基于LabVIEW的變壓器繞組發(fā)熱試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試軟件

蔡振峰，許 毅，陸 斌，萬 鐳，沈海舟

（1. 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；2. 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）

基于LabVIEW的變壓器繞組發(fā)熱試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)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(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；2. 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）

遵照變壓器認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GB 19212.1 (IEC 61558-1)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)試驗(yàn)中最廣泛使用的熱阻法，并使用常見的離線測(cè)試方式和經(jīng)驗(yàn)公式代入計(jì)算法，編寫了一套基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境的自動(dòng)測(cè)試軟件，構(gòu)建以圖形化軟件為核心的下一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。

變壓器；型式試驗(yàn)；繞組；溫升；發(fā)熱；熱阻法

引言

目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室配備的各測(cè)試儀器之間可集成度低下，自動(dòng)化水平相比工業(yè)大生產(chǎn)的發(fā)展程度而言嚴(yán)重滯后。從80年代至今30年以來，國(guó)際上高精尖檢測(cè)機(jī)構(gòu)的工程師們一直致力于用軟件定義的“合成”儀器開發(fā)各種自動(dòng)化流程并拓展其在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。而驅(qū)動(dòng)合成儀器完成自動(dòng)化功能的重要軟件部分，其發(fā)展歷史則經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：早期儀器控制階段，以儀器驅(qū)動(dòng)程序庫為主導(dǎo)；基于PC的虛擬儀器中期階段；現(xiàn)今的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)高級(jí)階段，為自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)提供更大的靈活性，縮短開發(fā)新系統(tǒng)或升級(jí)舊系統(tǒng)的時(shí)間，降低自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)的研發(fā)成本，對(duì)專門從事認(rèn)證檢驗(yàn)的試驗(yàn)室或生產(chǎn)企業(yè)出廠檢驗(yàn)室而言，可起到減小測(cè)試系統(tǒng)物理體積、改善測(cè)試質(zhì)量、降低人工誤操作率并延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命等作用。

隨著測(cè)試要求日漸復(fù)雜化，越來越多的測(cè)試工程師選擇采用圖形化軟件定義的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)，從而取得更大的靈活性、可移植性和可重配置性，同時(shí)花費(fèi)更低的測(cè)試成本實(shí)現(xiàn)更好的性能表現(xiàn)。特別是附件產(chǎn)品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室在此領(lǐng)域的自動(dòng)化測(cè)試能力亟待進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)。作為電器產(chǎn)品中的重要零部件之一的繞組類產(chǎn)品，其工作過程中的溫升（也稱為“發(fā)熱”）直接影響了電器產(chǎn)品的性能和安全，是衡量電器產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能的重要指標(biāo)。但是由于繞組部分的發(fā)熱試驗(yàn)過程繁瑣，需要手動(dòng)參與的環(huán)節(jié)較多，且需要考慮的參數(shù)變量較多，單臺(tái)檢測(cè)設(shè)備無法完成檢測(cè)，而不同生產(chǎn)廠家的各檢測(cè)設(shè)備的擴(kuò)展接口、連接方式等均有較大差異，對(duì)儀器控制與自動(dòng)化檢測(cè)流程的開發(fā)能力要求高而需求更加迫切。

1 繞組類產(chǎn)品溫升（發(fā)熱）試驗(yàn)檢驗(yàn)的現(xiàn)狀

繞組溫升標(biāo)準(zhǔn)一般推薦采用電阻值-溫度變化法（稱為熱阻法）測(cè)量，而直流電阻值的測(cè)量通常是通過斷開變壓器交流供電電路后，每隔一個(gè)相等的時(shí)間間隔讀取一次電阻值，連續(xù)讀取10個(gè)以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)，而后擬合成一條時(shí)間-電阻的曲線，并推算出斷電時(shí)的線圈繞阻值的方法來確定的[1][2]。

