變壓器發(fā)熱試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)

許 毅，萬(wàn) 鐳，陸 斌，蔡振峰,2

（1. 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院電子電器家用電器質(zhì)量檢驗(yàn)所, 上海 201114；2. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系, 上海 200030）

引言

測(cè)試工程師和管理人員所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是需要不斷跟上最新的測(cè)試發(fā)展趨勢(shì)。目前精密儀器供應(yīng)商的測(cè)試設(shè)備許多都支持計(jì)算機(jī)編程，也內(nèi)置了可拓展的接口插槽和數(shù)據(jù)輸出輸入、存儲(chǔ)配備，為使用方進(jìn)行二次開發(fā)提供了必要的硬件基礎(chǔ)。但檢測(cè)機(jī)構(gòu)的工程師基本以完成檢測(cè)任務(wù)為主業(yè)，對(duì)于自動(dòng)化檢測(cè)的重視程度不夠，能進(jìn)行軟硬件研究和設(shè)備開發(fā)的人員也相對(duì)缺乏，檢測(cè)設(shè)備基本依賴從設(shè)備供應(yīng)商直接采購(gòu)，并由廠家提供對(duì)應(yīng)的操作軟件和使用方法培訓(xùn)，對(duì)設(shè)備的理解多停留在基本功用的層面上，對(duì)其內(nèi)部構(gòu)成、如何進(jìn)行通信和控制并不深究，而這些隸屬不同國(guó)家、地域和供應(yīng)商的不同性能作用的設(shè)備，其編碼方式和接口配置有很大不同，這就為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步研究開發(fā)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)增加了障礙。

對(duì)于附件產(chǎn)品的檢測(cè)，檢測(cè)產(chǎn)品數(shù)量和種類多，且即使是單一檢測(cè)項(xiàng)目的流程通常也較復(fù)雜，需要多臺(tái)設(shè)備構(gòu)成電路回路（如電源、負(fù)載等）與測(cè)量設(shè)備（如數(shù)據(jù)采集儀、萬(wàn)用表等熱電參數(shù)測(cè)量?jī)x器等）組合使用，集成度低下。因此，針對(duì)自動(dòng)化檢測(cè)和校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分析以及工程控制等方面進(jìn)行系統(tǒng)集成，通過構(gòu)建以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)幫助工程師們以創(chuàng)新的思維進(jìn)行二次開發(fā)，滿足用戶自定義的需求，提高測(cè)試效率、減少人員使用率，是附件檢驗(yàn)室當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢(shì)和提升批量業(yè)務(wù)能力的首要任務(wù)。

本文按照變壓器認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GB 19212.1 （IEC 61558-1）《電力變壓器、電源、電抗器和類似產(chǎn)品的安全第1部分：通用要求和試驗(yàn)》[1][2]中型式試驗(yàn)的關(guān)鍵項(xiàng)目-發(fā)熱試驗(yàn)的一般要求，針對(duì)溫升試驗(yàn)中最廣泛使用的熱阻法和離線測(cè)試法，開發(fā)了一套自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)。

1 GB 19212.1(IEC 61558-1)和發(fā)熱試驗(yàn)

GB 19212.1 （IEC 61558-1）認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[1][2]主要是針對(duì)干式變壓器、電源（包括開關(guān)型電源）和電抗器進(jìn)行型式試驗(yàn)，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(dòng)式、單相或多相、空氣冷卻（自冷或風(fēng)冷）、獨(dú)立用或配套用的、不構(gòu)成配電網(wǎng)絡(luò)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(diào)壓器和小型電抗器；③電源和開關(guān)型電源；裝有一個(gè)或多個(gè)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(biāo)志的變壓器。

關(guān)于變壓器溫升（即發(fā)熱試驗(yàn)），標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，變壓器及其支承件的溫度不得過高。其中構(gòu)成變壓器的各個(gè)繞組的發(fā)熱是決定變壓器溫升的主要因素。

