非耐短路變壓器短路和過載保護試驗的自動測試系統

樂 俊，奚 迪，許 毅，陸 斌

（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）

非耐短路變壓器短路和過載保護試驗的自動測試系統

樂 俊1.2，奚 迪1，許 毅1，陸 斌1

（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）

針對變壓器產品認證標準GB 19212.1(IEC 61558-1)中關于 “短路和過載保護”的型式試驗項目，研發了一套智能自動測試系統。對于兩種類型的非耐短路變壓器，即輸入保護和輸出保護類型，分別給出了系統軟硬件配置和詳細的測試操作流程。相比傳統手動測試方式，該系統的應用可顯著減少人員在線時間，同時降低人工測量環節的不確定度。

非耐短路變壓器；非固有耐短路變壓器；固有耐短路變壓器；無危害式變壓器；短路和過載保護

引言

作為電子電路中的重要零部件產品之一的變壓器（變壓器一詞，本文指包括變壓器、電抗器和電源，也部分適用于與電器構成一個整體部分而不能單獨作用的變壓器），其型式試驗適用標準依據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]進行。“短路和過載保護”試驗是考核其技術性能的一個重要指標，與“發

熱”試驗一并屬于變壓器產品的型式試驗中復雜度最高，也是最耗時的兩項試驗項目。該項試驗直接關系到變壓器的安全性、可靠性和使用壽命，還關系到其設計制造成本，進而影響著電子電路及其所構成整機產品的使用性能和安全，是變壓器產品單獨認證時型式試驗的主要測試項目，也是構成整機產品認證中關鍵零部件隨機檢驗的重要項目之一。

對于變壓器的發熱試驗，有些研究機構也開發出相應的自動測試裝置[3]或軟件程序[4][5]，為變壓器生產廠商提供溫升參數指標的出廠測試，但這些裝置多是針對GB 1094.1[6]較大型電力變壓器研發，對于電子電路類小型變壓器的操作流程而言并不適用。而關于各類變壓器短路和過載保護試驗，目前該領域自動化流程的實現工作仍未見報道。檢測實驗室在不斷擴展檢測業務和資質所覆蓋產品范圍的同時，更要提升自身檢測能力，涉及測試設備的控制電路集成、檢測流程自動化程度的提高、工控軟件的開發都勢在必行。

1 變壓器短路和過載保護試驗

GB 19212.1（IEC 61558-1）認證標準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。標準第15章“短路和過載保護”試驗是用以考核變壓器產品在正常使用時可能出現的短路和過載情況下是否會變得不安全。試驗方法是根據固有保護或用保護裝置保護的繞組配備的絕緣等級，檢驗變壓器在短路或過載條件下，繞組及其外部外殼（易觸及）、導線的橡膠絕緣、導線的聚氯乙烯絕緣和支承件的附近區域等位置處，在試驗時和試驗后由于熱慣性所達到的最高溫度是否超過規定限值（由絕緣等級或tw兩者較小值決定）。試驗期間變壓器不得出現火焰、熔融金屬、達到危險含量的有毒或可燃氣體等現象。試后要求變壓器受試樣品的封裝對防止觸及危險的帶電零部件仍可提供足夠的防護，且沒有因電容器儲存電荷而引起的電擊危險；同時，在冷卻到接近環境溫度時，絕緣系統應仍具有承受一定介電強度的能力。

2 自動測試系統構架

1）構成測試電路的儀器設備與連接

測試設備的選用包括：可編程交直流電源（EC1000S日本NF），為變壓器初級繞組提供交流輸入電壓和頻率設定；交流電子負載（ZSAC1426德國H&H）4臺，用于向并行測試的2個變壓器（DUT device under test）的4個次級繞組提供負載，也能監測和輸出次級輸出電路的部分電參數；數字功率計（WT210橫河儀器），用于監測和輸出變壓器初級電路的電參數；數據采集儀（34970A Agilent）并配置3塊數據采集卡。各測試設備與工控機電腦之間通信連接可支持多種擴展接口，包括RS232、USB、GPIB、RS-485等。

