配电变压器线圈材料非解体鉴别的铜铝线圈x射线比对方法

配电变压器线圈材料非解体鉴别的铜铝线圈x射线比对方法

一些电气压力厂采用铝铬线压力压力装置，使线圈体积和阻力增加，给压力压力装置带来能耗，增加供电成本，缩短压力压力装置的使用寿命。由于变压器线圈绕组有绝缘层包裹,在不解体的状态下,通过电气试验和目测无法对线圈材质进行鉴别,除非对线圈进行破坏取样,进行金属化学分析才能鉴别。笔者就配电变压器线圈材料非解体鉴别的铜/铝线圈X射线比对方法进行探讨,通过均匀遮敝物中铜/铝X射线衰减规律及配电变压器铜/铝模拟线圈X射线衰减规律的试验,给出了用于X射线材质鉴别的对比数据。1u3000变压器油道配电变压器一般由铁芯、绕组(线圈)、油箱和变压器油以及其他部分组成。(1)铁芯:变压器主磁通经过的磁路部分,用0.35mm的硅钢片或非晶合金涂绝缘漆后叠压、卷压而成。(2)绕组(线圈):变压器的电路部分,用绝缘的铜线或铝线制成,并用绝缘材料构成线圈和纵绝缘,使线圈固定在一定位置,形成纵横向油道,便于变压器油流动,加强散热和冷却效果。(3)油箱和变压器油:由钢板焊接而成,油箱内除放置变压器器身外,其余空间充满变压器油,有冷却绝缘和灭弧作用。(4)其他部分:讯号温度计、铭牌、吸湿器、油表、安全气道、气体继电器、高压套管、低压套管、分接开关、放油阀、小车、接地螺栓。在配电变压器试验检验工作中,在非解体状态下,配电变压器一般作绝缘电阻测量、交流耐压试验、泄漏电流测定、测绕组直流电阻等预防性试验,对于配电变压器绕组(线圈)的材料,则无检测手段。对于密闭的配电变压器,由于变压器内部结构不连续,除了射线检测外,没有其他手段能感知变压器的内部结构。对非解体的配电变压器检测,可以使用X射线、γ射线检测方法,但从安全性和可实施性方面考虑,X射线是检查配电变压器内部构造的最佳选择。配电变压器型号很多,绕组(线圈)结构的工作原理决定了低压线圈在里面,高压线圈在外面。由于目前便携式X射线机功率有限,X射线无法穿透低压线圈,仅能用于高压线圈的检测。2u3000x-ct对比X射线在穿透物质时,会发生光电效应、康普顿效应、电子对效应、瑞利散射四种现象。穿透的射线强度会减弱,射线强度的衰减规律符合指数规律。当宽束、多色的X射线穿透物质时,X射线的强度为式中:ue00c为平均衰减系数,与X射线能量、穿透物质种类及厚度有关;n为散射比,与穿透物质厚度、形状、环境反射等因素有关;I3铜、铝的x射线衰减规律要解决配电变压器线圈材质非解体鉴别的X射线技术,必须掌握铜、铝的X射线衰减规律,找到铜、铝的X射线衰减差异。结合配电变压器结构特点,笔者在实验室条件下进行了配电变压器油箱及绝缘介质中铜、铝的X射线衰减规律试验,探索了铜、铝的X射线衰减差异。3.1油剂及变压器环境散射面试块实验室铜、铝阶梯试块X射线检测工艺布置如图1所示,铜、铝阶梯试块置于钢等厚试块上。钢等厚试块用于模拟变压器油箱及绝缘介质,试块四周用铅板屏蔽环境散射线。实验室X射线透照选用爱克发D4型X射线胶片,增感屏前后屏均为0.15mmPb,X射线透照工艺焦距F为700mm、曝光量为20mA/min,X射线透照工艺参数及钢等厚试块厚度与工艺编号对应关系如表1所示。3.2u3000铜阶梯试块x射线底片的制备分别使用工艺I、II、III、IV对厚度范围为10~50mm的纯铜阶梯试块进行X射线检测,经过暗室处理(显影5min、定影15min)后得到4张铜阶梯试块X射线底片,底片编号分别为270kVFe10Cu10-50(工艺I)、320kVFe10Cu10-50(工艺III)、270kVFe20Cu10-50(工艺II)、320kVFe20Cu10-50(工艺IV)。3.3工艺大小的影响分别使用工艺I、II、III、IV对厚度范围为10~50mm的纯铝阶梯试块进行X射线检测,经过暗室处理(显影5min、定影15min)后得到4张10~50mm铝阶梯试块X射线底片,底片编号分别为270kVFe10Al10-50(工艺I)、320kVFe10Al10-50(工艺III)、270kVFe20Al10-50(工艺II)、320kVFe20Al10-50(工艺IV)。