非耐短路变压器短路和过载保护试验的自动测试系统

乐 俊，奚 迪，许 毅，陆 斌

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系，上海 200030；2.上海市质量监督检验技术研究院电子电器家用电器质量检验所，上海 201114）

非耐短路变压器短路和过载保护试验的自动测试系统

乐 俊1.2，奚 迪1，许 毅1，陆 斌1

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系，上海 200030；2.上海市质量监督检验技术研究院电子电器家用电器质量检验所，上海 201114）

针对变压器产品认证标准GB 19212.1(IEC 61558-1)中关于 “短路和过载保护”的型式试验项目，研发了一套智能自动测试系统。对于两种类型的非耐短路变压器，即输入保护和输出保护类型，分别给出了系统软硬件配置和详细的测试操作流程。相比传统手动测试方式，该系统的应用可显著减少人员在线时间，同时降低人工测量环节的不确定度。

非耐短路变压器；非固有耐短路变压器；固有耐短路变压器；无危害式变压器；短路和过载保护

引言

作为电子电路中的重要零部件产品之一的变压器（变压器一词，本文指包括变压器、电抗器和电源，也部分适用于与电器构成一个整体部分而不能单独作用的变压器），其型式试验适用标准依据GB 19212.1（IEC 61558-1）《电力变压器、电源、电抗器和类似产品的安全 第1部分：通用要求和试验》[1][2]进行。“短路和过载保护”试验是考核其技术性能的一个重要指标，与“发

热”试验一并属于变压器产品的型式试验中复杂度最高，也是最耗时的两项试验项目。该项试验直接关系到变压器的安全性、可靠性和使用寿命，还关系到其设计制造成本，进而影响着电子电路及其所构成整机产品的使用性能和安全，是变压器产品单独认证时型式试验的主要测试项目，也是构成整机产品认证中关键零部件随机检验的重要项目之一。

对于变压器的发热试验，有些研究机构也开发出相应的自动测试装置[3]或软件程序[4][5]，为变压器生产厂商提供温升参数指标的出厂测试，但这些装置多是针对GB 1094.1[6]较大型电力变压器研发，对于电子电路类小型变压器的操作流程而言并不适用。而关于各类变压器短路和过载保护试验，目前该领域自动化流程的实现工作仍未见报道。检测实验室在不断扩展检测业务和资质所覆盖产品范围的同时，更要提升自身检测能力，涉及测试设备的控制电路集成、检测流程自动化程度的提高、工控软件的开发都势在必行。

1 变压器短路和过载保护试验

GB 19212.1（IEC 61558-1）认证标准主要是针对干式变压器、电源（包括开关型电源）和电抗器进行型式试验。标准第15章“短路和过载保护”试验是用以考核变压器产品在正常使用时可能出现的短路和过载情况下是否会变得不安全。试验方法是根据固有保护或用保护装置保护的绕组配备的绝缘等级，检验变压器在短路或过载条件下，绕组及其外部外壳（易触及）、导线的橡胶绝缘、导线的聚氯乙烯绝缘和支承件的附近区域等位置处，在试验时和试验后由于热惯性所达到的最高温度是否超过规定限值（由绝缘等级或tw两者较小值决定）。试验期间变压器不得出现火焰、熔融金属、达到危险含量的有毒或可燃气体等现象。试后要求变压器受试样品的封装对防止触及危险的带电零部件仍可提供足够的防护，且没有因电容器储存电荷而引起的电击危险；同时，在冷却到接近环境温度时，绝缘系统应仍具有承受一定介电强度的能力。

2 自动测试系统构架

1）构成测试电路的仪器设备与连接

测试设备的选用包括：可编程交直流电源（EC1000S日本NF），为变压器初级绕组提供交流输入电压和频率设定；交流电子负载（ZSAC1426德国H&H）4台，用于向并行测试的2个变压器（DUT device under test）的4个次级绕组提供负载，也能监测和输出次级输出电路的部分电参数；数字功率计（WT210横河仪器），用于监测和输出变压器初级电路的电参数；数据采集仪（34970A Agilent）并配置3块数据采集卡。各测试设备与工控机电脑之间通信连接可支持多种扩展接口，包括RS232、USB、GPIB、RS-485等。

2）自动测试 系统的主控电路设计

构成自动测 试系统的硬件控制设备包括工控机和自行开发集成化继电器的控制模块组（命名为“变压器测量控制单元”），变压器测量控制单元由两块继电器驱动板和另外四组短路继电器构成，其中短路继电器是在将次级绕组进行短路时使用。

整个自动测试系统的软件部分安装在工控机上，而变压器测量控制单元则根据工控机的控制指令通过多个继电器的同步切换与组合，完成测试过程中各流程的功能实现。

3 标准测试要求与自动测试系统的操作流程

自动化测试系统的操作流程均参照标准GB 19212.1（IEC 61558-1）[1][2]中第15章内容及其实施细则的技术要求进行。标准GB 19212.1（IEC 61558-1）[1][2]中规定了六种不同变压器测试类型，所开发的自动测试系统可以检测最常见的四种类型的变压器，分别是固有耐短路变压器、非固有耐短路变压器、非耐短路变压器和无危害式变压器。其中非耐短路变压器又细分为两类分别进行试验：输入保护和输出保护。四种变压器进行短路和过载保护试验的试验样品数、条件配置和测试流程则根据不同类型划分各不相同。

