王恒 郑伟 安楠 李浪 李阳 付生磊 韩楚龙

摘要：设计了一种基于Seebeck效应的配电变压器绕组材质鉴别装置，主要实现在不对配电变压器采取拆卸外壳的情况下测量分析，从而确定配电变压器绕组材质为铜、铝或“铜包铝”的目的。

关键词：配电变压器;绕组材质;Seebeck效应;热电动势;

Abstract：A kind of distribution transformer winding material identification device based on Seebeck effect is designed， which can determine the distribution transformer winding material to be copper， aluminum or "copper clad aluminum" by measuring and analyzing without disassembly of the distribution transformer.

Key words：Distribution Transformer;Winding material;Seebeck effect;Thermoelectric EMF;

引言

配电电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压的设备。当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。变压器绕组是变压器的重要部件，变压器工作在高电压大电流的环境下，绕组会承受巨大的压力，这就需要绕组具有较强的机械强度、导电性能、短时过载以及抗短路能力。绕组材料一般有铜与铝。与铜芯相比，铝芯有抗氧化耐腐蚀、重量轻以及价格便宜的特点，但在国家日益强调节能、环保的环境下，铜芯具有能耗低、电阻率低、电压损失低以及发热低的优点更加符合电网的要求。

为了避免出现铝芯变压器流入电网，给电网安全运行带来危害，就需要对变压器的绕组材质进行鉴别。除吊罩解体、破坏绕组绝缘进行检测外，还可以通过X射线法、温度系数法、参数对比法等。但由于设备限制以及对比参数复杂度高等问题，这些方法实际操作起来人力、时间成本过大。

本论文设计一种基于 Seebeck 效应的配电变压器绕组材质鉴别装置。可以在不破坏变压器外壳的情况下以极低的操作成本完成对变压器绕组材质的鉴别。

1 Seebeck效应原理分析

Seebeck效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。

变压器某一项绕组可简化成图1所示，如下图。

其中V1-T1为变压器进线端铜排，V0-T0为变压器出线端铜排。变压器铜排部分材料一般为紫铜，且裸露在外可以直接辨别。T1、T0为变压器绕组与铜排连接点。由简化图可以看出绕组与铜排部分构成了简单的两种不同电导体线路。当对V1点进行加热，因为铜排相对绕组长度较短，经过一段时间加热，T1节点温度会升高。热量通过绕组以后，由于绕组体积较大且变压器外壳也会进行散热，热量不足以令T0点温度上升，T0节点温度等同于V0且与当时所处环境温度一致。此时便达成了Seebeck效应所需要的两种不同电导体且具有温度差的条件，V1与V0便会产生热电动势，从而产生电势差V10 ，且V10 的具体大小将会由绕组材质与铜排材质的具体Seebeck系数差值以及温度差决定。常温下，铜、铝的 Seebeck 系数理论值分别为 3.1387μV/K和1.8779μV/K。经过实验数据对比，温差在70-80℃时，铜铝材质的回路热电势已有明显差异。

2 绕组材质鉴别装置具体设计

结合装置设计需要，整理所得装置各部分模块需求如图2。

该装置基于Seebeck效应设计，变压器本身已经具有导体基础，这里采用加热圈直接贴附铜排螺柱对变压器铜排进行加热。加热温度必须可控，以便控制导体两端温度差保持在一个合理范围内便于采集准确的数据，因此这里采用温度控制模块来控制加热圈的实时加熱功率，确保准确控制电导体温度差。在可控的温度差范围内，所产生的热电势值较小，对采集到的热电势值分别采用电感、电阻、电容构成无源滤波电路及运算放大器构成的二阶有源滤波电路对干扰进行削弱和滤除，保证热电势信号测量的准确性，再由精密仪用差分放大器及运算放大器构成有源放大电路对μV级电势差进行放大，温度漂移及非线性度低，各级电路偏移均可调。变压器进线端以及出线端温度需要可视化，因此需要有两个传感器来测量这两个节点的温度。

综上所有的控制及数据的采集最终由中央控制单片机进行分析判断，将测量的具体数值结果通过显示屏幕直观显示，方便使用人员直接得出结论。

3 装置测试数据

根据论文所述方法，研制出基于Seebeck效应的配电变压器绕组材质鉴别装置。选取数台使用率最高的50kVA和100kVA两种容量的变压器，其中混有铝制绕组以及铜制绕组的变压器。在不确定绕组材质的情况下，使用所研制装置分别对其进行实地测试。所得结果如下表1所示。

对所得测试结果表格进行制图处理，以方便直观显示数据特点。所得装置测量结果对比折线图，如图3。

从图三中，可以看出，变压器100A、100B、100C、100D、50C、50D折线图基本重合，由装置理论基础可判断，其绕组材质相同。变压器50A和50B折线图基本重合，可判断其绕组材质相同。经后期确认后，50A、50B绕组材质为铝制，其余变压器均为铜质。由图三知，铝制绕组变压器测量值明显大于铜质绕组变压器。其中50B测量值在温度较低部分折线与铜质变压器折线有重合部分，这是由于加热端与冷端温差过低造成。理论推断，铜质绕组变压器所得热电势测量值不应发生变化或基本不变，而图三中，测量值仍有较大变化。这是由于变压器裸露铜排螺柱有金属镀层的缘故，另外由于铜质纯度的不同也会造成测量值产生误差。这种误差在温差较大的情况下可以忽略。

装置的实地测试结果表明，该装置测试结果可靠，且铜质与铝制所得测量结果在温差足够的情况下差异明显，可有效避免误判。

3 结语

本论文研制一套基于Seebeck 效应的便携式变压器绕组材质鉴别装置，装置操作简单，在不破坏变压器原本结构的情况下，以最小的人力、时间成本鉴别变压器绕组材质。经过实验数据以及实际变压器测量结果显示，本装置可以实现准确判断变压器绕组材质。该装置的研制，避免了“以铝代铜”的变压器流入电力系统，为电网的安全稳定运行提供了保障，减少了供电公司的经济损失，为工业和居民用电提供保障。