2 發(fā)熱試驗(yàn)的測(cè)試過程

發(fā)熱實(shí)驗(yàn)的主要測(cè)試過程詳述如下[1][2][3]：

2.1 設(shè)定參數(shù)

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

2）根據(jù)待測(cè)變壓器的額定輸出電壓和功率(如：AC55V，130W)，設(shè)定電子負(fù)載ZSAC1426的電壓和功率，并將操作模式設(shè)為恒阻模式。

2.2 冷態(tài)電阻和初始環(huán)境溫度采集

在關(guān)閉EC1000S輸出狀態(tài)下，通過數(shù)據(jù)采集儀34970A采集環(huán)境溫度t1和此時(shí)的變壓器的冷態(tài)電阻R1。

2.3 判斷電流穩(wěn)定值

打開EC1000S輸出，接通回路，讀取電子負(fù)載ZSAC1426的實(shí)時(shí)電壓值，待電流穩(wěn)定后，記錄該穩(wěn)定電流值I，并關(guān)閉電源EC1000S輸出，回路斷開。

2.4 重新設(shè)定參數(shù)

1）將電子負(fù)載ZSAC1426設(shè)定了恒流模式，電流值為上述測(cè)得的穩(wěn)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(wěn)定值（初判）

重新打開EC1000S輸出，接通回路；

通過數(shù)據(jù)采集器34970A實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繞組溫度變化（或延長(zhǎng)一段時(shí)間），初步判斷繞組溫度是否穩(wěn)定，待溫度穩(wěn)定后，進(jìn)入第二次電壓穩(wěn)定判斷。

2.6 第二次電壓穩(wěn)定判斷

讀取電子負(fù)載ZSAC1426的實(shí)時(shí)電壓值，并判斷穩(wěn)定點(diǎn)，待電壓穩(wěn)定后，關(guān)閉電源EC1000S和ZSAC1426。

2.7 采集電阻值

回路斷開后，用34970A采集此時(shí)的環(huán)境溫度t2；并每隔一個(gè)相等的時(shí)間間隔（2s），用34970A采集繞組的電阻值，連續(xù)讀取10個(gè)點(diǎn)，擬合得到時(shí)間-電阻曲線，通過線性回歸法外推算出斷電時(shí)變壓器的熱態(tài)電阻值R2。

2.8 計(jì)算溫升

通過上述測(cè)得的t1、t2、R1和R2，應(yīng)用電阻-溫升公式計(jì)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(huán)境溫度為t1下，試驗(yàn)開始時(shí)的電阻；

R2—當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的電阻；

圖1 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)備連接示意圖

K—對(duì)銅234. 5，對(duì)鋁225；

t1—試驗(yàn)開始時(shí)的環(huán)境溫度；

t2—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的環(huán)境溫度。

3 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的硬件部分

3.1 使用測(cè)試設(shè)備與互連

現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備是目前所在試驗(yàn)室進(jìn)行變壓器繞組溫升試驗(yàn)所須3種儀器設(shè)備：可編程電源EC1000S（配備1臺(tái)）、程控交直流電子負(fù)載ZSAC1426（配備4臺(tái)）、數(shù)據(jù)采集儀34970A（配備1臺(tái)，四端法電阻和熱電偶2塊數(shù)據(jù)采集卡）；連接示意如圖1所示。

3.2 硬件開發(fā)

自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的硬件部分主要涉及：各臺(tái)分立測(cè)試設(shè)備與工控機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信連接信道、控制信道與數(shù)據(jù)采集等部件、集成控制繼電器電路的配套與安裝。

1）實(shí)現(xiàn)多臺(tái)現(xiàn)有測(cè) 試設(shè)備的不同接口（包括RS232、USB、IEEE488等）與工控計(jì)算機(jī)之間通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布B接，進(jìn)行安裝與運(yùn)行，滿足標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試過程中實(shí)時(shí)通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2）擴(kuò)展性：控制接口與電路連接可為今后多路測(cè)試的情況進(jìn)行預(yù)留（以4路次級(jí)輸出的并行測(cè)試作為基本硬件實(shí)現(xiàn)）；

