变压器绝缘系统性能与绕组温升自动测试系统

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

许　毅1　陆　斌1　乐　俊1，2

(上海市质量监督检验技术研究院1,上海　201114;上海交通大学电子信息与电气工程学院2,上海　200030)

变压器绝缘系统性能与绕组温升自动测试系统

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

许毅1陆斌1乐俊1，2

(上海市质量监督检验技术研究院1,上海201114;上海交通大学电子信息与电气工程学院2,上海200030)

摘要：对GB 19212.1 (IEC 61558-1)标准中关于电子电路类变压器产品中绕组温升的型式试验项目进行了研究。基于LabVIEW图形化编程环境，采用模块化结构设计，研发了一套智能自动化测试系统。该系统可完成包括试验设备控制、数据分析、实时监测、定时采集与算法处理、试验方案保存与原始记录生成等一系列功能。试验表明，该系统实现了毫秒级物理断开、同步切换和定时采集，克服了温升试验中以往传统人工测试的诸多不确定性，显著减少了人员在线时间，有效保证了试验可复制性、结果一致性和可追溯性。

关键词：变压器绕组温升发热试验型式试验热阻法

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

作为电子电路中的重要零部件产品之一的变压器，温升是考核其技术性能的一个重要指标。温升体现了变压器绝缘材料的等级和绝缘系统的性能，影响着电子电路及其所构成整机产品的使用性能和安全，是产品认证进行型式试验的主要测试项目。鉴于目前国内实验室测试设备之间可集成度相对低下，而变压器温升试验流程的复杂度高且环节多，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、工控机软件的开发都势在必行。

本文针对实验室较底层的、普遍、通用的试验仪器设备，也是构成电路和性能检测的基本设备(即交直流电源、电子负载、热电数据采集设备等)进行自动化测试平台的构建。基于LabVIEW图形化编程环境，采用系统模块化设计，开发了一套针对变压器温升试验的计算机自动化控制与测试系统。该系统严格遵循GB 19212.1(IEC 61558-1)标准和实施细则的测试要求，采用热阻法并使用离线测试和经验公式计算，完成对变压器绕组温升的系列测试过程，并最终生成原始记录文档，以缩短测试周期、减少人员在线时间为目标，服务于检测实验室或变压器生产厂商，使测试工程师能够方便、快捷、准确地完成检测项目并出具检测报告。

1绝缘材料与变压器温升

对于电子电路类变压器的温升检验，适用标准主要依据GB 19212.1(IEC 61558-1,IDT)《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，构成变压器的各个绕组的发热情况是温升试验的主要测试内容。绕组热点温度的测试方法分为直接测量法和间接计算法。直接测量法必须在绕组内埋设传感器；对绝缘结构设计要求较高且热点位置难以确定，故一般考虑间接计算法。间接计算法可进一步分为热阻法(使用经验公式计算)、热电类比法、BP神经网络模型法等[3]。最常用也是国际电工委员会和国家标准推荐的测量方式是热阻法，其适用范围广，具有较好的普适性、可移植性和扩展性，目前仍是检测机构进行绕组温升试验普遍采用的方法。热阻法的原理是根据金属导体材料的电阻会随温度的增加而增大，考虑在一定范围内，电阻值随温度的变化规律为某一简单的函数关系[4]。由于使用热阻法需要在直流测试电路中对各绕组的热电阻值进行测量，而变压器输入端为交流供电，因此目前广泛使用的测试方式一般为离线测试，即在变压器断电后测量。此外，也有在线测试方法考虑将交流供电部分与直流测试线路隔离，基本原理是使用滤波电路。目前可用的设备多数只针对电机或电抗器等单线圈的情况进行，对于变压器产品的测试，只能适用于初级绕组的测量，对次级绕组的情况则不适用。

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，其绕组可以是包封式或非包封式[1-2]。标准第14章(称为“发热”试验)是用以确保在正常使用时，变压器及其支承件的温度不得过高。具体试验方法是根据绝缘系统各部(例如，骨架以及与绕组接触的任何其他绝缘材料)的绝缘等级，检验规定状态下变压器绕组等关键功能部件的温升是否超过了最高限值温度(即是否有局部过热发生)，如外部外壳、手柄和类似零部件(若适用)、供外部导线用的端子和开关的端子、内部和外部布线的绝缘、裂变可能会影响安全的材料零部件、支承件、印制电路板等各处。在试验中和试验后，检查电气连接、密封情况、过载保护装置状态及爬电距离和电气间隙不得小于规定值等，并以此确定变压器在工作运行状态和超额定负载状态下的热状态及相关参数。

