制程序，用于对信号采集卡3传送的数字信号进行数值计算和保存，并在显示器上显示出诸如电压、电流、温度以及铜、铝含量的百分比在内的测试结果，以方便判断和记录；

检测控制器5为由单片机构成的微控制器电路，其通过RS232串口与检测计算机4连接，用于根据检测计算机4的命令，控制放电回路6和电源模块7完成自动测试的工作；

放电回路6用于释放变压器停运后，冷却油流动、摩擦以及变压器运行中非正弦分量产生的谐波或其他干扰电源产生的剩余电荷。避免因上述原因导致直流电阻测量时的无规律变化；

电源模块7为可控直流电源，采用蓄电池，由于直流电源输出电压存在波动，这样会影响测量结果的准确性，采用电源模块7能够显著降低输出电流的纹波。

如图2所示，本发明提供的配电变压器绕组材质无损检测装置所采用的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)利用采集传感器1上的多个霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器分别采集待测变压器8绕组上各采样点的模拟电压、电流及温度信号，然后传送给信号调理电路2，由信号调理电路2对上述信号进行滤波调理，然后传送给信号采集卡3；之后由信号采集卡3将上述信号调理电路2传送的模拟信号转换成数字信号并传送给检测计算机4；

步骤2)检测计算机4利用信号采集卡3传送的电压、电流值计算出不同温度下的电阻值R，然后利用某一采样点任意两个不同温度及该温度下的电阻值R采用下式计算出该采样点的一个电阻温度系数Ki：

$Ki=\frac{R_{\mathrm{\θ}}t-R_t\mathrm{\θ}}{R_t-R_{\mathrm{\θ}}}$

式中，R_θ为环境温度为θ℃时的绕组电阻值；R_t为环境温度为t℃时的绕组电阻值；

改变温度并重复上述计算而得到一系列某一采样点的电阻温度系数Ki。

步骤3)利用下式对上述各采样点的所有电阻温度系数Ki进行平均加权处理，由此获得待测变压器8上绕组的电阻温度系数K：

$K=\frac{A_1}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_1+\frac{A_2}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_2+...+\frac{A_n}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_n,(n=2,3,4...)$

其中，

对离散点的电阻温度系数进行逐项平均加权，可以消除异方差对参数估计的影响。

步骤4)检测计算机4参照其内部预先存储的标准铜的电阻温度系数K_铜和标准铝的电阻温度系数K_铝对上述计算出的电阻温度系数K进行判别，如果228≦K≦235，则判定出待测变压器8上绕组的材质为纯铜；如果217≦K≦224，则判定出待测变压器8上绕组的材质为铝或含铝较多；

步骤5)检测计算机4将上述判定结果进行存储，以供有关人员进行分析。

实施例：

图3为本发明某变压器高压侧绕组电阻随温度变化理论曲线，但在实际测试中，受实际测试环节测试仪器和人为操作等因素影响，实际测试的曲线将不会为线性变化，例如图4为某变压器高压绕组温度自然降温曲线。在分析实测数据时，可以利用本发明中所提出的方法做如下处理。

根据各已知电阻值求得各温度系数，对各温度系数进行震荡衰减排列，K下标为奇数次时，为最大值的降序排列；K下标为偶数次时，为最小值的降序排列即：最大值为K₁，最小值为K₂，第二大值为K₃，第二小值为K₄，以此类推。

K₁＝250,K₂＝215,K₃＝245,K₄＝220,K₅＝240,K₆＝225,K₇＝235,K₈＝234

A₁＝0.143,A₂＝0.167,A₃＝0.200,A₄＝0.250,A₅＝0.333,A₆＝0.500,A₇＝5.000

$K=\frac{215\×0.143+245\×0.167+220\×0.200+240\×0.250+225\×0.333+255\×0.500+234\×5.000}{6.593}$

计算求得K＝233.285，由此可判定，该绕组材质为铜。

Claims (8)

1.一种配电变压器绕组材质无损检测装置，其特征在于：所述的配电变压器绕组材质无损检测装置包括：

采集传感器(1)、信号调理电路(2)、信号采集卡(3)、检测计算机(4)、检测控制器(5)、放电回路(6)和电源模块(7)；其中：采集传感器(1)依次通过信号调理电路(2)和信号采集卡(3)与检测计算机(4)连接，检测计算机(4)与检测控制器(5)连接，检测控制器(5)分别与放电回路(6)和电源模块(7)连接，采集传感器(1)、放电回路(6)和电源模块(7)分别与待测变压器(8)连接。

2.根据权利要求1所述的配电变压器绕组材质无损检测装置，其特征在于：所述的采集传感器(1)由多个霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器组成，嵌入在变压器绕组内部。

3.根据权利要求1所述的配电变压器绕组材质无损检测装置，其特征在于：所述的信号调理电路(2)为多路模拟信号滤波整形电路。

4.根据权利要求1所述的配电变压器绕组材质无损检测装置，其特征在于：所述的信号采集卡(3)为多路模数转换电路。

5.根据权利要求1所述的配电变压器绕组材质无损检测装置，其特征在于：所述的检测计算机(4)为一台检测专用微型计算机。

6.根据权利要求1所述的配电变压器绕组材质无损检测装置，其特征在于：所述的检测控制器(5)为由单片机构成的微控制器电路，其通过RS232串口与检测计算机(4)连接。

7.根据权利要求1所述的配电变压器绕组材质无损检测装置，其特征在于：所述的电源模块(7)为可控直流电源，采用蓄电池。

8.一种利用权利要求1所述的配电变压器绕组材质无损检测装置的无损检测方法，其特征在于：所述的无损检测方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)利用采集传感器(1)上的多个霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器分别采集待测变压器(8)绕组上各采样点的模拟电压、电流及温度信号，然后传送给信号调理电路(2)，由信号调理电路(2)对上述信号进行滤波调理，然后传送给信号采集卡(3)；之后由信号采集卡(3)将上述信号调理电路(2)传送的模拟信号转换成数字信号并传送给检测计算机(4)；

步骤2)检测计算机(4)利用信号采集卡(3)传送的电压、电流值计算出不同温度下的电阻值R，然后利用某一采样点任意两个不同温度及该温度下的电阻值R采用下式计算出该采样点的一个电阻温度系数Ki：

$Ki=\frac{R_{\mathrm{\θ}}t-R_t\mathrm{\θ}}{R_t-R_{\mathrm{\θ}}}$

式中，R_θ为环境温度为θ℃时的绕组电阻值；R_t为环境温度为t℃时的绕组电阻值；

改变温度并重复上述计算而得到一系列某一采样点的电阻温度系数Ki。

步骤3)利用下式对上述各采样点的所有电阻温度系数Ki进行平均加权处理，由此获得待测变压器(8)上绕组的电阻温度系数K：

$K=\frac{A_1}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_1+\frac{A_2}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_2+...+\frac{A_n}{A_1+A_2+...A_{n-1}}{K}_n,(n=2,3,4...)$

其中，

步骤4)检测计算机(4参照其内部预先存储的标准铜的电阻温度系数K_铜和标准铝的电阻温度系数K_铝对上述计算出的电阻温度系数K进行判别，如果228≦K≦235，则判定出待测变压器(8)上绕组的材质为纯铜；如果217≦K≦224，则判定出待测变压器(8)上绕组的材质为铝或含铝较多；

步骤5)检测计算机(4)将上述判定结果进行存储，以供有关人员进行分析。