主要測(cè)試設(shè)備中有電源部分、負(fù)載部分、四端法電阻測(cè)試電路、時(shí)間控制部分等部件組成。項(xiàng)目中，需要使用多種分立的電路構(gòu)成和測(cè)試設(shè)備協(xié)同工作，共同搭建一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，不同的測(cè)試任務(wù)還可能需要變換試驗(yàn)條件，試驗(yàn)時(shí)工作電壓和輸出負(fù)載的設(shè)置，都因產(chǎn)品額定值的不同而不同，整套測(cè)試電路的配置、調(diào)試、設(shè)定復(fù)雜度高，手動(dòng)操作效率低下；測(cè)試過程中電路的穩(wěn)定點(diǎn)、熱點(diǎn)位置等都難以用人工控制和準(zhǔn)確捕捉，目測(cè)的失誤率高，工程師人員在線時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)性差，且測(cè)試結(jié)果中有效數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)分析與處理都需手動(dòng)進(jìn)行，傳統(tǒng)方法造成測(cè)試結(jié)果的報(bào)告周期長(zhǎng)且準(zhǔn)確性差。

2 測(cè)試儀器的選用與互通

變壓器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由自動(dòng)測(cè)試軟件和硬件測(cè)試儀器組成。自動(dòng)測(cè)試軟件可以實(shí)現(xiàn)與各臺(tái)硬件設(shè)備的通信、數(shù)據(jù)采集以及設(shè)備參數(shù)、輸入和輸出控制等功能；硬件設(shè)備包括一臺(tái)工控機(jī)和四種檢測(cè)設(shè)備。

可編程控制電源EC1000S：為變壓器初級(jí)繞組提供輸入電壓和電流；

圖1 變壓器繞組溫升自動(dòng)化測(cè)試軟件的操作流程圖

數(shù)據(jù)采集儀34970A配置兩塊數(shù)據(jù)采集接口板：接口板1，采集環(huán)境溫度和變壓器上布點(diǎn)的溫度；接口板2，采集變壓器各個(gè)繞組的電阻（四端法）；

交流電子負(fù)載ZSAC1426(4臺(tái))：為變壓器次級(jí)提供負(fù)載。

本系統(tǒng)是以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)同型號(hào)的變壓器樣品（最多4路次級(jí)輸出）并行測(cè)試為基本配備，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)自身設(shè)備配備情況和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展。

3 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試過程與自動(dòng)化測(cè)試軟件的操作流程

針對(duì)電子電路類變壓器繞組的發(fā)熱試驗(yàn)，主要環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)均參照和遵循變壓器認(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)》[3][4]與實(shí)施細(xì)則的要求[5]進(jìn)行，測(cè)試過程中軟件執(zhí)行的主要操作流程見圖1。

軟件執(zhí)行幾個(gè)判定穩(wěn)定的方法如下：

1）判斷電壓穩(wěn)定方法：34970A在1分鐘內(nèi)采集6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（10秒采集一次），6個(gè)點(diǎn)的最大值和最小值之差若小于0.01V，則視為電壓穩(wěn)定，由于負(fù)載處于恒阻模式，因此電壓穩(wěn)定即為標(biāo)準(zhǔn)要求的電流穩(wěn)定，下一步可讀取穩(wěn)定狀態(tài)的電流值。

2）初步判斷溫度穩(wěn)定方法（熱電偶直接測(cè)溫）：34970A在1分鐘內(nèi)采集6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（10秒采集一次），6個(gè)點(diǎn)的最大值和最小值之差若小于0.1℃，則視為溫度初步穩(wěn)定。

3）判斷溫度穩(wěn)定方法（精確判定）：由于“初步判斷溫度穩(wěn)定”是基于34970A熱電偶采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，不是繞組內(nèi)部的確切溫度，因此增加“延時(shí)15分鐘”、“采集電阻計(jì)算溫升”和“判斷三次溫升差”的三個(gè)步驟來精確判斷繞組溫度是否達(dá)到穩(wěn)定，也是熱阻法的基本原理所在。