2）自動測試 系統的主控電路設計

構成自動測 試系統的硬件控制設備包括工控機和自行開發集成化繼電器的控制模塊組（命名為“變壓器測量控制單元”），變壓器測量控制單元由兩塊繼電器驅動板和另外四組短路繼電器構成，其中短路繼電器是在將次級繞組進行短路時使用。

整個自動測試系統的軟件部分安裝在工控機上，而變壓器測量控制單元則根據工控機的控制指令通過多個繼電器的同步切換與組合，完成測試過程中各流程的功能實現。

3 標準測試要求與自動測試系統的操作流程

自動化測試系統的操作流程均參照標準GB 19212.1（IEC 61558-1）[1][2]中第15章內容及其實施細則的技術要求進行。標準GB 19212.1（IEC 61558-1）[1][2]中規定了六種不同變壓器測試類型，所開發的自動測試系統可以檢測最常見的四種類型的變壓器，分別是固有耐短路變壓器、非固有耐短路變壓器、非耐短路變壓器和無危害式變壓器。其中非耐短路變壓器又細分為兩類分別進行試驗：輸入保護和輸出保護。四種變壓器進行短路和過載保護試驗的試驗樣品數、條件配置和測試流程則根據不同類型劃分各不相同。

考慮到篇幅有限，本文僅針對非耐短路變壓器的測

試流程，分為輸入保護的非耐短路變壓器、輸出保護的非耐短路變壓器兩種類型，下面分別進行說明。

3.1 輸入保護的非耐短路變壓器

3.1.1 過載保護試驗

1）試驗準備

輸入保護的非耐短路變壓器，過載保護試驗的操作流程圖見 圖1。 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，輸出端連接電子負載構成回路。同時完成測量電路的連接，配置數據采集儀的三塊數據采集卡：

采集卡1：采集環境溫度和變壓器上布點的溫度；

采集卡2：采集變壓器各個繞組的電阻值（四端法）；

采集卡3：采集“變壓器測量控制單元”內各繼電器吸合或斷開的開關量（自動配置）。

試驗方案配置：根據變壓器樣品的類別，選擇所屬類型、設置試驗樣品的個數，并設定變壓器的額定輸入和輸出參數；選擇試驗中需要用到的電子負載；配置數據采集儀的溫度采集布點，包括采集通道、布點位置、要求限溫（標準GB 19212.1-2008表1）、監測通道（繞組、外殼、表皮等）和判斷通道（一般為初級和次級繞組）。熱電偶按照上述設置的“監測通道”布點（采集繞組溫度的熱電偶應布在離繞組最近的位置），檢查硬件連接，確保連接安全正常后，開啟試驗設備。

圖1 輸入保護的非耐短路變壓器過載保護試驗的操作流程圖

聯機：將測試系統和實驗設備通信連接，設備設置初始化，確保設備正常工作。

采集冷態值：用數據采集儀34970A采集變壓器DUT中待測繞組未開始發熱時的冷態電阻值R1，并同時采集此時的環境溫度t1。試驗準備完成后，開始過載保護試驗。

2）初級0.95倍保護電流下的溫度穩定

設定電路參數：將電源電壓設定為變壓器額定輸入電壓的1.1倍（1.1Un），輸入頻率按變壓器的額定值設定。將電子負載的操作模式設定為恒流模式，電流值設定為變壓器的輸出額定值。完畢后，打開電源和電子負載輸出，接通回路。

