Automatic Test System for Transformer Insulation System Performance and Transformer Windings Temperature Rising

許　毅1　陸　斌1　樂　俊1，2

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院1,上?！?01114;上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院2,上海　200030)

變壓器絕緣系統(tǒng)性能與繞組溫升自動測試系統(tǒng)

Automatic Test System for Transformer Insulation System Performance and Transformer Windings Temperature Rising

許毅1陸斌1樂俊1，2

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院1,上海201114;上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院2,上海200030)

摘要：對GB 19212.1 (IEC 61558-1)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電子電路類變壓器產(chǎn)品中繞組溫升的型式試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了研究?；贚abVIEW圖形化編程環(huán)境，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)了一套智能自動化測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成包括試驗(yàn)設(shè)備控制、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測、定時(shí)采集與算法處理、試驗(yàn)方案保存與原始記錄生成等一系列功能。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了毫秒級物理斷開、同步切換和定時(shí)采集，克服了溫升試驗(yàn)中以往傳統(tǒng)人工測試的諸多不確定性，顯著減少了人員在線時(shí)間，有效保證了試驗(yàn)可復(fù)制性、結(jié)果一致性和可追溯性。

關(guān)鍵詞：變壓器繞組溫升發(fā)熱試驗(yàn)型式試驗(yàn)熱阻法

Abstract：The type test items about temperature rising of windings listed in GB 19212.1 (IEC 61558-1) for electronic circuit transformers are researched. Based on LabVIEW graphical programming environment, by using modular structure design, an intelligent automatic test system has been developed. A series of functions, including experimental equipment control, data analysis, real time monitoring, timing acquisition and algorithm processing, test schemes preservation and original record generation, etc., can be achieved by this system. The test results show that this system implements millisecond physical disconnection, synchronous switching and timing acquisition, and overcomes the uncertainty in traditional manual tests, and significantly reduce personnel time spent online, and effectively ensure the reproducibility, consistency and traceability of the test results.

Keywords：TransformerWindingTemperature riseHeat generation testType testThermal resistance method

0引言

作為電子電路中的重要零部件產(chǎn)品之一的變壓器，溫升是考核其技術(shù)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。溫升體現(xiàn)了變壓器絕緣材料的等級和絕緣系統(tǒng)的性能，影響著電子電路及其所構(gòu)成整機(jī)產(chǎn)品的使用性能和安全，是產(chǎn)品認(rèn)證進(jìn)行型式試驗(yàn)的主要測試項(xiàng)目。鑒于目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)備之間可集成度相對低下，而變壓器溫升試驗(yàn)流程的復(fù)雜度高且環(huán)節(jié)多，檢測實(shí)驗(yàn)室在不斷擴(kuò)展檢測業(yè)務(wù)和資質(zhì)所覆蓋產(chǎn)品范圍的同時(shí)，更要提升自身檢測能力。涉及測試設(shè)備的控制電路集成、檢測流程自動化程度的提高、工控機(jī)軟件的開發(fā)都勢在必行。

本文針對實(shí)驗(yàn)室較底層的、普遍、通用的試驗(yàn)儀器設(shè)備，也是構(gòu)成電路和性能檢測的基本設(shè)備(即交直流電源、電子負(fù)載、熱電數(shù)據(jù)采集設(shè)備等)進(jìn)行自動化測試平臺的構(gòu)建。基于LabVIEW圖形化編程環(huán)境，采用系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，開發(fā)了一套針對變壓器溫升試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)自動化控制與測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)嚴(yán)格遵循GB 19212.1(IEC 61558-1)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施細(xì)則的測試要求，采用熱阻法并使用離線測試和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，完成對變壓器繞組溫升的系列測試過程，并最終生成原始記錄文檔，以縮短測試周期、減少人員在線時(shí)間為目標(biāo)，服務(wù)于檢測實(shí)驗(yàn)室或變壓器生產(chǎn)廠商，使測試工程師能夠方便、快捷、準(zhǔn)確地完成檢測項(xiàng)目并出具檢測報(bào)告。