4 自動(dòng)測(cè)試軟件的上位機(jī)界面庫

“繞組溫升自動(dòng)測(cè)試軟件”是基于LABVIEW 2012（Laboratory Virtual instrument Engineering）平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的上位機(jī)，底層程序編寫采用了模塊化結(jié)構(gòu)，測(cè)試過程中人機(jī)對(duì)話由十個(gè)主界面組成，分別為“登陸界面”、“測(cè)試主界面”、“設(shè)備連通測(cè)試界面”、“試樣選擇界面”、“變壓器參數(shù)設(shè)定界面”、“變壓器冷態(tài)電阻采集界面”、“電壓穩(wěn)定判斷界面”、“溫度穩(wěn)定判斷、溫度采集界面”、“變壓器電阻值采集、電阻擬合界面”、“數(shù)據(jù)保存界面”。

圖2 測(cè)試主界面

考慮到篇幅有限，僅給出主要設(shè)置和流程界面的展示，并簡(jiǎn)要說明其中操作要點(diǎn)：

1）測(cè)試主界面

在登陸界面中，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”即可進(jìn)入測(cè)試主界面“繞組溫升自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”（如圖2所示）。測(cè)試主界面用于控制試驗(yàn)流程、觀查試驗(yàn)進(jìn)度和顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

“儀器連通測(cè)試”：?jiǎn)?dòng)儀器連通測(cè)試界面；

“變壓器參數(shù)設(shè)定”：?jiǎn)?dòng)變壓器試樣選擇和參數(shù)設(shè)定界面；

“測(cè)量”：按照標(biāo)準(zhǔn)流程實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的自動(dòng)化；

“數(shù)據(jù)檢索”：試驗(yàn)結(jié)束后，可檢索試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括最后的電阻擬合曲線圖、回歸擬合采集點(diǎn)、試驗(yàn)結(jié)果、最終溫度、各個(gè)時(shí)刻的溫度值；

圖3 試樣選擇界面

圖4 變壓器參數(shù)設(shè)定界面

“數(shù)據(jù)保存”：將試驗(yàn)結(jié)果保存為EXCEL文檔。

2）變壓器試樣選擇、變壓器參數(shù)設(shè)定界面

點(diǎn)擊測(cè)試主界面的“變壓器參數(shù)設(shè)定”，可進(jìn)入試樣選擇界面，如圖3所示。

本系統(tǒng)以單試樣（1路或2路輸出）或雙試樣（最高4路輸出）為標(biāo)準(zhǔn)配置，默認(rèn)最多可控制四臺(tái)電子負(fù)載，對(duì)六類不同的變壓器進(jìn)行繞組溫升試驗(yàn)。這六類變壓器試驗(yàn)配置分別是：?jiǎn)卧嚇訒r(shí)，1個(gè)次級(jí)線圈（1-1）、2個(gè)次級(jí)線圈（1-2）、3個(gè)次級(jí)線圈（1-3）、4個(gè)次級(jí)線圈（1-4）的情況；雙試樣時(shí)，每個(gè)試樣具有1個(gè)次級(jí)線圈（2-1），2個(gè)次級(jí)線圈（2-2）的情況。

點(diǎn)擊本次試驗(yàn)的試樣類別，如“2-2”，可進(jìn)入變壓器參數(shù)設(shè)定界面，如圖4所示。用戶需設(shè)定變壓器初級(jí)線圈的“輸入電壓”和“輸入頻率”，以及次級(jí)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(jí)線圈的參數(shù)輸入方式：“電壓/電流”或“電壓/功率”。點(diǎn)擊“輸入?yún)?shù)”，系統(tǒng)將會(huì)把參數(shù)設(shè)定到EC1000S和ZSAC1426中。對(duì)于“雙試樣”的情況，由于本系統(tǒng)的硬件設(shè)備中默認(rèn)配備只有一臺(tái)電源EC1000S，因此本系統(tǒng)只適用于兩個(gè)變壓器的輸入電壓和輸入頻率一致的情況，即同一種型號(hào)變壓器樣品。根據(jù)試驗(yàn)室自身配備情況，本系統(tǒng)可方便進(jìn)行相應(yīng)的同路復(fù)制與多路擴(kuò)展。