在实际试验过程中，数据采集可分为两部分：对变压器外壳等其他部位的温度可直接使用热电偶进行布点测量，而对于绕组部位的温升使用间接测量电阻的方式[4]。关于绕组温升的热阻法离线测试[5]，一方面，采用直流测量其线圈(一般为铜质)的电阻值时需切断变压器输入端的交流电源，且由于绕阻有较大的时间常数，在断电后需经过一定的延时后(由变压器的重量决定)才能准确读数。另一方面，绕组的温度与电阻值从切断电源时便开始下降，因而要获得断电瞬时的热态电阻值，需使用数学回归算法(俗称外推法)。具体步骤是在变压器发热达到温度稳定后，断开电路，在相等的时间段内(一般30~60 s)多次快速测量绕组热态电阻值(采样时间间隔应不大于2 s)，再将测得的相当点数的电阻离散数据进行拟合(以时间为横轴，电阻值为纵轴，拟合成一条指数变化的平滑曲线)，将得到的时间-电阻变化曲线使用数学回归算法延伸，得到断电时刻的热态电阻值，将冷、热态电阻值代入经验公式中，计算绕组的最终温升值。由于被测绕组在刚断电的短时间内，温度变化斜率较大，可近似看作是线性下降，因此使用线性回归算法进行简化就可方便推算出断电瞬时的阻值。

2自动测试系统的硬件构架

2.1　构成测试电路的仪器设备与连接

构成自动化测试系统的硬件控制设备包括工控机和自行开发研制的集成化继电器的控制模块组(命名为“变压器测量控制单元”)。

本系统是以实现2个同型号的变压器受试样品(device under test，DUT)(4路次级输出)并行测试为基本配备，检测实验室可根据自身设备配备情况和业务需求进行相应扩展。

测试设备的选用包括：可编程交直流电源(如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(如ZSAC1426，德国H&H)4台，用于向并行测试的2个变压器DUT的4个次级绕组提供负载，构成回路，同时也能监测和输出次级输出电路的部分电参数；数据采集仪(如34970A，Agilent)并配置3块数据采集卡；数字功率计(如WT210，横河仪器)，用于监测和输出变压器初级电路的电参数(该设备是为开发“短路和过载保护”试验的自动化测试而预留，在发热试验中非必备)。

各测试设备与工控机计算机、变压器测量控制单元、变压器受试样品之间基本测试连接的示例如图1所示。系统可支持测试设备的多种扩展接口，包括RS-232、USB、GPIB、RS- 485等。

图1　自动测试系统测试设备的基本连接示例图

2.2　自动测试系统的控制电路设计

变压器自动测试系统中控制电路的详细配套与安装设计如图2硬件接线图所示。变压器测量控制单元由两块继电器驱动板(图2中驱动板1、2)和另外4组短路继电器(图2中BJ1~4)构成，其中4组短路继电器是为本系统融入和进一步开发变压器“短路和过载保护”试验的自动化测试而设置和预留的，用于次级绕组短路。

整个自动测试系统的软件部分安装在工控机上，而作为重要控制部件的变压器测量控制单元，是一个类似黑盒子的集成组件。该组件可根据工控机的控制指令进行多个继电器的同步切换与组合，实现对各测试设备的输出打开或关闭，以及监测、采集信道的接通或断开，从而完成不同测试功能与全部流程。检测工程师只要根据外部接线说明连接电路和对应信道即可，工控机软件将会根据流程自动完成内部驱动与配置。

图2　自动测试系统的硬件接线图

3自动测试系统的软件构架

自动测试系统的配套软件采用模块化结构设计，软件结构如图3所示。

图3　自动测试系统的软件结构图

4自动化测试操作流程

发热试验过程的主要环节[4]均参照和遵循标准GB 19212.1(IEC 61558-1,IDT)[1-2]及其实施细则的技术要求进行。自动化测试系统完成的具体操作流程设置如图4所示。

图4　自动测试系统的发热试验操作流程图

本文仅以系统对单试样即1个变压器DUT(1路输出)进行试验的简单情况作为例子说明，双试样及多路输出的情况均可参照复制。

4.1　试验准备

4.1.1试验方案配置

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3块数据采集卡(其中第3块板卡在连接好测试电路后不需手动配置，在整个自动测试流程中将由工控机指令自动配置完成)。

采集卡1(热电偶板卡)：功用是采集环境温度和变压器绕组及支承件等布点处的温度。配置该板卡即对试验区域的环境温度和变压器可直接测量温度的位置进行布点。环境温度布点要在离样品有一定距离而不会对温度读数有影响的位置处；在变压器其他部分(除绕组外)可直接测量温度的位置，如外壳、支承件表面、绝缘材料最热点等，粘贴热电偶，测量其温度值即可。热电偶的选择和安放的位置要使其对被测部分的温度影响最小(对热电偶测量点的具体要求参见标准GB 19212.1/IEC 61558-1[1-2]规定)。同时，本系统特别要求在各输入和输出绕组上尽可能靠近线圈最热点的位置粘贴热电偶。所采集数据将作为温度稳定第一次初步判定的依据，用以减少判定时间和采集频次。