1絕緣材料與變壓器溫升

對于電子電路類變壓器的溫升檢驗(yàn)，適用標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)GB 19212.1(IEC 61558-1,IDT)《電力變壓器、電源、電抗器和類似產(chǎn)品的安全第1部分：通用要求和試驗(yàn)》[1-2]進(jìn)行，構(gòu)成變壓器的各個(gè)繞組的發(fā)熱情況是溫升試驗(yàn)的主要測試內(nèi)容。繞組熱點(diǎn)溫度的測試方法分為直接測量法和間接計(jì)算法。直接測量法必須在繞組內(nèi)埋設(shè)傳感器；對絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高且熱點(diǎn)位置難以確定，故一般考慮間接計(jì)算法。間接計(jì)算法可進(jìn)一步分為熱阻法(使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算)、熱電類比法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法等[3]。最常用也是國際電工委員會和國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的測量方式是熱阻法，其適用范圍廣，具有較好的普適性、可移植性和擴(kuò)展性，目前仍是檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行繞組溫升試驗(yàn)普遍采用的方法。熱阻法的原理是根據(jù)金屬導(dǎo)體材料的電阻會隨溫度的增加而增大，考慮在一定范圍內(nèi)，電阻值隨溫度的變化規(guī)律為某一簡單的函數(shù)關(guān)系[4]。由于使用熱阻法需要在直流測試電路中對各繞組的熱電阻值進(jìn)行測量，而變壓器輸入端為交流供電，因此目前廣泛使用的測試方式一般為離線測試，即在變壓器斷電后測量。此外，也有在線測試方法考慮將交流供電部分與直流測試線路隔離，基本原理是使用濾波電路。目前可用的設(shè)備多數(shù)只針對電機(jī)或電抗器等單線圈的情況進(jìn)行，對于變壓器產(chǎn)品的測試，只能適用于初級繞組的測量，對次級繞組的情況則不適用。

GB 19212.1(IEC 61558-1)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)主要是針對干式變壓器、電源(包括開關(guān)型電源)和電抗器進(jìn)行型式試驗(yàn)，其繞組可以是包封式或非包封式[1-2]。標(biāo)準(zhǔn)第14章(稱為“發(fā)熱”試驗(yàn))是用以確保在正常使用時(shí)，變壓器及其支承件的溫度不得過高。具體試驗(yàn)方法是根據(jù)絕緣系統(tǒng)各部(例如，骨架以及與繞組接觸的任何其他絕緣材料)的絕緣等級，檢驗(yàn)規(guī)定狀態(tài)下變壓器繞組等關(guān)鍵功能部件的溫升是否超過了最高限值溫度(即是否有局部過熱發(fā)生)，如外部外殼、手柄和類似零部件(若適用)、供外部導(dǎo)線用的端子和開關(guān)的端子、內(nèi)部和外部布線的絕緣、裂變可能會影響安全的材料零部件、支承件、印制電路板等各處。在試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，檢查電氣連接、密封情況、過載保護(hù)裝置狀態(tài)及爬電距離和電氣間隙不得小于規(guī)定值等，并以此確定變壓器在工作運(yùn)行狀態(tài)和超額定負(fù)載狀態(tài)下的熱狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集可分為兩部分：對變壓器外殼等其他部位的溫度可直接使用熱電偶進(jìn)行布點(diǎn)測量，而對于繞組部位的溫升使用間接測量電阻的方式[4]。關(guān)于繞組溫升的熱阻法離線測試[5]，一方面，采用直流測量其線圈(一般為銅質(zhì))的電阻值時(shí)需切斷變壓器輸入端的交流電源，且由于繞阻有較大的時(shí)間常數(shù)，在斷電后需經(jīng)過一定的延時(shí)后(由變壓器的重量決定)才能準(zhǔn)確讀數(shù)。另一方面，繞組的溫度與電阻值從切斷電源時(shí)便開始下降，因而要獲得斷電瞬時(shí)的熱態(tài)電阻值，需使用數(shù)學(xué)回歸算法(俗稱外推法)。具體步驟是在變壓器發(fā)熱達(dá)到溫度穩(wěn)定后，斷開電路，在相等的時(shí)間段內(nèi)(一般30~60 s)多次快速測量繞組熱態(tài)電阻值(采樣時(shí)間間隔應(yīng)不大于2 s)，再將測得的相當(dāng)點(diǎn)數(shù)的電阻離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(以時(shí)間為橫軸，電阻值為縱軸，擬合成一條指數(shù)變化的平滑曲線)，將得到的時(shí)間-電阻變化曲線使用數(shù)學(xué)回歸算法延伸，得到斷電時(shí)刻的熱態(tài)電阻值，將冷、熱態(tài)電阻值代入經(jīng)驗(yàn)公式中，計(jì)算繞組的最終溫升值。由于被測繞組在剛斷電的短時(shí)間內(nèi)，溫度變化斜率較大，可近似看作是線性下降，因此使用線性回歸算法進(jìn)行簡化就可方便推算出斷電瞬時(shí)的阻值。

