基于LabVIEW的變壓器繞組發熱試驗自動測試軟件

蔡振峰，許 毅，陸 斌，萬 鐳，沈海舟

（1. 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；2. 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）

基于LabVIEW的變壓器繞組發熱試驗自動測試軟件

蔡振峰1,2，許 毅2，陸 斌2，萬 鐳2，沈海舟2

（1. 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；2. 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）

遵照變壓器認證標準GB 19212.1 (IEC 61558-1)中型式試驗的關鍵項目-發熱試驗的一般要求，針對試驗中最廣泛使用的熱阻法，并使用常見的離線測試方式和經驗公式代入計算法，編寫了一套基于LabVIEW開發環境的自動測試軟件，構建以圖形化軟件為核心的下一代自動化測試系統。

變壓器；型式試驗；繞組；溫升；發熱；熱阻法

引言

目前國內檢測實驗室配備的各測試儀器之間可集成度低下，自動化水平相比工業大生產的發展程度而言嚴重滯后。從80年代至今30年以來，國際上高精尖檢測機構的工程師們一直致力于用軟件定義的“合成”儀器開發各種自動化流程并拓展其在測量領域的應用。而驅動合成儀器完成自動化功能的重要軟件部分，其發展歷史則經歷了三個主要階段：早期儀器控制階段，以儀器驅動程序庫為主導；基于PC的虛擬儀器中期階段；現今的圖形化系統設計高級階段，為自動化測試系統提供更大的靈活性，縮短開發新系統或升級舊系統的時間，降低自動化測試系統平臺的研發成本，對專門從事認證檢驗的試驗室或生產企業出廠檢驗室而言，可起到減小測試系統物理體積、改善測試質量、降低人工誤操作率并延長系統使用壽命等作用。

隨著測試要求日漸復雜化，越來越多的測試工程師選擇采用圖形化軟件定義的模塊化系統架構，從而取得更大的靈活性、可移植性和可重配置性，同時花費更低的測試成本實現更好的性能表現。特別是附件產品檢測實驗室在此領域的自動化測試能力亟待進行相應的開發。作為電器產品中的重要零部件之一的繞組類產品，其工作過程中的溫升（也稱為“發熱”）直接影響了電器產品的性能和安全，是衡量電器產品質量和安全性能的重要指標。但是由于繞組部分的發熱試驗過程繁瑣，需要手動參與的環節較多，且需要考慮的參數變量較多，單臺檢測設備無法完成檢測，而不同生產廠家的各檢測設備的擴展接口、連接方式等均有較大差異，對儀器控制與自動化檢測流程的開發能力要求高而需求更加迫切。

1 繞組類產品溫升（發熱）試驗檢驗的現狀

繞組溫升標準一般推薦采用電阻值-溫度變化法（稱為熱阻法）測量，而直流電阻值的測量通常是通過斷開變壓器交流供電電路后，每隔一個相等的時間間隔讀取一次電阻值，連續讀取10個以上的數據點，而后擬合成一條時間-電阻的曲線，并推算出斷電時的線圈繞阻值的方法來確定的[1][2]。

主要測試設備中有電源部分、負載部分、四端法電阻測試電路、時間控制部分等部件組成。項目中，需要使用多種分立的電路構成和測試設備協同工作，共同搭建一個測試系統，不同的測試任務還可能需要變換試驗條件，試驗時工作電壓和輸出負載的設置，都因產品額定值的不同而不同，整套測試電路的配置、調試、設定復雜度高，手動操作效率低下；測試過程中電路的穩定點、熱點位置等都難以用人工控制和準確捕捉，目測的失誤率高，工程師人員在線時間長、自動性差，且測試結果中有效數據的采集、統計分析與處理都需手動進行，傳統方法造成測試結果的報告周期長且準確性差。