3）冷態(tài)電阻采集界面

當(dāng)儀器連通測(cè)試成功，變壓器參數(shù)設(shè)定完成后，即可開始試驗(yàn)。點(diǎn)擊測(cè)試主界面中的“測(cè)量”，首先將進(jìn)入冷態(tài)電阻采集界面，如圖5所示。

圖5 冷態(tài)電阻采集界面

根據(jù)數(shù)據(jù)采集儀34970A的功能要求，系統(tǒng)中作為基礎(chǔ)配備的一塊采集卡可允許10個(gè)通道同時(shí)使用四端法采集不同的電阻。對(duì)于不同的通道201～210，通過各自對(duì)應(yīng)的“是否使用”按鈕可打開和關(guān)閉該通道。當(dāng)使用某一通道時(shí)，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(dòng)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(jù)需求自行設(shè)置電阻值的“采集頻率”，單位秒（數(shù)值n≥1）。待冷態(tài)電阻穩(wěn)定后，點(diǎn)擊停止采集，系統(tǒng)將關(guān)閉冷態(tài)電阻采集界面，并進(jìn)入下一步操作。

4）溫度穩(wěn)定點(diǎn)判斷、溫度采集界面

第一次電壓穩(wěn)定判斷完畢后，重新設(shè)定EC1000S和ZSAC1426的參數(shù)，電子負(fù)載之前的恒阻模式轉(zhuǎn)為恒流模式，系統(tǒng)通過34970A的熱電偶初步判斷繞組溫升的穩(wěn)定點(diǎn)，并監(jiān)測(cè)變壓器其它部位的溫度，溫度穩(wěn)定點(diǎn)判斷、溫度采集界面如圖6所示。

溫度穩(wěn)定判斷操作步驟：

第一步：“是否使用”可打開/關(guān)閉對(duì)應(yīng)的通道，如果使用，點(diǎn)擊深綠色燈，打開該通道，即可在溫度監(jiān)測(cè)界面中觀測(cè)到該通道的實(shí)時(shí)溫度值和不同時(shí)刻的溫度曲線圖；

第二步：從使用的通道號(hào)中選擇需要用來監(jiān)測(cè)穩(wěn)定的通道，如果該通道用于監(jiān)測(cè)穩(wěn)定，在對(duì)應(yīng)的“是否監(jiān)測(cè)穩(wěn)定”一欄中將會(huì)出現(xiàn)小綠燈以作區(qū)別，待達(dá)到穩(wěn)定后，小綠燈會(huì)變亮；

第三步：對(duì)使用的通道名稱不能為空，用戶需填寫該通道溫度監(jiān)測(cè)對(duì)象，比如“環(huán)境溫度”，“初級(jí)繞組”，“次級(jí)繞組”等；

圖6 溫度穩(wěn)定點(diǎn)判斷、溫度采集界面

第四步：?jiǎn)?dòng)穩(wěn)定判斷，當(dāng)前面步驟設(shè)置完成后，必須啟動(dòng)穩(wěn)定判斷，顯示“正在判斷…”系統(tǒng)才開始判斷溫度穩(wěn)定點(diǎn)。

“試驗(yàn)定時(shí)”：當(dāng)變壓器長(zhǎng)時(shí)間都未能達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)后根據(jù)“試驗(yàn)定時(shí)”的時(shí)間自動(dòng)結(jié)束試驗(yàn)，并自動(dòng)進(jìn)入一步，默認(rèn)時(shí)間為4小時(shí)；