2自動測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)架

2.1　構(gòu)成測試電路的儀器設(shè)備與連接

構(gòu)成自動化測試系統(tǒng)的硬件控制設(shè)備包括工控機(jī)和自行開發(fā)研制的集成化繼電器的控制模塊組(命名為“變壓器測量控制單元”)。

本系統(tǒng)是以實(shí)現(xiàn)2個(gè)同型號的變壓器受試樣品(device under test，DUT)(4路次級輸出)并行測試為基本配備，檢測實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)自身設(shè)備配備情況和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展。

測試設(shè)備的選用包括：可編程交直流電源(如EC1000S，日本NF)，為變壓器初級繞組提供交流輸入電壓和頻率設(shè)定；交流電子負(fù)載(如ZSAC1426，德國H&H)4臺，用于向并行測試的2個(gè)變壓器DUT的4個(gè)次級繞組提供負(fù)載，構(gòu)成回路，同時(shí)也能監(jiān)測和輸出次級輸出電路的部分電參數(shù)；數(shù)據(jù)采集儀(如34970A，Agilent)并配置3塊數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)字功率計(jì)(如WT210，橫河儀器)，用于監(jiān)測和輸出變壓器初級電路的電參數(shù)(該設(shè)備是為開發(fā)“短路和過載保護(hù)”試驗(yàn)的自動化測試而預(yù)留，在發(fā)熱試驗(yàn)中非必備)。

各測試設(shè)備與工控機(jī)計(jì)算機(jī)、變壓器測量控制單元、變壓器受試樣品之間基本測試連接的示例如圖1所示。系統(tǒng)可支持測試設(shè)備的多種擴(kuò)展接口，包括RS-232、USB、GPIB、RS- 485等。

圖1　自動測試系統(tǒng)測試設(shè)備的基本連接示例圖

2.2　自動測試系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)

變壓器自動測試系統(tǒng)中控制電路的詳細(xì)配套與安裝設(shè)計(jì)如圖2硬件接線圖所示。變壓器測量控制單元由兩塊繼電器驅(qū)動板(圖2中驅(qū)動板1、2)和另外4組短路繼電器(圖2中BJ1~4)構(gòu)成，其中4組短路繼電器是為本系統(tǒng)融入和進(jìn)一步開發(fā)變壓器“短路和過載保護(hù)”試驗(yàn)的自動化測試而設(shè)置和預(yù)留的，用于次級繞組短路。

整個(gè)自動測試系統(tǒng)的軟件部分安裝在工控機(jī)上，而作為重要控制部件的變壓器測量控制單元，是一個(gè)類似黑盒子的集成組件。該組件可根據(jù)工控機(jī)的控制指令進(jìn)行多個(gè)繼電器的同步切換與組合，實(shí)現(xiàn)對各測試設(shè)備的輸出打開或關(guān)閉，以及監(jiān)測、采集信道的接通或斷開，從而完成不同測試功能與全部流程。檢測工程師只要根據(jù)外部接線說明連接電路和對應(yīng)信道即可，工控機(jī)軟件將會根據(jù)流程自動完成內(nèi)部驅(qū)動與配置。

圖2　自動測試系統(tǒng)的硬件接線圖

3自動測試系統(tǒng)的軟件構(gòu)架

自動測試系統(tǒng)的配套軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　自動測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖

4自動化測試操作流程

發(fā)熱試驗(yàn)過程的主要環(huán)節(jié)[4]均參照和遵循標(biāo)準(zhǔn)GB 19212.1(IEC 61558-1,IDT)[1-2]及其實(shí)施細(xì)則的技術(shù)要求進(jìn)行。自動化測試系統(tǒng)完成的具體操作流程設(shè)置如圖4所示。

圖4　自動測試系統(tǒng)的發(fā)熱試驗(yàn)操作流程圖

本文僅以系統(tǒng)對單試樣即1個(gè)變壓器DUT(1路輸出)進(jìn)行試驗(yàn)的簡單情況作為例子說明，雙試樣及多路輸出的情況均可參照復(fù)制。

4.1　試驗(yàn)準(zhǔn)備

4.1.1試驗(yàn)方案配置

將待測變壓器樣品DUT接入供電回路，輸入端連接可編程交直流電源，輸出端連接電子負(fù)載，構(gòu)成回路。同時(shí)完成測量電路的連接，配置3塊數(shù)據(jù)采集卡(其中第3塊板卡在連接好測試電路后不需手動配置，在整個(gè)自動測試流程中將由工控機(jī)指令自動配置完成)。

采集卡1(熱電偶板卡)：功用是采集環(huán)境溫度和變壓器繞組及支承件等布點(diǎn)處的溫度。配置該板卡即對試驗(yàn)區(qū)域的環(huán)境溫度和變壓器可直接測量溫度的位置進(jìn)行布點(diǎn)。環(huán)境溫度布點(diǎn)要在離樣品有一定距離而不會對溫度讀數(shù)有影響的位置處；在變壓器其他部分(除繞組外)可直接測量溫度的位置，如外殼、支承件表面、絕緣材料最熱點(diǎn)等，粘貼熱電偶，測量其溫度值即可。熱電偶的選擇和安放的位置要使其對被測部分的溫度影響最小(對熱電偶測量點(diǎn)的具體要求參見標(biāo)準(zhǔn)GB 19212.1/IEC 61558-1[1-2]規(guī)定)。同時(shí)，本系統(tǒng)特別要求在各輸入和輸出繞組上盡可能靠近線圈最熱點(diǎn)的位置粘貼熱電偶。所采集數(shù)據(jù)將作為溫度穩(wěn)定第一次初步判定的依據(jù)，用以減少判定時(shí)間和采集頻次。

采集卡2(電阻測量板卡)：功用是采集變壓器初次級繞組的電阻值(四端法測量)。配置該板卡即選擇被測繞組的電阻測試點(diǎn)進(jìn)行預(yù)置。特別注意，對于帶有電容或電阻的電路類型，需將測試斷路點(diǎn)選在繞組引線的兩端，避免電路中電容電阻等對該繞組自身阻值測量的影響。

采集卡3(控制板卡)：功用是采集“變壓器測量控制單元”內(nèi)各繼電器吸合或斷開的開關(guān)量(自動配置)。

完成上述試前的硬件連接和配置后，在工控機(jī)上完成對應(yīng)的軟件配置，即在工控機(jī)軟件中，根據(jù)變壓器樣品的類別，選擇所屬類型、設(shè)置試驗(yàn)樣品的個(gè)數(shù)；在“試驗(yàn)方案”界面上，進(jìn)行變壓器信息設(shè)置(錄入樣品型號、計(jì)算和錄入變壓器的額定輸入和輸出參數(shù)、絕緣材料等級等)、電子負(fù)載配置(試驗(yàn)使用ZSAC1426臺數(shù)、與變壓器對應(yīng)繞組的連接編號)和數(shù)據(jù)采集儀溫度采集部分的設(shè)置(熱電偶布點(diǎn)部位名稱與采集通道的標(biāo)定、該部位的要求限溫(參見標(biāo)準(zhǔn)GB 19212.1/IEC 61558-1表1[1-2])、程序是否對該通道的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和穩(wěn)定判斷，并寫入保存。

4.1.2聯(lián)機(jī)