圖2 變壓器自動(dòng)系統(tǒng)的集成控制模塊組硬件設(shè)計(jì)圖紙

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

完成主控電路的構(gòu)建和配套安裝，滿足測(cè)試過程中各流程功能實(shí)現(xiàn)的硬件要求，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)測(cè)試設(shè)備間的自動(dòng)控制與電路切換，就需要開發(fā)一個(gè)變壓器自動(dòng)系統(tǒng)的集成控制模塊組，基本硬件設(shè)計(jì)見圖2。

4 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的軟件部分

軟件方面，采用LabVIEW（Laboratory Virtual instr-ument Engineering）軟件開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW 集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232 和RS-485 協(xié)議的硬件和數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)各臺(tái)分立測(cè)試設(shè)備與工控機(jī)之間的通信接口驅(qū)動(dòng)與控制信令，上位機(jī)主程序包括：軟件總流程及用戶界面設(shè)置、自動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)后處理模塊及輔助功能模塊。

1）實(shí)現(xiàn)各臺(tái)分立測(cè)試設(shè)備與工控機(jī)之間的接口通信與控制，在工控機(jī)上完成各設(shè)備的分立可視界面，可分別控制已連接設(shè)備的電路通/斷、電壓電流等輸出開/關(guān)，以及電參數(shù)的人工設(shè)置與輸入、電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)置、數(shù)據(jù)輸出與存儲(chǔ)等操作（以現(xiàn)有技術(shù)水平保證最終系統(tǒng)運(yùn)行效率達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，某些時(shí)間節(jié)點(diǎn)可采用手動(dòng)輸入與計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制相結(jié)合的方式）。

2）根據(jù)測(cè)試過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的功能要求完成各流程的軟件模塊，最終主程序能夠?qū)崿F(xiàn)兩次穩(wěn)定點(diǎn)的時(shí)間判定、測(cè)試設(shè)備參數(shù)自動(dòng)重設(shè)、溫度穩(wěn)定后數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、回歸算法調(diào)用、數(shù)學(xué)回歸計(jì)算，以及最終繞組溫升求值。

3）以4路次級(jí)輸出線圈的同時(shí)測(cè)試作為基本實(shí)現(xiàn)，用戶操作界面可實(shí)現(xiàn)本次測(cè)試樣品的數(shù)量選擇（單樣品或?qū)ΨQ式雙樣品）及樣品對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)選擇（不同輸出路數(shù)（≤4）作為選項(xiàng)），并根據(jù)客戶的選項(xiàng)，配置對(duì)應(yīng)的軟件模塊、流程，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)硬件的控制。

圖3 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的流程圖

4）系統(tǒng)管理終端實(shí)現(xiàn)流程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和查看功能，用戶界面設(shè)置為在節(jié)點(diǎn)時(shí)間客戶可自行選擇自動(dòng)或手動(dòng)方式的自由切 換：對(duì)自動(dòng)化流程進(jìn)行到哪一步可以隨時(shí)進(jìn)行查看，方便測(cè)試工程師進(jìn)行必要的人工干預(yù)，同時(shí)方便其掌握和調(diào)整試驗(yàn)進(jìn)度。

5）主程序的管理終端具備過程數(shù)據(jù)的顯示和圖表生成功能，根據(jù)出具測(cè)試報(bào)告所需提供原始數(shù)據(jù)的要求，設(shè)置報(bào)告格式，將檢測(cè)試驗(yàn)中采集到的有效數(shù)據(jù)顯示并存儲(chǔ)，作為試驗(yàn)的原始記錄生成報(bào)告并打??；未錄入報(bào)告的其它過程數(shù)據(jù)仍執(zhí)行后臺(tái)存儲(chǔ)，且能實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程結(jié)束后隨時(shí)調(diào)用和輸出。