采集卡2(电阻测量板卡)：功用是采集变压器初次级绕组的电阻值(四端法测量)。配置该板卡即选择被测绕组的电阻测试点进行预置。特别注意，对于带有电容或电阻的电路类型，需将测试断路点选在绕组引线的两端，避免电路中电容电阻等对该绕组自身阻值测量的影响。

采集卡3(控制板卡)：功用是采集“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)。

完成上述试前的硬件连接和配置后，在工控机上完成对应的软件配置，即在工控机软件中，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；在“试验方案”界面上，进行变压器信息设置(录入样品型号、计算和录入变压器的额定输入和输出参数、绝缘材料等级等)、电子负载配置(试验使用ZSAC1426台数、与变压器对应绕组的连接编号)和数据采集仪温度采集部分的设置(热电偶布点部位名称与采集通道的标定、该部位的要求限温(参见标准GB 19212.1/IEC 61558-1表1[1-2])、程序是否对该通道的温度进行实时监测和稳定判断，并写入保存。

4.1.2联机

将工控机上安装的自动测试系统和测试设备进行通信软连接，对所有设备初始化设置，确保各设备正常联通。

4.1.3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，开始发热试验。

4.2　额定负载下测量稳定电流

4.2.1设定电路额定参数(恒阻)

根据待测变压器的额定输入参数(如AC 230 V,50 Hz)设定电源EC1000S的输出电压和频率；将电子负载ZSAC的操作模式设置为恒阻模式，并设定该负载为在额定输出电压以及在额定功率因数(对交流电流)下能产生额定输出的阻抗，即将电阻值设定为根据待测变压器的额定输出参数(如SS VAC,130 W)计算出的电阻值23.27 Ω。

4.2.2判断电流稳定

电源EC1000S和电子负载ZSAC输出打开，接通回路，实时采集电子负载ZSAC的电压值，并进行电流稳定判断(恒阻模式下，电压稳定即为电流稳定)。判断稳定方法是电子负载ZSAC在1 min内采集6个数据点(10 s/次)，6个点的最大值和最小值之差若小于0.01 V，则视为输出端电流已稳定。

4.2.3读电流稳定值

读取此时的电流值I，作为变压器输出端的电流稳定值。电源EC1000S和电子负载ZSAC输出关闭，断开回路。

4.3　稳定电流下测量绕组温升

4.3.1重新设定电路参数(恒流)

将电源EC1000S电压升高10%(1.1Un)，其余参数保持不变。考虑到供电电网的电压时常会有波动，升高试验电压的目的是考核变压器产品在实际应用时，超出额定范围10%的电压上浮不会造成设备超温故障。将电子负载ZSAC的操作模式修改为恒流模式，电流值设定为上一步采集的稳定电流I。此后，电路无需再作改变。设定完毕后，电源EC1000S和电子负载ZSAC输出打开，接通回路。

4.3.2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。

4.3.3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34970A在1 min内采集6个数据点(10 s采集一次)，1 min内采集数据的最大值和最小值之差小于0.1 K，则初步判定为温度基本稳定。温度稳定后，电源EC1000S和电子负载ZSAC输出关闭，断开回路。

4.3.4间歇工作循环测定

电源EC1000S和电子负载ZSAC输出打开，接通回路，系统将通电时间设定为15 min(可根据样品实际情况调整)。时延结束后，电源EC1000S和电子负载ZSAC输出关闭，断开回路，进行“采集电阻、计算温升”步骤。

4.3.5最终判断温度稳定

通过往复进行间歇工作(通电15 min)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3次“间歇工作循环测定”后，对计算得到绕组温度(Δt+t2)的差值进行判断。当变压器上各绕组3次测量结果的温差均小于1 K时，则判定变压器DUT已达到温度稳定；否则，重复进行 “间歇工作循环测定”步骤3次，直至判定温差均小于1 K，试验结束。

将最后一次“间歇工作循环测定”中所采集电阻计算得到的温升数据结果作为变压器待测绕组的发热试验最终数据。

4.4　数据处理

4.4.1采集热态值

每隔一个相等的时间间隔(2 s)，采用数据采集仪34970A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。

4.4.2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、最小绝对残差、Bisquare 3种算法可选用(默认设置为常用的最小二乘法)。

4.4.3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。

4.4.4经验公式计算绕组温升

由得到的环境温度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：

(1)