考虑到篇幅有限，本文仅针对非耐短路变压器的测

试流程，分为输入保护的非耐短路变压器、输出保护的非耐短路变压器两种类型，下面分别进行说明。

3.1 输入保护的非耐短路变压器

3.1.1 过载保护试验

1）试验准备

输入保护的非耐短路变压器，过载保护试验的操作流程图见 图1。 将待测变压器样品DUT接入供电回路，输入端连接可编程交直流电源，输出端连接电子负载构成回路。同时完成测量电路的连接，配置数据采集仪的三块数据采集卡：

采集卡1：采集环境温度和变压器上布点的温度；

采集卡2：采集变压器各个绕组的电阻值（四端法）；

采集卡3：采集“变压器测量控制单元”内各继电器吸合或断开的开关量（自动配置）。

试验方案配置：根据变压器样品的类别，选择所属类型、设置试验样品的个数，并设定变压器的额定输入和输出参数；选择试验中需要用到的电子负载；配置数据采集仪的温度采集布点，包括采集通道、布点位置、要求限温（标准GB 19212.1-2008表1）、监测通道（绕组、外壳、表皮等）和判断通道（一般为初级和次级绕组）。热电偶按照上述设置的“监测通道”布点（采集绕组温度的热电偶应布在离绕组最近的位置），检查硬件连接，确保连接安全正常后，开启试验设备。

图1 输入保护的非耐短路变压器过载保护试验的操作流程图

联机：将测试系统和实验设备通信连接，设备设置初始化，确保设备正常工作。

采集冷态值：用数据采集仪34970A采集变压器DUT中待测绕组未开始发热时的冷态电阻值R1，并同时采集此时的环境温度t1。试验准备完成后，开始过载保护试验。

2）初级0.95倍保护电流下的温度稳定

设定电路参数：将电源电压设定为变压器额定输入电压的1.1倍（1.1Un），输入频率按变压器的额定值设定。将电子负载的操作模式设定为恒流模式，电流值设定为变压器的输出额定值。完毕后，打开电源和电子负载输出，接通回路。

初级0.95倍保护电流加载：将初级回路电流设定为保护电流的0.95倍，并使之保持恒定。具体步骤详见下文“使初级电流保持恒定的操作方法”说明。

判断温度稳定：具体步骤详见下文“稳定电流下的绕组温升”说明。

3）数据处理（即采集电阻计算温升）

采集热态电阻值：数据采集仪并每隔一个相等的时间间隔（2s），采集绕组的电阻值，连续采集10个数据点，同时采集此时的环境温度t2。

时间-电阻离散值拟合：将采集的10个电阻值以时间关系拟合得到时间-电阻曲线，拟合算法库设置为最小二乘法（默认设置）、最小绝对残差、Bisquare三种算法可选。

线性回归计算热态电阻：根据时间-电阻拟合曲线，用数学回归法（线性回归）推算断电瞬时变压器绕组的热态电阻值R2。

经验公式计算绕组温升：将得到的环境温度t1、t2、冷态电阻R1和最终稳定状态时的热态电阻R2，根据电阻-温升经验公式计算绕组温升（同发热试验步骤[7]）。

4）超温和断电验证保 护

超温保护（判断温度是否超过限温）：从“监测布点温度”开始，启动超温保护程序，实时监测热电偶测得的布点温度是否超过最初试验方案中设置的绕组绝缘

材料能承受的最高限制温度（由选用的绝缘材料等级确定），一旦超出，试验结束。

断电验证保护（判断输出绕组两端电压＜3V）：考虑到变压器测量控制单元内继电器存在故障和动作未响应的可能，断开回路后，若次级绕组两端仍存在交流电压，会造成直流电阻测量仪器的损坏。因此在采集电阻之前，系统先采集电子负载上的电压进行判定，若电压小于3V，表示变压器上能量已被释放，可进行电阻值采集，否则判定继电器故障，试验结束。

其中重点步骤的说明如下：

①使初级电流保持恒定的操作方法：

变压器通电工作时，初级回路和次级回路功率相等，由于变压器通电后各个绕组温度升高，绕组阻值也随之升高，因此无法得出初级电流I1和次级电流I2的直接关系式。但初级电流和次级电流的变化趋势相同，即次级电流增大，初级电流也增大，反之，都减小。因此，可通过重复修正次级电流，使初级电流达到所需设定值I1，并使之保持恒定。

测试系统通过数字功率计连续采集初级电流I11，若与应设初级电流I1差值的绝对值小于0.5mA，则认为初级电流设定成功，并已恒定。反之，则需调整电子负载电流I21，若I1大于I11，I21增加1mA，反之，则减小1mA，得到I22，并将其设定为电子负载电流，系统进入到下一次电流修正。详细操作流程如图2所示。