將工控機(jī)上安裝的自動測試系統(tǒng)和測試設(shè)備進(jìn)行通信軟連接，對所有設(shè)備初始化設(shè)置，確保各設(shè)備正常聯(lián)通。

4.1.3采集冷態(tài)值

用數(shù)據(jù)采集儀34970A采集變壓器DUT中待測繞組未開始發(fā)熱時(shí)的冷態(tài)電阻值R1，并同時(shí)采集此時(shí)的環(huán)境溫度t1。

試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，開始發(fā)熱試驗(yàn)。

4.2　額定負(fù)載下測量穩(wěn)定電流

4.2.1設(shè)定電路額定參數(shù)(恒阻)

根據(jù)待測變壓器的額定輸入?yún)?shù)(如AC 230 V,50 Hz)設(shè)定電源EC1000S的輸出電壓和頻率；將電子負(fù)載ZSAC的操作模式設(shè)置為恒阻模式，并設(shè)定該負(fù)載為在額定輸出電壓以及在額定功率因數(shù)(對交流電流)下能產(chǎn)生額定輸出的阻抗，即將電阻值設(shè)定為根據(jù)待測變壓器的額定輸出參數(shù)(如SS VAC,130 W)計(jì)算出的電阻值23.27 Ω。

4.2.2判斷電流穩(wěn)定

電源EC1000S和電子負(fù)載ZSAC輸出打開，接通回路，實(shí)時(shí)采集電子負(fù)載ZSAC的電壓值，并進(jìn)行電流穩(wěn)定判斷(恒阻模式下，電壓穩(wěn)定即為電流穩(wěn)定)。判斷穩(wěn)定方法是電子負(fù)載ZSAC在1 min內(nèi)采集6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(10 s/次)，6個(gè)點(diǎn)的最大值和最小值之差若小于0.01 V，則視為輸出端電流已穩(wěn)定。

4.2.3讀電流穩(wěn)定值

讀取此時(shí)的電流值I，作為變壓器輸出端的電流穩(wěn)定值。電源EC1000S和電子負(fù)載ZSAC輸出關(guān)閉，斷開回路。

4.3　穩(wěn)定電流下測量繞組溫升

4.3.1重新設(shè)定電路參數(shù)(恒流)

將電源EC1000S電壓升高10%(1.1Un)，其余參數(shù)保持不變?？紤]到供電電網(wǎng)的電壓時(shí)常會有波動，升高試驗(yàn)電壓的目的是考核變壓器產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，超出額定范圍10%的電壓上浮不會造成設(shè)備超溫故障。將電子負(fù)載ZSAC的操作模式修改為恒流模式，電流值設(shè)定為上一步采集的穩(wěn)定電流I。此后，電路無需再作改變。設(shè)定完畢后，電源EC1000S和電子負(fù)載ZSAC輸出打開，接通回路。

4.3.2監(jiān)測布點(diǎn)溫度

根據(jù)“試驗(yàn)方案”中設(shè)置的監(jiān)測通道，監(jiān)測試驗(yàn)中變壓器上布點(diǎn)的溫度變化情況，以溫度監(jiān)測表和曲線圖記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4.3.3初步判斷溫度穩(wěn)定

根據(jù)“試驗(yàn)方案配置”中設(shè)置的判斷通道，判斷該通道采集的溫度是否達(dá)到穩(wěn)定，方法為數(shù)據(jù)采集儀34970A在1 min內(nèi)采集6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(10 s采集一次)，1 min內(nèi)采集數(shù)據(jù)的最大值和最小值之差小于0.1 K，則初步判定為溫度基本穩(wěn)定。溫度穩(wěn)定后，電源EC1000S和電子負(fù)載ZSAC輸出關(guān)閉，斷開回路。

4.3.4間歇工作循環(huán)測定

電源EC1000S和電子負(fù)載ZSAC輸出打開，接通回路，系統(tǒng)將通電時(shí)間設(shè)定為15 min(可根據(jù)樣品實(shí)際情況調(diào)整)。時(shí)延結(jié)束后，電源EC1000S和電子負(fù)載ZSAC輸出關(guān)閉，斷開回路，進(jìn)行“采集電阻、計(jì)算溫升”步驟。