2 測試儀器的選用與互通

變壓器自動測試系統由自動測試軟件和硬件測試儀器組成。自動測試軟件可以實現與各臺硬件設備的通信、數據采集以及設備參數、輸入和輸出控制等功能；硬件設備包括一臺工控機和四種檢測設備。

可編程控制電源EC1000S：為變壓器初級繞組提供輸入電壓和電流；

圖1 變壓器繞組溫升自動化測試軟件的操作流程圖

數據采集儀34970A配置兩塊數據采集接口板：接口板1，采集環境溫度和變壓器上布點的溫度；接口板2，采集變壓器各個繞組的電阻（四端法）；

交流電子負載ZSAC1426(4臺)：為變壓器次級提供負載。

本系統是以實現兩個同型號的變壓器樣品（最多4路次級輸出）并行測試為基本配備，檢測實驗室可根據自身設備配備情況和業務需求進行相應擴展。

3 標準測試過程與自動化測試軟件的操作流程

針對電子電路類變壓器繞組的發熱試驗，主要環節的實現均參照和遵循變壓器認證標準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》[3][4]與實施細則的要求[5]進行，測試過程中軟件執行的主要操作流程見圖1。

軟件執行幾個判定穩定的方法如下：

1）判斷電壓穩定方法：34970A在1分鐘內采集6個數據點（10秒采集一次），6個點的最大值和最小值之差若小于0.01V，則視為電壓穩定，由于負載處于恒阻模式，因此電壓穩定即為標準要求的電流穩定，下一步可讀取穩定狀態的電流值。

2）初步判斷溫度穩定方法（熱電偶直接測溫）：34970A在1分鐘內采集6個數據點（10秒采集一次），6個點的最大值和最小值之差若小于0.1℃，則視為溫度初步穩定。

3）判斷溫度穩定方法（精確判定）：由于“初步判斷溫度穩定”是基于34970A熱電偶采集的數據進行判斷，不是繞組內部的確切溫度，因此增加“延時15分鐘”、“采集電阻計算溫升”和“判斷三次溫升差”的三個步驟來精確判斷繞組溫度是否達到穩定，也是熱阻法的基本原理所在。

4 自動測試軟件的上位機界面庫

“繞組溫升自動測試軟件”是基于LABVIEW 2012（Laboratory Virtual instrument Engineering）平臺進行開發的上位機，底層程序編寫采用了模塊化結構，測試過程中人機對話由十個主界面組成，分別為“登陸界面”、“測試主界面”、“設備連通測試界面”、“試樣選擇界面”、“變壓器參數設定界面”、“變壓器冷態電阻采集界面”、“電壓穩定判斷界面”、“溫度穩定判斷、溫度采集界面”、“變壓器電阻值采集、電阻擬合界面”、“數據保存界面”。

圖2 測試主界面

考慮到篇幅有限，僅給出主要設置和流程界面的展示，并簡要說明其中操作要點：

1）測試主界面

在登陸界面中，點擊“進入系統”即可進入測試主界面“繞組溫升自動測試系統”（如圖2所示）。測試主界面用于控制試驗流程、觀查試驗進度和顯示試驗數據等。

“儀器連通測試”：啟動儀器連通測試界面；

“變壓器參數設定”：啟動變壓器試樣選擇和參數設定界面；

“測量”：按照標準流程實現試驗的自動化；

“數據檢索”：試驗結束后，可檢索試驗數據，包括最后的電阻擬合曲線圖、回歸擬合采集點、試驗結果、最終溫度、各個時刻的溫度值；

圖3 試樣選擇界面

圖4 變壓器參數設定界面

“數據保存”：將試驗結果保存為EXCEL文檔。

2）變壓器試樣選擇、變壓器參數設定界面

點擊測試主界面的“變壓器參數設定”，可進入試樣選擇界面，如圖3所示。

本系統以單試樣（1路或2路輸出）或雙試樣（最高4路輸出）為標準配置，默認最多可控制四臺電子負載，對六類不同的變壓器進行繞組溫升試驗。這六類變壓器試驗配置分別是：單試樣時，1個次級線圈（1-1）、2個次級線圈（1-2）、3個次級線圈（1-3）、4個次級線圈（1-4）的情況；雙試樣時，每個試樣具有1個次級線圈（2-1），2個次級線圈（2-2）的情況。