6）控制信道為今后多路測(cè)試情況進(jìn)行預(yù)留，軟件系統(tǒng)具備可升級(jí)、兼容性和多路重置性。

7）自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)完成的主要環(huán)節(jié)與詳細(xì)流程設(shè)置見圖3。

5 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的應(yīng)用

目前，實(shí)驗(yàn)室全人工測(cè)試時(shí)，一個(gè)變壓器繞組的溫升試驗(yàn)少則4個(gè)小時(shí)，多則8個(gè)小時(shí)以上，占用了大量的試驗(yàn)人力。同時(shí)由于人員在設(shè)備設(shè)置、個(gè)人操作習(xí)慣、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解程度，對(duì)設(shè)備熟悉程度等方面存在的差異，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不確定度高，試驗(yàn)結(jié)果一致性差等問題。該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)通過初步的調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，能大幅提高在繞組溫升項(xiàng)目檢測(cè)的準(zhǔn)確性和檢測(cè)效率：

1）檢測(cè)效率提高：目前該系統(tǒng)可對(duì)兩個(gè)變壓器樣品（單試樣或雙試樣，最大4路次級(jí)輸出）并行測(cè)試，較大程度上縮短了人員在線時(shí)間，預(yù)留控制端口也為未來(lái)更多樣品的并行測(cè)試埋下進(jìn)一步開發(fā)的潛在性，提高了設(shè)備使用率。

2）準(zhǔn)確度提高：采用文獻(xiàn)[4]的不確定度評(píng)定方法和項(xiàng)目，比對(duì)手動(dòng)測(cè)試的試驗(yàn)案例，對(duì)冷態(tài)電阻的誤差、延時(shí)引起的誤差、熱態(tài)電阻的誤差，以及重復(fù)性等多方面的不確定度來(lái)源，采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)的過程都較大地降低了誤差量值，因此，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可顯著降低。詳細(xì)的驗(yàn)證過程和推導(dǎo)計(jì)算會(huì)在后續(xù)文章中給出。

6 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)很多基礎(chǔ)檢測(cè)領(lǐng)域的自動(dòng)化流程開發(fā)處于起步階段，檢測(cè)中往往最常用的設(shè)備是基礎(chǔ)物理層設(shè)備，比如交直流電源與電子負(fù)載等，這些設(shè)備的專業(yè)供應(yīng)商幾乎都配備通用數(shù)據(jù)接口（如GPIB總線、RS232總線、更好的USB接口等），為客戶應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的二次開發(fā)預(yù)埋了潛在的途徑，然而這些可編程可控制的接口實(shí)際上真正被利用到的概率和被開發(fā)的程度都很低下。越是基礎(chǔ)的底層測(cè)試設(shè)備越有開發(fā)的價(jià)值，將多臺(tái)設(shè)備組建并掛接相應(yīng)軟件成為“合成儀器”用以代替人力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜檢測(cè)流程，所涉及的軟硬件領(lǐng)域越多，實(shí)現(xiàn)難度也越大。對(duì)于更熟悉標(biāo)準(zhǔn)流程的專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)而言，需要更加方便適用的模塊化軟件結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、流程化的自動(dòng)測(cè)試體系，對(duì)于這方面的研究工作，任重而道遠(yuǎn)。本文研究開發(fā)的變壓器發(fā)熱試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，針對(duì)底層測(cè)試儀器研制，已驗(yàn)證可提高測(cè)試的效率并減少人為誤差的產(chǎn)生，對(duì)基礎(chǔ)檢測(cè)領(lǐng)域的自動(dòng)化測(cè)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(chǎn)品的安全 第1部分：通用要求和試驗(yàn)[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?yán)?用熱阻法測(cè)量變壓器繞組的溫升[A]. 02 全國(guó)電工測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].2002:167-169.

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