4.3.5最終判斷溫度穩(wěn)定

通過往復(fù)進(jìn)行間歇工作(通電15 min)循環(huán)測定(采集電阻計(jì)算溫升)的方法，直到變壓器達(dá)到精確穩(wěn)定狀態(tài)。連續(xù)3次“間歇工作循環(huán)測定”后，對計(jì)算得到繞組溫度(Δt+t2)的差值進(jìn)行判斷。當(dāng)變壓器上各繞組3次測量結(jié)果的溫差均小于1 K時(shí)，則判定變壓器DUT已達(dá)到溫度穩(wěn)定；否則，重復(fù)進(jìn)行 “間歇工作循環(huán)測定”步驟3次，直至判定溫差均小于1 K，試驗(yàn)結(jié)束。

將最后一次“間歇工作循環(huán)測定”中所采集電阻計(jì)算得到的溫升數(shù)據(jù)結(jié)果作為變壓器待測繞組的發(fā)熱試驗(yàn)最終數(shù)據(jù)。

4.4　數(shù)據(jù)處理

4.4.1采集熱態(tài)值

每隔一個(gè)相等的時(shí)間間隔(2 s)，采用數(shù)據(jù)采集儀34970A采集繞組的電阻值，連續(xù)采集10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，同時(shí)采集此時(shí)的環(huán)境溫度t2。

4.4.2時(shí)間-電阻離散值擬合

將采集的10個(gè)電阻值以時(shí)間關(guān)系擬合得到時(shí)間-電阻曲線，擬合算法庫設(shè)置為最小二乘法、最小絕對殘差、Bisquare 3種算法可選用(默認(rèn)設(shè)置為常用的最小二乘法)。

4.4.3線性回歸計(jì)算熱態(tài)電阻

根據(jù)時(shí)間-電阻擬合曲線，用數(shù)學(xué)回歸法(線性回歸)推算斷電瞬時(shí)變壓器繞組的熱態(tài)電阻值R2。

4.4.4經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算繞組溫升

由得到的環(huán)境溫度t1、t2、冷態(tài)電阻R1和最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的熱態(tài)電阻R2，根據(jù)電阻-溫升經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算繞組溫升：

(1)

式中：Δt為高于t2溫升，最高溫度就等于Δt+t2；R1為在環(huán)境溫度t1下試驗(yàn)開始時(shí)的電阻；R2為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)、試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的電阻；k為散熱系數(shù)相關(guān)，對銅k=234.5，對鋁k=225；t1為試驗(yàn)開始時(shí)的環(huán)境溫度；t2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的環(huán)境溫度。

如果試驗(yàn)區(qū)域的實(shí)測溫度與額定環(huán)境溫度有差異，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行修正后使用。本系統(tǒng)流程中預(yù)設(shè)的環(huán)境溫度修正值為25 ℃。

4.5　超溫和斷電驗(yàn)證保護(hù)

4.5.1超溫保護(hù)

超溫保護(hù)模塊用以判斷溫度是否超過限溫。從“監(jiān)測布點(diǎn)溫度”開始，啟動超溫保護(hù)程序，實(shí)時(shí)監(jiān)測熱電偶測得的布點(diǎn)溫度是否超過最初試驗(yàn)方案中設(shè)置的繞組絕緣材料能承受的最高限制溫度(由選用的絕緣材料等級確定)。一旦超出，試驗(yàn)結(jié)束。

4.5.2斷電驗(yàn)證保護(hù)

考慮到變壓器測量控制單元內(nèi)繼電器存在故障和動作未響應(yīng)的可能，斷開回路后，若次級繞組兩端仍存在交流電壓，會造成直流電阻測量儀器(即數(shù)據(jù)采集儀34970A)的損壞。因此在采集電阻之前，系統(tǒng)先采集電子負(fù)載上的電壓進(jìn)行判定，若電壓小于3 V，則表示變壓器上能量已被釋放，可進(jìn)行電阻值采集；否則判定繼電器可能故障，試驗(yàn)結(jié)束。

