變壓器發熱試驗自動測試平臺的開發

許 毅，萬 鐳，陸 斌，蔡振峰,2

（1. 上海市質量監督檢驗技術研究院電子電器家用電器質量檢驗所, 上海 201114；2. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學與工程系, 上海 200030）

引言

測試工程師和管理人員所面臨的最大挑戰之一是需要不斷跟上最新的測試發展趨勢。目前精密儀器供應商的測試設備許多都支持計算機編程，也內置了可拓展的接口插槽和數據輸出輸入、存儲配備，為使用方進行二次開發提供了必要的硬件基礎。但檢測機構的工程師基本以完成檢測任務為主業，對于自動化檢測的重視程度不夠，能進行軟硬件研究和設備開發的人員也相對缺乏，檢測設備基本依賴從設備供應商直接采購，并由廠家提供對應的操作軟件和使用方法培訓，對設備的理解多停留在基本功用的層面上，對其內部構成、如何進行通信和控制并不深究，而這些隸屬不同國家、地域和供應商的不同性能作用的設備，其編碼方式和接口配置有很大不同，這就為檢測實驗室進一步研究開發自動化測試平臺增加了障礙。

對于附件產品的檢測，檢測產品數量和種類多，且即使是單一檢測項目的流程通常也較復雜，需要多臺設備構成電路回路（如電源、負載等）與測量設備（如數據采集儀、萬用表等熱電參數測量儀器等）組合使用，集成度低下。因此，針對自動化檢測和校準、數據分析以及工程控制等方面進行系統集成，通過構建以軟件為核心的模塊化系統架構幫助工程師們以創新的思維進行二次開發，滿足用戶自定義的需求，提高測試效率、減少人員使用率，是附件檢驗室當前發展的必然趨勢和提升批量業務能力的首要任務。

本文按照變壓器認證標準GB 19212.1 （IEC 61558-1）《電力變壓器、電源、電抗器和類似產品的安全第1部分：通用要求和試驗》[1][2]中型式試驗的關鍵項目-發熱試驗的一般要求，針對溫升試驗中最廣泛使用的熱阻法和離線測試法，開發了一套自動化測試平臺。

1 GB 19212.1(IEC 61558-1)和發熱試驗

GB 19212.1 （IEC 61558-1）認證標準[1][2]主要是針對干式變壓器、電源（包括開關型電源）和電抗器進行型式試驗，其繞組可以是包封式或非包封式，適用類型包括駐立式或移動式、單相或多相、空氣冷卻（自冷或風冷）、獨立用或配套用的、不構成配電網絡一部分的如：①隔離和安全隔離變壓器；②分離變壓器、自耦變壓器、調壓器和小型電抗器；③電源和開關型電源；裝有一個或多個①類或②類變壓器；也包括④額定輸出不超過1000VA、繞組額定最高工作溫度不大于140℃（tw140）的帶tw標志的變壓器。

關于變壓器溫升（即發熱試驗），標準GB 19212.1（IEC 61558-1）第14章[1][2]一般要求，是用以確保在正常使用時，變壓器及其支承件的溫度不得過高。其中構成變壓器的各個繞組的發熱是決定變壓器溫升的主要因素。