初級0.95倍保護電流加載：將初級回路電流設定為保護電流的0.95倍，并使之保持恒定。具體步驟詳見下文“使初級電流保持恒定的操作方法”說明。

判斷溫度穩定：具體步驟詳見下文“穩定電流下的繞組溫升”說明。

3）數據處理（即采集電阻計算溫升）

采集熱態電阻值：數據采集儀并每隔一個相等的時間間隔（2s），采集繞組的電阻值，連續采集10個數據點，同時采集此時的環境溫度t2。

時間-電阻離散值擬合：將采集的10個電阻值以時間關系擬合得到時間-電阻曲線，擬合算法庫設置為最小二乘法（默認設置）、最小絕對殘差、Bisquare三種算法可選。

線性回歸計算熱態電阻：根據時間-電阻擬合曲線，用數學回歸法（線性回歸）推算斷電瞬時變壓器繞組的熱態電阻值R2。

經驗公式計算繞組溫升：將得到的環境溫度t1、t2、冷態電阻R1和最終穩定狀態時的熱態電阻R2，根據電阻-溫升經驗公式計算繞組溫升（同發熱試驗步驟[7]）。

4）超溫和斷電驗證保 護

超溫保護（判斷溫度是否超過限溫）：從“監測布點溫度”開始，啟動超溫保護程序，實時監測熱電偶測得的布點溫度是否超過最初試驗方案中設置的繞組絕緣

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，試驗結束。

斷電驗證保護（判斷輸出繞組兩端電壓＜3V）：考慮到變壓器測量控制單元內繼電器存在故障和動作未響應的可能，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的損壞。因此在采集電阻之前，系統先采集電子負載上的電壓進行判定，若電壓小于3V，表示變壓器上能量已被釋放，可進行電阻值采集，否則判定繼電器故障，試驗結束。

其中重點步驟的說明如下：

①使初級電流保持恒定的操作方法：

變壓器通電工作時，初級回路和次級回路功率相等，由于變壓器通電后各個繞組溫度升高，繞組阻值也隨之升高，因此無法得出初級電流I1和次級電流I2的直接關系式。但初級電流和次級電流的變化趨勢相同，即次級電流增大，初級電流也增大，反之，都減小。因此，可通過重復修正次級電流，使初級電流達到所需設定值I1，并使之保持恒定。

測試系統通過數字功率計連續采集初級電流I11，若與應設初級電流I1差值的絕對值小于0.5mA，則認為初級電流設定成功，并已恒定。反之，則需調整電子負載電流I21，若I1大于I11，I21增加1mA，反之，則減小1mA，得到I22，并將其設定為電子負載電流，系統進入到下一次電流修正。詳細操作流程如圖2所示。

圖2 使初級電流保持恒定的操作流程圖

②穩定電流下的繞組溫升：

監測布點溫度：根據“試驗方案”中設置的監測通道，監測試驗中變壓器上布點的溫度變化情況，以溫度監測表和曲線圖記錄實時數據。

初步判斷溫度穩定：根據“試驗方案配置”中設置的判斷通道，判斷該通道采集的溫度是否達到穩定，方法為數據采集儀在1min內采集6個數據點（10s采集一次），1min內采集數據的最大值和最小值之差小于0.1℃，則初步判定為溫度基本穩定。溫度穩定后，電源和電子負載輸出關閉，斷開回路。

采集電阻計算溫升：具體過程詳見下文“4）數據處理”部分。

間歇工作循環測定：電源和電子負載輸出打開，接通回路，系統將通電時間設定為15min（可根據樣品實際情況調整）。時延結束后，電源和電子負載輸出關閉，斷開回路，進行“采集電 阻計算溫升”步驟。

最終判斷溫度穩定：通過往復進行間歇工作（通電15min）循環測定（采集電阻計算溫升）的方法，直到變壓器達到精確穩定狀態。連續三次“間歇工作循環測定”后，對計算得到繞組溫度（2tt+Δ ）的差值進行判斷，當變壓器上各繞組三次測量結果的溫差均小于1℃時，則判定為變壓器DUT已達到溫度穩定，否則，重復進行“間歇工作循環測定”步驟三次，直至判定溫差均小于1℃，試驗結束。