图2 使初级电流保持恒定的操作流程图

②稳定电流下的绕组温升：

监测布点温度：根据“试验方案”中设置的监测通道，监测试验中变压器上布点的温度变化情况，以温度监测表和曲线图记录实时数据。

初步判断温度稳定：根据“试验方案配置”中设置的判断通道，判断该通道采集的温度是否达到稳定，方法为数据采集仪在1min内采集6个数据点（10s采集一次），1min内采集数据的最大值和最小值之差小于0.1℃，则初步判定为温度基本稳定。温度稳定后，电源和电子负载输出关闭，断开回路。

采集电阻计算温升：具体过程详见下文“4）数据处理”部分。

间歇工作循环测定：电源和电子负载输出打开，接通回路，系统将通电时间设定为15min（可根据样品实际情况调整）。时延结束后，电源和电子负载输出关闭，断开回路，进行“采集电 阻计算温升”步骤。

最终判断温度稳定：通过往复进行间歇工作（通电15min）循环测定（采集电阻计算温升）的方法，直到变压器达到精确稳定状态。连续三次“间歇工作循环测定”后，对计算得到绕组温度（2tt+Δ ）的差值进行判断，当变压器上各绕组三次测量结果的温差均小于1℃时，则判定为变压器DUT已达到温度稳定，否则，重复进行“间歇工作循环测定”步骤三次，直至判定温差均小于1℃，试验结束。

3.1.2 输出短路试验

输入保护的非耐短路变压器，短路试验的操作流程图见图3。

1）试验准备：同上述过载保护试验步骤。

2）输出绕组短路：通过“变压器测量控制单元”短路继电器吸合使变压器的输出绕组短路。

3）输出绕组短路后失效判断

设定电路参数：将电源的电压设定为变压器额定输

入电压的1.1倍（1.1Un），输入频率按变压器的 额定 值设定。电子负载操作模式和参数保持不变。设定完毕后，打开电源输出，接通回路。

采集初级电流：通过数字功率计采集初级回路的电流值，采集频率为200ms/次。

保护装置是否动作：数字功率计采集初级电流，若后次采集电流小于前次电流的50%，则视为初级断开即保护装置动作（变压器失效），关 闭电源输出，断开回路。

图3 输入保护的非耐短路变压器短路试验的操作流程图

图4 输出保护的非耐短路变压器过载保护试验的操作流程图

4）数据处理和超温和断电验证保护：同过载保护试验步骤中相应部分。

3.2 输出保护的非耐短路变压器

3.2.1 过载保护试验

输出保护的非耐短路变压器，过载保护试验的操作流程图见图4。

1）试验准备：参照输入保护类型的过载保护试验步骤。

2）次级0.95倍保护电流下的温度稳定

设定电路参数：将电源的电压设定为变压器额定输入电压的1.1倍（1.1Un），输入频率按变压器的额定值设定。将电子负载设定为恒流模式，电流设定为保护电流的0.95倍。设定完毕后，电源和电 子负载输出打开，接通回路。

判断温度稳定：参照输入保护类型的过载保护试验中“稳定电流下的绕组温升”说明。

3）数据处理和超温和断电验证保护：同输入保护的过载保护试验中相应部分。

3.2.2 输出短路试验

输出保护的非耐短路变压器的输出短路试验与输入保护的非固有耐短路变压器短路试验步骤相同，这里不再赘述。

4 结语

对于产品种类繁多、检测项目环节多、差异性大且重复性高的电子零部件产品，自动化测试系统开发的必要性不言而喻。然而也恰恰因为这些错综原因，电子零部件产品自动化测试平台的开发难度也更甚。本文建立以计算机为控制中心的自动测试系统，将变压器产品型式试验中复杂度最高，也是人员在线时间最长的重要试验项目进行自动化控制技术的替换与转化。采用虚拟仪器和工业自动化控制技术，可实现多测试设备的自动控制、实验过程数据的实时监测、可设定有效采集、线性拟合计算、输出与存储；极大地减少了人员在线时间，

将检测工程师从单一冗长且繁琐的测试过程中解放出来，提高了测试效率，同时也降低了人为误差概率，提高了测试结果的准确性。

[1] GB 19212.1-2008, 电力变压器、电源、电抗器和类似产品的安全 第1部分：通用要求和试验[S].

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

[3]刘燕玲.智能控制多台变压器自动投切装置设计[J].中国科技信息, 2010,2：125-127.

[4]曹铮,乔鹏鹤.电力变压器试验微机测控系统简介[J].变压器, 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, 电力变压器 第1部分：总则[S].

[7]许毅,万镭,陆斌,蔡振峰.变压器发热试验自动测试平台的开发[J].环境技术,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

乐俊(1986-)，男，汉族，2008年6月获工学学士学位，毕业于上海理工大学，光学与电子信息工程学院，电子信息工程专业。目前在读上海交通大学，电子信息与电气工程学院，仪器仪表工程在职研究生。现就职于上海市质量监督检验技术研究院电子电器家用电器质量检验所，工程师，主要从事电子元器件检测、环境检测和材料安全检测等相关科研工作。

上海市质量技术监督局科研项目“绕组温升自动测试系统研究”（编号：2013-20）