5基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境的軟件編寫

基于LabVIEW2012開發(fā)人機(jī)交互軟件程序，自動測試系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)熱試驗(yàn)的主程序界面庫包括：菜單欄(變壓器類型、操作、幫助)、試驗(yàn)列表、試驗(yàn)方案、初始測量、發(fā)熱試驗(yàn)及監(jiān)控界面等。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對電子電路類變壓器產(chǎn)品中繞組溫升的型式試驗(yàn)項(xiàng)目，研發(fā)了一套智能自動化測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

① 標(biāo)準(zhǔn)中繞組發(fā)熱試驗(yàn)的熱阻法實(shí)施過程要求以相等的時(shí)間間隔且迅速采樣(≤2 s)，采用計(jì)算機(jī)和集成控制電路使測試設(shè)備迅速進(jìn)入使能結(jié)構(gòu)，完成毫秒級物理斷開、同步切換和定時(shí)采集，能精確斷電時(shí)間、提高測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，克服了以往傳統(tǒng)人工測試的諸多不確定性，有效地保證了試驗(yàn)可復(fù)制性、結(jié)果一致性和可追溯性。

② 降低人為誤差概率，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。比對手動測試的試驗(yàn)案例，在冷態(tài)電阻的誤差、延時(shí)時(shí)間引起的誤差、熱態(tài)電阻的誤差以及重復(fù)性等多方面的不確定度來源方面[6]，采用該自動測試系統(tǒng)可明顯降低誤差量值，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可減少至少20%(詳細(xì)的演算和推導(dǎo)過程會在后續(xù)文章中給出)。

③ 輔助功能模塊保證安全性。系統(tǒng)主控電路具備基本安全防護(hù)，在電流或電壓過載、電路未斷開、溫度超過限值等錯(cuò)誤和特殊情況下，能保證測試儀器不被損壞。

④ 提高檢測效率。該系統(tǒng)具備多路重置性，目前將2個(gè)變壓器樣品并行測試作為基本配備，預(yù)留控制端口也為未來更多樣品的并行測試埋下進(jìn)一步開發(fā)的潛在可能性，可明顯提高測試設(shè)備使用率。特別在進(jìn)行同型號產(chǎn)品的批量測試時(shí)，更能凸顯其高效性。

⑤ 較大程度上縮短了人員在線時(shí)間。將檢測工程師從單一冗長且繁瑣的測試過程中解放出來，提高人員工作效率。

⑥ 降低對實(shí)驗(yàn)室工作人員的要求。采用類似黑盒子式的操作方式，使試驗(yàn)操作人員在不必深入理解設(shè)備底層情況下，也能通過調(diào)用計(jì)算機(jī)程序和簡單的初始配置來完成復(fù)雜的測試流程。

7結(jié)束語

本文所研發(fā)的電子電路類變壓器溫升自動測試系統(tǒng)，是針對實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)成電路回路的基礎(chǔ)設(shè)備(如電源、負(fù)載等)和通用測量設(shè)備(如數(shù)據(jù)采集儀、萬用表等熱電參數(shù)測量儀器等)所進(jìn)行的軟硬件開發(fā)，具備可擴(kuò)展性和可移植性，將為后期帶動實(shí)驗(yàn)室其他檢測試驗(yàn)項(xiàng)目的自動化流程與系統(tǒng)開發(fā)提供重要的技術(shù)支撐和有效示范。

目前，對該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步升級和擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)其他變壓器認(rèn)證試驗(yàn)項(xiàng)目，包括“空載輸出電壓、負(fù)載輸出電壓和輸出電流”和“短路和過載保護(hù)”(業(yè)內(nèi)俗稱“異?！痹囼?yàn))的測試流程，從而將變壓器產(chǎn)品型式試驗(yàn)中復(fù)雜度最高的3項(xiàng)重要試驗(yàn)全部自動化。該項(xiàng)工作已在進(jìn)行中。

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中圖分類號：TH73；TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507019

國家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號：2013BAK04B04)。

修改稿收到日期：2015-04-14。

第一作者許毅(1979-)，女，2009年畢業(yè)于上海交通大學(xué)通信工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，高級工程師；主要從事電子電器與家用電器質(zhì)量檢測等相關(guān)科技項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)化的研究。