3.1.2 輸出短路試驗

輸入保護的非耐短路變壓器，短路試驗的操作流程圖見圖3。

1）試驗準備：同上述過載保護試驗步驟。

2）輸出繞組短路：通過“變壓器測量控制單元”短路繼電器吸合使變壓器的輸出繞組短路。

3）輸出繞組短路后失效判斷

設定電路參數：將電源的電壓設定為變壓器額定輸

入電壓的1.1倍（1.1Un），輸入頻率按變壓器的 額定 值設定。電子負載操作模式和參數保持不變。設定完畢后，打開電源輸出，接通回路。

采集初級電流：通過數字功率計采集初級回路的電流值，采集頻率為200ms/次。

保護裝置是否動作：數字功率計采集初級電流，若后次采集電流小于前次電流的50%，則視為初級斷開即保護裝置動作（變壓器失效），關 閉電源輸出，斷開回路。

圖3 輸入保護的非耐短路變壓器短路試驗的操作流程圖

圖4 輸出保護的非耐短路變壓器過載保護試驗的操作流程圖

4）數據處理和超溫和斷電驗證保護：同過載保護試驗步驟中相應部分。

3.2 輸出保護的非耐短路變壓器

3.2.1 過載保護試驗

輸出保護的非耐短路變壓器，過載保護試驗的操作流程圖見圖4。

1）試驗準備：參照輸入保護類型的過載保護試驗步驟。

2）次級0.95倍保護電流下的溫度穩定

設定電路參數：將電源的電壓設定為變壓器額定輸入電壓的1.1倍（1.1Un），輸入頻率按變壓器的額定值設定。將電子負載設定為恒流模式，電流設定為保護電流的0.95倍。設定完畢后，電源和電 子負載輸出打開，接通回路。

判斷溫度穩定：參照輸入保護類型的過載保護試驗中“穩定電流下的繞組溫升”說明。

3）數據處理和超溫和斷電驗證保護：同輸入保護的過載保護試驗中相應部分。

3.2.2 輸出短路試驗

輸出保護的非耐短路變壓器的輸出短路試驗與輸入保護的非固有耐短路變壓器短路試驗步驟相同，這里不再贅述。

4 結語

對于產品種類繁多、檢測項目環節多、差異性大且重復性高的電子零部件產品，自動化測試系統開發的必要性不言而喻。然而也恰恰因為這些錯綜原因，電子零部件產品自動化測試平臺的開發難度也更甚。本文建立以計算機為控制中心的自動測試系統，將變壓器產品型式試驗中復雜度最高，也是人員在線時間最長的重要試驗項目進行自動化控制技術的替換與轉化。采用虛擬儀器和工業自動化控制技術，可實現多測試設備的自動控制、實驗過程數據的實時監測、可設定有效采集、線性擬合計算、輸出與存儲；極大地減少了人員在線時間，

將檢測工程師從單一冗長且繁瑣的測試過程中解放出來，提高了測試效率，同時也降低了人為誤差概率，提高了測試結果的準確性。

[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]劉燕玲.智能控制多臺變壓器自動投切裝置設計[J].中國科技信息, 2010,2：125-127.

[4]曹錚,喬鵬鶴.電力變壓器試驗微機測控系統簡介[J].變壓器, 1994,12：9-13.

[5] Fuchs E F, Fei R, A new computer-aided method for the efficiency measurement of low-loss transformers and inductors under nonsinusoidal operation [J]. Power Delivery, 1996, 1.

[6] GB 1094.1-2013, 電力變壓器 第1部分：總則[S].

[7]許毅,萬鐳,陸斌,蔡振峰.變壓器發熱試驗自動測試平臺的開發[J].環境技術,2014,6：42-46.

Automatic Test System of the Short Circuit and Overload Protection Tests for the Non-shortcircuit Proof Transformers

LE Jun1.2, XI Di1, XU Yi1, LU Bin1
(1. Dept. of Instrument Science and Engineering, School of Electric Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030；2. Institute of Quality Inspection of Electronic and Electrical Appliances & Household Electrical Appliances presentation, Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research, Shanghai 201114)

In this paper, aiming at the type test item of the short circuit and overload protection tests in the standard of GB 19212.1 (or IEC 61558-1, idt), a set of intelligent automation test system was researched and developed. For the two types of non-short-circuit proof transformers, of which the protective device specified by the manufacturer is installed in the input or output circuit, the system configurations of hardware and software and the detailed testing process are given. Compared with traditional manual testing method, the application of this automatic testing system can significantly reduce personnel online time, and at the same time, can greatly reduce the uncertainty on the artificial measurement links of the technological process.

non-short-circuit proof transformers; non-inherently short-circuit proof transformers; inherently short-circuit proof transformers; fail-safe transformers; short circuit and overload protection tests

TP27, TP23

A

1004-7204（2015）02-0019-06

樂俊(1986-)，男，漢族，2008年6月獲工學學士學位，畢業于上海理工大學，光學與電子信息工程學院，電子信息工程專業。目前在讀上海交通大學，電子信息與電氣工程學院，儀器儀表工程在職研究生。現就職于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，工程師，主要從事電子元器件檢測、環境檢測和材料安全檢測等相關科研工作。

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