點擊本次試驗的試樣類別，如“2-2”，可進入變壓器參數設定界面，如圖4所示。用戶需設定變壓器初級線圈的“輸入電壓”和“輸入頻率”，以及次級線圈“輸出電壓”、“輸出電流”、“輸出功率”，界面下方的選擇下拉菜單欄中可選擇變壓器次級線圈的參數輸入方式：“電壓/電流”或“電壓/功率”。點擊“輸入參數”，系統將會把參數設定到EC1000S和ZSAC1426中。對于“雙試樣”的情況，由于本系統的硬件設備中默認配備只有一臺電源EC1000S，因此本系統只適用于兩個變壓器的輸入電壓和輸入頻率一致的情況，即同一種型號變壓器樣品。根據試驗室自身配備情況，本系統可方便進行相應的同路復制與多路擴展。

3）冷態電阻采集界面

當儀器連通測試成功，變壓器參數設定完成后，即可開始試驗。點擊測試主界面中的“測量”，首先將進入冷態電阻采集界面，如圖5所示。

圖5 冷態電阻采集界面

根據數據采集儀34970A的功能要求，系統中作為基礎配備的一塊采集卡可允許10個通道同時使用四端法采集不同的電阻。對于不同的通道201～210，通過各自對應的“是否使用”按鈕可打開和關閉該通道。當使用某一通道時，打開按鈕，在“電阻值”一欄中將顯示該通道采集到的電阻值，用戶需在“名稱”一欄中手動輸入該電阻的名稱，名稱類型可按用戶需求隨意錄入。該界面中，用戶可根據需求自行設置電阻值的“采集頻率”，單位秒（數值n≥1）。待冷態電阻穩定后，點擊停止采集，系統將關閉冷態電阻采集界面，并進入下一步操作。

4）溫度穩定點判斷、溫度采集界面

第一次電壓穩定判斷完畢后，重新設定EC1000S和ZSAC1426的參數，電子負載之前的恒阻模式轉為恒流模式，系統通過34970A的熱電偶初步判斷繞組溫升的穩定點，并監測變壓器其它部位的溫度，溫度穩定點判斷、溫度采集界面如圖6所示。

溫度穩定判斷操作步驟：

第一步：“是否使用”可打開/關閉對應的通道，如果使用，點擊深綠色燈，打開該通道，即可在溫度監測界面中觀測到該通道的實時溫度值和不同時刻的溫度曲線圖；

第二步：從使用的通道號中選擇需要用來監測穩定的通道，如果該通道用于監測穩定，在對應的“是否監測穩定”一欄中將會出現小綠燈以作區別，待達到穩定后，小綠燈會變亮；

第三步：對使用的通道名稱不能為空，用戶需填寫該通道溫度監測對象，比如“環境溫度”，“初級繞組”，“次級繞組”等；

圖6 溫度穩定點判斷、溫度采集界面

第四步：啟動穩定判斷，當前面步驟設置完成后，必須啟動穩定判斷，顯示“正在判斷…”系統才開始判斷溫度穩定點。

“試驗定時”：當變壓器長時間都未能達到穩定時，系統后根據“試驗定時”的時間自動結束試驗，并自動進入一步，默認時間為4小時；

“變化率設定”：本系統溫度穩定判定標準是1分鐘內采集三十個溫度點，當這三十個點的最大值和最小值之差小于變化率時，即判定為穩定；

“采集點數”：一分鐘采集的進程，共30個點；

“啟動穩定判斷”：按下該鍵，變為“正在判斷…”后，系統開始進入溫度穩定判斷。

溫度曲線監測界面用于監測溫度值變化，用戶可通過左側數據框來監測20個通道實時溫度，以及不同時刻的溫度曲線。用戶可在曲線界面中點擊右鍵選擇“清除圖表”來清除全部的曲線圖，系統將從此時刻重新繪制溫度曲線。若用戶需要監測某一個通道的溫度曲線圖，可在右側圖例中點擊右鍵，隱藏其它通道曲線，只保留需要監測的通道溫度曲線。