分别使用工艺I、II、III、IV对厚度范围为60~100mm的纯铝阶梯试块进行X射线检测,经过暗室处理(显影5min、定影15min)后得到4张60~100mm铝阶梯试块X射线底片,底片编号分别为270kVFe10Al60-100(工艺I)、320kVFe10Al60-100(工艺III)、270kVFe20Al60-100(工艺II)、320kVFe20Al60-100(工艺IV)。3.4u3000铝阶梯试块的黑度测量利用黑白密度计,分别对阶梯试块影像底片270kVFe10Al10-50、270kVFe10Al60-100、320kVFe10Al10-50、320kVFe10Al60-100、270kVFe20Al1050、270kVFe20Al60-100、320kVFe20Al10-50、320kVFeu300020Al60-100的各个阶梯试块进行黑度测量,并填入铝透照厚度黑度表,如表2所示。3.5u3000铜透照厚度黑度测量利用黑白密度计,分别对270kVFe10Cu10-50、320kVFe10Cu10-50、270kVFe20Cu10-50、320kVFe20Cu10-50的阶梯试块影像底片进行黑度测量,并填入铜透照厚度黑度表,如表3所示。3.6u3000铜、铝阶梯试块x射线透照厚度曲线(1)将铝透照厚度黑度表(表2)中黑度低于0.3的值去掉,取常用对数,生成铝透照厚度黑度常用对数表,如表4所示。(2)将铜透照厚度黑度表(表3)中黑度低于0.3的值去掉,取常用对数,生成铜透照厚度黑度常用对数表,如表5所示。(3)将铝透照厚度黑度常用对数表(表4)和铜透照厚度黑度常用对数表(表5)的数据绘制在一张铜/铝阶梯试块X射线透照黑度常用对数—透照厚度曲线图(图2)中,得到270kVFe10Al、270kVFe20Al、320kVFeu300010Al、320kVFe20Al四条铝X射线衰减曲线,270kVu3000Fe10Cu、270kVFe20Cu、320kVFe10Cu、320kVFe20Cu四条铜X射线衰减曲线。图中4条铝的黑度常用对数—透照厚度曲线接近为直线,斜率的100倍约为-1.0;图中4条铜的黑度常用对数—透照厚度曲线接近为直线,斜率的100倍约为-3.7。通过以上试验数据分析可得出,铜/铝阶梯试块,不管遮蔽的钢板厚度为10mm还是20mm,透照的X射线能量为270kV还是320kV,铝的黑度常用对数—透照厚度曲线的平均斜率的100倍约为-1.0,铜的黑度常用对数—透照厚度曲线的平均斜率的100倍约为-3.7。以此可以推论,均匀遮蔽钢板(配电变压器油箱及绝缘介质)中的物体X射线透照底片黑度常用对数—透照厚度曲线的平均斜率,与物体本身性质有关,与均匀遮蔽的钢板厚度、X射线能量相关性不大;X射线对铜的穿透能力远小于对铝的穿透能力。4铜/铝阶梯试块x射线衰减规律研究三相配电变压器的铁心及线圈结构因型号、生产厂家的不同而不同,但线圈都多为形状不太规则的椭圆形筒体,350kV以下便携式X射线探伤机的X射线无法从正面穿透或上下穿透变压器线圈,即使X射线从线圈与铁心间隙穿过,由于X射线无直接穿透线圈,不能根据散射的X射线引起的线圈影像来推算线圈的X射线穿透厚度,也就无法进行线圈材质鉴别。所以用X射线以一定小角度穿透线圈筒体端角,并利用线圈筒体端角接近直角来计算线圈的X射线透照厚度差,如图3所示,就可以进行线圈材质鉴别。在均匀遮蔽物中铜/铝X射线衰减规律研究试验中,所用铜/铝试块为阶梯试块,X射线底片各个试块阶梯影像黑度大致均匀,黑度测量误差较小。但在实际的配电变压器线圈X射线透照中,X射线底片上线圈影像黑度变化梯度大。而黑白密度计的测量光孔直径一般不小于1mm,这就造成线圈影像黑度测量值是测量点附近光孔范围黑度的平均值,而非该点的真实黑度值。实际线圈影像黑度常用对数—透照厚度曲线与铜/铝阶梯试块黑度常用对数—透照厚度曲线相差较大,即铜/铝阶梯试块黑度常用对数—透照厚度曲线不能用于实际的配电变压器线圈材质鉴别X射线透照比对。根据配电变压器线圈材质鉴别X射线检测的实际情况,使用3,4mm厚钢板,100mm×20mm×200mm等厚铜试块,100mm×20mm×200mm等厚铝试块,应用实际配电变压器线圈材质鉴别X射线工艺进行配电变压器模拟线圈X射线检测,如图4所示。