“變化率設(shè)定”：本系統(tǒng)溫度穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)是1分鐘內(nèi)采集三十個(gè)溫度點(diǎn)，當(dāng)這三十個(gè)點(diǎn)的最大值和最小值之差小于變化率時(shí)，即判定為穩(wěn)定；

“采集點(diǎn)數(shù)”：一分鐘采集的進(jìn)程，共30個(gè)點(diǎn)；

“啟動(dòng)穩(wěn)定判斷”：按下該鍵，變?yōu)椤罢谂袛唷焙?，系統(tǒng)開始進(jìn)入溫度穩(wěn)定判斷。

溫度曲線監(jiān)測(cè)界面用于監(jiān)測(cè)溫度值變化，用戶可通過左側(cè)數(shù)據(jù)框來監(jiān)測(cè)20個(gè)通道實(shí)時(shí)溫度，以及不同時(shí)刻的溫度曲線。用戶可在曲線界面中點(diǎn)擊右鍵選擇“清除圖表”來清除全部的曲線圖，系統(tǒng)將從此時(shí)刻重新繪制溫度曲線。若用戶需要監(jiān)測(cè)某一個(gè)通道的溫度曲線圖，可在右側(cè)圖例中點(diǎn)擊右鍵，隱藏其它通道曲線，只保留需要監(jiān)測(cè)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(wěn)定判斷完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉EC1000S和ZSAC1426，斷開回路，進(jìn)入電阻值采集、回歸擬合界面，如圖7所示。

電阻值采集時(shí)，每隔5秒采集一個(gè)電阻值，共采集10個(gè)電阻值，并調(diào)用回歸算法，得到回路剛斷開時(shí)的繞組熱態(tài)電阻值R2。

“擬合-原始數(shù)據(jù)”：用戶可通過下拉菜單選擇不同通道，在右側(cè)圖表中觀測(cè)每個(gè)通道的原始數(shù)據(jù)和擬合曲線；

圖7 電阻值采集、回歸擬合界面

“容差”：即置信區(qū)間設(shè)定，用戶可選擇不同的容差值以得到不同準(zhǔn)確度的擬合曲線；

“方法”：用戶可選擇不同的擬合方法來進(jìn)行電阻值的數(shù)據(jù)擬合，本軟件設(shè)置有三種方法可選，分別為“最小二乘法”、“最小絕對(duì)殘差”、“Bisquare”。其中，默認(rèn)采用、也是最常被使用的就是最小二乘法。

5 結(jié)語

本工作針對(duì)電子電路類變壓器產(chǎn)品的繞組發(fā)熱試驗(yàn)，開發(fā)了一套智能自動(dòng)化測(cè)試軟件。該自動(dòng)化測(cè)試軟件旨在建立以計(jì)算機(jī)為控制中心的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，利用相應(yīng)的工程軟硬件技術(shù)，后期進(jìn)一步結(jié)合儀器控制技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定時(shí)采集及數(shù)據(jù)后處理的全自動(dòng)測(cè)試。其實(shí)現(xiàn)效果是可減少人員在線時(shí)間，將檢測(cè)工程師從單一冗長(zhǎng)且繁瑣的測(cè)試過程中解放出來，提高測(cè)試效率，降低人為誤差概率，提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，服務(wù)于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室或變壓器生產(chǎn)廠商，使測(cè)試工程師能夠方便、快捷、準(zhǔn)確地完成檢測(cè)項(xiàng)目并出具檢測(cè)報(bào)告，其后期有效應(yīng)用必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工測(cè)試方式推動(dòng)下一代測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)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(shè)計(jì)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(chǎn)品的安全第1部分：通用要求和試驗(yàn)[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?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.

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(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器儀表工程在讀研究生，現(xiàn)就職于上海市質(zhì)檢院電子電器與家用電器檢驗(yàn)所附件檢驗(yàn)室,工程師，主要從事附件產(chǎn)品的檢驗(yàn)工作.

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)立項(xiàng)的科研項(xiàng)目“繞組溫升自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2013-20）