2 發熱試驗的測試過程

發熱實驗的主要測試過程詳述如下[1][2][3]：

2.1 設定參數

1）根據待測變壓器的額定輸入電壓和頻率（如：AC 230V，50/60Hz）設定可編程交直流電源EC1000S的輸出電壓和頻率；

2）根據待測變壓器的額定輸出電壓和功率(如：AC55V，130W)，設定電子負載ZSAC1426的電壓和功率，并將操作模式設為恒阻模式。

2.2 冷態電阻和初始環境溫度采集

在關閉EC1000S輸出狀態下，通過數據采集儀34970A采集環境溫度t1和此時的變壓器的冷態電阻R1。

2.3 判斷電流穩定值

打開EC1000S輸出，接通回路，讀取電子負載ZSAC1426的實時電壓值，待電流穩定后，記錄該穩定電流值I，并關閉電源EC1000S輸出，回路斷開。

2.4 重新設定參數

1）將電子負載ZSAC1426設定了恒流模式，電流值為上述測得的穩定電流值I；

2）將可編程交直流電源EC1000S的電壓提高10%。

2.5 判斷溫度穩定值（初判）

重新打開EC1000S輸出，接通回路；

通過數據采集器34970A實時監測繞組溫度變化（或延長一段時間），初步判斷繞組溫度是否穩定，待溫度穩定后，進入第二次電壓穩定判斷。

2.6 第二次電壓穩定判斷

讀取電子負載ZSAC1426的實時電壓值，并判斷穩定點，待電壓穩定后，關閉電源EC1000S和ZSAC1426。

2.7 采集電阻值

回路斷開后，用34970A采集此時的環境溫度t2；并每隔一個相等的時間間隔（2s），用34970A采集繞組的電阻值，連續讀取10個點，擬合得到時間-電阻曲線，通過線性回歸法外推算出斷電時變壓器的熱態電阻值R2。

2.8 計算溫升

通過上述測得的t1、t2、R1和R2，應用電阻-溫升公式計算繞組溫升：

式中， Δt —高于t2溫升，最高溫度就等于 Δt + t2；

R1—在環境溫度為t1下，試驗開始時的電阻；

R2—當達到穩定狀態時，試驗結束時的電阻；

圖1 自動測試平臺的設備連接示意圖

K—對銅234. 5，對鋁225；

t1—試驗開始時的環境溫度；

t2—試驗結束時的環境溫度。

3 自動測試平臺的硬件部分

3.1 使用測試設備與互連

現有測試設備是目前所在試驗室進行變壓器繞組溫升試驗所須3種儀器設備：可編程電源EC1000S（配備1臺）、程控交直流電子負載ZSAC1426（配備4臺）、數據采集儀34970A（配備1臺，四端法電阻和熱電偶2塊數據采集卡）；連接示意如圖1所示。

3.2 硬件開發

自動測試平臺的硬件部分主要涉及：各臺分立測試設備與工控機之間實現通信連接信道、控制信道與數據采集等部件、集成控制繼電器電路的配套與安裝。

1）實現多臺現有測 試設備的不同接口（包括RS232、USB、IEEE488等）與工控計算機之間通信與數據傳輸的硬件連接，進行安裝與運行，滿足標準測試過程中實時通信及數據傳輸的要求。

2）擴展性：控制接口與電路連接可為今后多路測試的情況進行預留（以4路次級輸出的并行測試作為基本硬件實現）；

圖2 變壓器自動系統的集成控制模塊組硬件設計圖紙

3）安全性：未斷開、電流或電壓過載、溫度超過限值等錯誤和特殊情況下能保證測試儀器不被損壞，主控電路具備基本安全防護（斷電保護和過溫保護）。

完成主控電路的構建和配套安裝，滿足測試過程中各流程功能實現的硬件要求，實現各臺測試設備間的自動控制與電路切換，就需要開發一個變壓器自動系統的集成控制模塊組，基本硬件設計見圖2。

4 自動測試平臺的軟件部分

軟件方面，采用LabVIEW（Laboratory Virtual instr-ument Engineering）軟件開發平臺，LabVIEW是一種圖形化的編程語言，被工業界、學術界和研究實驗室所接受，是一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW 集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232 和RS-485 協議的硬件和數據采集卡通信的全部功能。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程和使用過程形象直觀。

實現各臺分立測試設備與工控機之間的通信接口驅動與控制信令，上位機主程序包括：軟件總流程及用戶界面設置、自動控制模塊、數據分析處理模塊、數據后處理模塊及輔助功能模塊。

1）實現各臺分立測試設備與工控機之間的接口通信與控制，在工控機上完成各設備的分立可視界面，可分別控制已連接設備的電路通/斷、電壓電流等輸出開/關，以及電參數的人工設置與輸入、電流監測、溫度監測、數據采集時間設置、數據輸出與存儲等操作（以現有技術水平保證最終系統運行效率達到驗收標準的基礎上，某些時間節點可采用手動輸入與計算機自動控制相結合的方式）。

2）根據測試過程中每個環節的功能要求完成各流程的軟件模塊，最終主程序能夠實現兩次穩定點的時間判定、測試設備參數自動重設、溫度穩定后數據自動采集、回歸算法調用、數學回歸計算，以及最終繞組溫升求值。