5）電阻值采集、回歸擬合界面

第二次電壓穩定判斷完畢后，系統自動關閉EC1000S和ZSAC1426，斷開回路，進入電阻值采集、回歸擬合界面，如圖7所示。

電阻值采集時，每隔5秒采集一個電阻值，共采集10個電阻值，并調用回歸算法，得到回路剛斷開時的繞組熱態電阻值R2。

“擬合-原始數據”：用戶可通過下拉菜單選擇不同通道，在右側圖表中觀測每個通道的原始數據和擬合曲線；

圖7 電阻值采集、回歸擬合界面

“容差”：即置信區間設定，用戶可選擇不同的容差值以得到不同準確度的擬合曲線；

“方法”：用戶可選擇不同的擬合方法來進行電阻值的數據擬合，本軟件設置有三種方法可選，分別為“最小二乘法”、“最小絕對殘差”、“Bisquare”。其中，默認采用、也是最常被使用的就是最小二乘法。

5 結語

本工作針對電子電路類變壓器產品的繞組發熱試驗，開發了一套智能自動化測試軟件。該自動化測試軟件旨在建立以計算機為控制中心的自動測試系統，利用相應的工程軟硬件技術，后期進一步結合儀器控制技術，最終實現數據實時監測、定時采集及數據后處理的全自動測試。其實現效果是可減少人員在線時間，將檢測工程師從單一冗長且繁瑣的測試過程中解放出來，提高測試效率，降低人為誤差概率，提高測試的準確性，服務于檢測實驗室或變壓器生產廠商，使測試工程師能夠方便、快捷、準確地完成檢測項目并出具檢測報告，其后期有效應用必將代替傳統手工測試方式推動下一代測試系統的發展。

[1]馮建勤,趙楠,宋海龍.變壓器繞組溫升的幾種算法比較[J].電子設計工程, 2013, 21(08): 68-70.

[2] Torriano F., Chaaban M., Piche P. Numerical study of parameters affecting the temperature distribution in a disc-type transformer winding [J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(14-l5):2034-2044.

[3] 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].

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

[5]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.

Automatic Test Software for the Heating Test of the Transformer Windings Based on LabVIEW

CAI Zhen-feng1,2, XU Yi2, LU Bin2，WAN Lei2, SHEN Hai-zhou2
（1. School of Electric Information and Electrical Engineering Dept. of Instrument Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030; 2.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research, Institute of Quality Inspection of Electronic and Electrical Appliances & Household Electrical Appliances presentation, Shanghai 201114）

In this paper, in accordance with the general requirements of the heating test, that was the key item of the type tests for transformer products certification in the standards GB 19212.1 (IEC 61558-1, idt), based on the LabVIEW development environment, an automation test software for the most widely used thermal-resistance testing method in which the common off-line testing method and the empirical formula into calculation were used, was prepared and programmed. Based on the graphical software as the core, these works would help to build the next generation of automatic test system.

transformer; type test; windings; temperature rise; heating; thermal resistance method

TP27, TP23, TH81

A

1004-7204（2014）06-0047-05

蔡振峰(1986-)，男,上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器儀表工程在讀研究生，現就職于上海市質檢院電子電器與家用電器檢驗所附件檢驗室,工程師，主要從事附件產品的檢驗工作.

上海市質量技術監督局批準立項的科研項目“繞組溫升自動測試系統研究”（項目編號：2013-20）