式中：Δt为高于t2温升，最高温度就等于Δt+t2；R1为在环境温度t1下试验开始时的电阻；R2为达到稳定状态时、试验结束时的电阻；k为散热系数相关，对铜k=234.5，对铝k=225；t1为试验开始时的环境温度；t2为试验结束时的环境温度。

如果试验区域的实测温度与额定环境温度有差异，按照标准规定进行修正后使用。本系统流程中预设的环境温度修正值为25 ℃。

4.5　超温和断电验证保护

4.5.1超温保护

超温保护模块用以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。

4.5.2断电验证保护

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(即数据采集仪34970A)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3 V，则表示变压器上能量已被释放，可进行电阻值采集；否则判定继电器可能故障，试验结束。

5基于LabVIEW开发环境的软件编写

基于LabVIEW2012开发人机交互软件程序，自动测试系统进行发热试验的主程序界面库包括：菜单栏(变压器类型、操作、帮助)、试验列表、试验方案、初始测量、发热试验及监控界面等。

6实验结果

针对电子电路类变压器产品中绕组温升的型式试验项目，研发了一套智能自动化测试系统。该系统应用的优越性体现在以下几个方面。

① 标准中绕组发热试验的热阻法实施过程要求以相等的时间间隔且迅速采样(≤2 s)，采用计算机和集成控制电路使测试设备迅速进入使能结构，完成毫秒级物理断开、同步切换和定时采集，能精确断电时间、提高测量数据点的准确性，克服了以往传统人工测试的诸多不确定性，有效地保证了试验可复制性、结果一致性和可追溯性。

② 降低人为误差概率，提高检测结果的准确性。比对手动测试的试验案例，在冷态电阻的误差、延时时间引起的误差、热态电阻的误差以及重复性等多方面的不确定度来源方面[6]，采用该自动测试系统可明显降低误差量值，其合成标准不确定度可减少至少20%(详细的演算和推导过程会在后续文章中给出)。

③ 辅助功能模块保证安全性。系统主控电路具备基本安全防护，在电流或电压过载、电路未断开、温度超过限值等错误和特殊情况下，能保证测试仪器不被损坏。

④ 提高检测效率。该系统具备多路重置性，目前将2个变压器样品并行测试作为基本配备，预留控制端口也为未来更多样品的并行测试埋下进一步开发的潜在可能性，可明显提高测试设备使用率。特别在进行同型号产品的批量测试时，更能凸显其高效性。

⑤ 较大程度上缩短了人员在线时间。将检测工程师从单一冗长且繁琐的测试过程中解放出来，提高人员工作效率。

⑥ 降低对实验室工作人员的要求。采用类似黑盒子式的操作方式，使试验操作人员在不必深入理解设备底层情况下，也能通过调用计算机程序和简单的初始配置来完成复杂的测试流程。

7结束语

本文所研发的电子电路类变压器温升自动测试系统，是针对实验室中构成电路回路的基础设备(如电源、负载等)和通用测量设备(如数据采集仪、万用表等热电参数测量仪器等)所进行的软硬件开发，具备可扩展性和可移植性，将为后期带动实验室其他检测试验项目的自动化流程与系统开发提供重要的技术支撑和有效示范。

目前，对该系统的模块化设计进行进一步升级和扩展，以实现其他变压器认证试验项目，包括“空载输出电压、负载输出电压和输出电流”和“短路和过载保护”(业内俗称“异常”试验)的测试流程，从而将变压器产品型式试验中复杂度最高的3项重要试验全部自动化。该项工作已在进行中。

参考文献

[1] 国家质量监督检验检疫总局.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].北京：中国标准出版社，2008.

[2] International Electrotechnical Commission.IEC 61558-1:2005 Safety of power transformers,power supplies,reactors and similar products-Part1:General requirements and tests[S].Geneva,Switzerland:IEC Central Office，2005.

[3] 冯建勤,赵楠,宋海龙.变压器绕组温升的几种算法比较[J].电子设计工程，2013,21(8):68-70.

[4] 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.

[5] 张红,邓雷.用热阻法测量变压器绕组的温升[C]//2002全国电工测试技术学术交流会论文集，2002:167-169.

[6] 于玲,宫赤霄,王忠.电源变压器温升试验中(绕组法)的影响因素及不确定度的评估[J].环境技术，2008(2):36-40.

中图分类号：TH73；TP23

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507019

国家科技支撑计划基金资助项目(编号：2013BAK04B04)。

修改稿收到日期：2015-04-14。

第一作者许毅(1979-)，女，2009年毕业于上海交通大学通信工程专业，获博士学位，高级工程师；主要从事电子电器与家用电器质量检测等相关科技项目和标准化的研究。