3）以4路次級輸出線圈的同時測試作為基本實現，用戶操作界面可實現本次測試樣品的數量選擇（單樣品或對稱式雙樣品）及樣品對應結構選擇（不同輸出路數（≤4）作為選項），并根據客戶的選項，配置對應的軟件模塊、流程，以及實現對應硬件的控制。

圖3 自動測試平臺的流程圖

4）系統管理終端實現流程實時監測和查看功能，用戶界面設置為在節點時間客戶可自行選擇自動或手動方式的自由切 換：對自動化流程進行到哪一步可以隨時進行查看，方便測試工程師進行必要的人工干預，同時方便其掌握和調整試驗進度。

5）主程序的管理終端具備過程數據的顯示和圖表生成功能，根據出具測試報告所需提供原始數據的要求，設置報告格式，將檢測試驗中采集到的有效數據顯示并存儲，作為試驗的原始記錄生成報告并打印；未錄入報告的其它過程數據仍執行后臺存儲，且能實現測試過程結束后隨時調用和輸出。

6）控制信道為今后多路測試情況進行預留，軟件系統具備可升級、兼容性和多路重置性。

7）自動測試平臺完成的主要環節與詳細流程設置見圖3。

5 自動測試平臺的應用

目前，實驗室全人工測試時，一個變壓器繞組的溫升試驗少則4個小時，多則8個小時以上，占用了大量的試驗人力。同時由于人員在設備設置、個人操作習慣、對標準理解程度，對設備熟悉程度等方面存在的差異，導致試驗結果的不確定度高，試驗結果一致性差等問題。該自動測試系統平臺通過初步的調試和試驗驗證，能大幅提高在繞組溫升項目檢測的準確性和檢測效率：

1）檢測效率提高：目前該系統可對兩個變壓器樣品（單試樣或雙試樣，最大4路次級輸出）并行測試，較大程度上縮短了人員在線時間，預留控制端口也為未來更多樣品的并行測試埋下進一步開發的潛在性，提高了設備使用率。

2）準確度提高：采用文獻[4]的不確定度評定方法和項目，比對手動測試的試驗案例，對冷態電阻的誤差、延時引起的誤差、熱態電阻的誤差，以及重復性等多方面的不確定度來源，采用自動測試系統平臺的過程都較大地降低了誤差量值，因此，其合成標準不確定度可顯著降低。詳細的驗證過程和推導計算會在后續文章中給出。

6 結語

目前國內很多基礎檢測領域的自動化流程開發處于起步階段，檢測中往往最常用的設備是基礎物理層設備，比如交直流電源與電子負載等，這些設備的專業供應商幾乎都配備通用數據接口（如GPIB總線、RS232總線、更好的USB接口等），為客戶應用進行簡單的二次開發預埋了潛在的途徑，然而這些可編程可控制的接口實際上真正被利用到的概率和被開發的程度都很低下。越是基礎的底層測試設備越有開發的價值，將多臺設備組建并掛接相應軟件成為“合成儀器”用以代替人力實現復雜檢測流程，所涉及的軟硬件領域越多，實現難度也越大。對于更熟悉標準流程的專業檢測機構而言，需要更加方便適用的模塊化軟件結構，來實現標準化、流程化的自動測試體系，對于這方面的研究工作，任重而道遠。本文研究開發的變壓器發熱試驗自動測試平臺，針對底層測試儀器研制，已驗證可提高測試的效率并減少人為誤差的產生，對基礎檢測領域的自動化測試體系研究提供了有效示范。

[1]GB 19212.1-2008, 電力變壓器、電源、電抗器和類似產品的安全 第1部分：通用要求和試驗[S].

[2]IEC 61558-1:2005, Safety of power transformers, power supplies,reactors and similar products-Part1: General requirements and tests[S].

[3]張紅,鄧雷.用熱阻法測量變壓器繞組的溫升[A]. 02 全國電工測試技術學術交流會論文集[C].2002:167-169.

[4]于玲,宮赤霄,王忠.電源變壓器溫升試驗中（繞組法）的影響因素及不確定度的評估[J].環境技術, 2008,02:36-40.