X射线胶片经过暗室处理(显影5min、定影15min)后形成配电变压器模拟铜线圈底片和配电变压器模拟铝线圈底片。使用测量光孔直径为1mm的专用黑白密度计进行黑度测量,并将黑度测量点位置数据和黑度值输入计算机,得到黑度1.50~2.15区间黑度常用对数—透照厚度曲线比对图,如图5所示。经计算机计算,铝模拟线圈底片影像的黑度常用对数—透照厚度曲线的平均斜率的100倍约为-0.62,铜模拟线圈底片影像的黑度常用对数-透照厚度曲线的平均斜率的100倍约为-2.71。绝对值都小于相应阶梯试块的黑度常用对数透照厚度曲线的平均斜率的100倍的绝对值。5物质变压器油在实际的配电变压器线圈材质鉴别X射线透照工作中,X射线需要穿透的物质有油箱钢板、变压器油、绝缘纸、线圈等。其中绝缘纸厚度较小,对X射线衰减的影响可以忽略不计;但钢、变压器油对X射线衰减的影响比较大,为此做了1个钢阶梯试块X射线试验和1个变压器油的X射线透照试验。5.1u3000钢阶梯试块x射线透照厚度黑度测量使用透照工艺III对10~50mm的钢阶梯试块进行透照,经过暗室处理(显影5min、定影15min)后得到1张10~50mm钢阶梯试块X射线底片,底片编号为320kVFe10-50,经用黑白密度计进行黑度测量,数值处理得到320kV的X射线透照钢厚度黑度常用对数表(表6)和320kV的X射线透照钢阶梯试块黑度常用对数—透照厚度曲线图,如图6所示。5.2u3000变压器油黑度检测按照工艺III和图3对一台完整的矩形油箱配电变压器下端角进行X射线检测,利用直角三角形原理计算变压器油X射线透照厚度和变压器油箱钢透照厚度,经过暗室处理(显影5min、定影15min)后得到1张配电变压器端角X射线底片,底片编号为320kVFeOil,经用黑白密度计进行黑度测量、数值处理得到320kV的X射线透照变压器油透照厚度黑度常用对数表(表7)和320kV的X射线透照变压器油黑度常用对数—透照厚度曲线图,如图7所示。5.3x-射线胶片黑度的叠加当用X射线检测多层物质时,X射线穿透某层物质后其X射线强度为假设在每一层物质都放有X射线胶片,则任一层胶片的黑度D将带入后有对(4)式两边取常用对数式(6)可以解释为,X射线穿透第n层物质后的X射线胶片黑度的对数值等于前面n-1层胶片黑度对数值线性叠加。5.4u3000透照厚度黑度根据表6中320kV的X射线钢透照厚度黑度常用对数表可以导出320kV的X射线透照钢的黑度常用对数与透照厚度的关系式(7),根据式(7)计算的320kV的X射线透照钢计算黑度如表8所示。利用公式(7),可以在表5铜透照厚度黑度常用对数表中求出320kV的X射线透照钢板和铜的黑度常用对数与透照厚度的关系式(8),根据式(8)计算320kV的X射线透照钢加铜计算黑度如表9所示。利用式(7),可以在表4铝透照厚度黑度常用对数表中求出320kV的X射线透照钢板和铝的黑度常用对数与透照厚度的关系式(9),根据式(9)计算320kV的X射线透照钢加铝计算黑度如表10所示。利用式(7),可以在表6铝透照厚度黑度常用对数表求出320kV的X射线透照钢板和变压器油的黑度常用对数与透照厚度的关系式(10),根据式(10)计算的320kV的X射线透照钢加变压器油计算黑度如表11所示。把式(7),(8),(9),(10)代入相应的表格进行计算验证,误差不大,由于散射X射线的影响无法计算,适当的误差是允许的,不影响变压器铜/铝线圈的材质比对。5.5透照黑度计算用320kV的X射线按图3对配电变压器下端角或线圈横向进行X射线透照,X射线穿透的物质分别为变压器油箱钢板、变压器油、线圈,根据多层物质X射线透照黑度变化规律假设,可以先将线圈假设为铜或铝,根据透照工艺数据分别进行变压器线圈影像黑度计算,计算公式组分别如下:铝线圈将按式(11),(12)计算的黑度值与测量黑度进行比较,最接近公式组(11)值的线圈材质为铜,最接近式(12)值的线圈材质为铝。上述方法已在配电变压器检测工作中得到验证和应用。在实际配电变压器非解体线圈材质鉴别X射线检测工作中,需要考虑散射线的影响,消除散射线的影响需要根据具体配电变压器进行修正。6对铜的穿透能力的影响(1)配电变压器中物体X射线透