開關(guān)電源變壓器溫升測試的探討

楊靜

摘 要：變壓器作為元件，廣泛應(yīng)用于電氣產(chǎn)品中。隨著廣泛應(yīng)用，研究解決其使用過程中溫升帶來的問題也愈發(fā)重要。影響溫升的因素眾多，主要還在于制作材料的選擇。溫升測量過程中，對其不確定性評估既是評定要求，也是重要指標(biāo)，對于實際操作具有重要意義。本文將采用電阻法測量繞組溫度，分析在測量溫升過程中遇到的問題以及改善方案。

關(guān)鍵詞：變壓器;電阻法;帶電繞阻溫升;改善

中圖分類號：TN9TM4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0106-02

0 引言

變壓器廣泛地應(yīng)用在包括醫(yī)療產(chǎn)品的電氣產(chǎn)品中，作為一種元件，用途是傳遞功率及電壓。隨著變壓器的廣泛應(yīng)用，對其溫度的測量愈發(fā)重要，主要在于過高的溫度會使得變壓器絕緣體失效，可能會出現(xiàn)著火或觸電的情況。一般而言，象漆層、骨架等變壓器原材料可以承受一定范圍的溫度，如果運行溫度沒有過高，設(shè)備一般都能進行正常工作。當(dāng)設(shè)備在正?；蚓植抗收系那闆r下，則需要考慮高溫對變壓器絕緣的影響。

目前市場上測量繞組溫升，特別是開關(guān)變壓器領(lǐng)域存在一定的問題，因為很多在線電阻測試儀器僅適用于工頻條件下，鑒于此，本文將對開關(guān)變壓器繞組升溫準(zhǔn)確度進行研究。

1 常見變壓器幾種類型以及基本組成

干式變壓器技術(shù)成熟，國外1960年開始生產(chǎn)，多用于小功率電氣產(chǎn)品。干式變壓器具有耐熱等級高、安全性能好，體積小和重量輕的特點，其結(jié)構(gòu)、工藝也呈多樣化，工藝主要有繞包、填料（石英粉）以及純樹脂等，結(jié)構(gòu)常見則為R型、EI型、環(huán)形以及C型。鑒于其特性，電器產(chǎn)品經(jīng)常使用干變，其組成部分有以下幾個：

1.1 鐵心

鐵心材料隨著變壓器的類型略有不同，一般由坡莫合金、硅鋼片以及鐵氧體構(gòu)成。鐵心常見的硅鋼板，型態(tài)一般為口型、E型以及C型，采用熱軋或者冷軋技術(shù)制作而成。根據(jù)變壓器性能選用，使用較為頻繁的為E型鐵心。

1.2 骨架

骨架其一般用絕緣材料制作，常見的有玻璃纖維、青殼紙以及酚醛樹脂等，成本較低的尼龍也可用于制作骨架。

1.3 線包

除了較為常見的漆包線外，通常還有絲包線、沙包線等。導(dǎo)線作為重要組成部分，從安全角度而言，需要絕緣漆層有一定的耐熱性能，從實用角度來說，需要具有導(dǎo)電良好以及耐腐蝕性。

1.4 浸漬材料

變壓器在制作中，為了能使得提高絕緣性能、延長使用壽命以及增強機械強度等，需要進行浸漬操作。浸漬作為其制作過程中的最后一道工序，浸漬材料一般選用甲酚清漆，制作成絕緣漆。絕緣材料諸如骨架、線包、浸漬材料等不僅可以保證電氣產(chǎn)品安全長期運行，同時也是一項反映先進技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵條件。

變壓器工作時，銅和鐵（磁）損耗會產(chǎn)生溫升，其工作時的功率損耗可以產(chǎn)生熱量，為了達到熱平衡，這些熱量分為兩部分，并相互作用。首先，變壓器表面將有部分熱量通過傳導(dǎo)、輻射等方式散發(fā)，并最終到達其附近的介質(zhì);其次，部分熱量通過吸收的方式，提高鐵芯（磁芯）以及線包的溫度，這部分會使得其溫度大于環(huán)境溫度，最終出現(xiàn)溫升的情況。決定變壓器溫升的因素有很多，導(dǎo)致有一部分送檢單位對絕緣體等級不了解，甚至錯誤定義絕緣體等級。實際上，絕緣體分為五個等級，這些等級分別變壓器繞組采用的絕緣材料的耐熱等級，不同等級的絕緣材料所允許的工作溫度各有不同。

2 開關(guān)電源變壓器溫升測試研究

2.1電阻法測量繞組溫度的有關(guān)規(guī)定

電阻法測試開關(guān)變壓器溫升需要遵循以下幾種國家標(biāo)準(zhǔn)，以此才能保證測試結(jié)果具有科學(xué)性和可靠性。其具體內(nèi)容如下：（1）GB8898-2011音頻及類似電子設(shè)備的安全。該標(biāo)準(zhǔn)第7.1條中明確規(guī)定設(shè)備在使用過程中每個元件均不能超過安全使用溫度。檢驗其溫度方法為在設(shè)備正常工作4小時后，對其溫升進行測量。若設(shè)備是繞組，則可以采用電阻變化法或其他能夠測量繞組平均溫度的辦法。繞組之外的情況，則可以采用任何能夠測定溫度的方法。（2）GB4943-2011信息技術(shù)設(shè)備安全。該標(biāo)準(zhǔn)中第1.4.8條明確指出，對于繞組溫升測量，在沒有規(guī)定具體測量方法時，可以采用電阻法或熱電偶法測量。除繞組外，其他部位零件的溫度，應(yīng)該采用熱電偶方法，但同時也指出可以采用其他任何不影響元件熱平衡且具有準(zhǔn)確性的測量方法。（3）GB4793.1-2007測量、控制和實驗室用電氣設(shè)備的安全要求。該規(guī)范中表3中第4點明確給出繞組溫度應(yīng)該采用溫度傳感器或者電阻法進行測量，并且溫度傳感器的選擇與使用不能對原有器件的溫度產(chǎn)生影響，當(dāng)繞組不均勻，或者無法測量電阻時，可以優(yōu)先采用溫度傳感器方法。

在相關(guān)文獻中，一些研究人員認(rèn)為可以采用熱電偶來測量開關(guān)變壓器的繞組溫升，但是實際上這種測量方式不夠全面。繞組溫升是指其平均溫升，都是采用電阻法，個別情況才會采用熱電偶方法[1]。

2.2開關(guān)變壓器繞組溫升測量存在的問題

由上述分析可知，開關(guān)變壓器的繞組溫升無法進行在線測量，只能根據(jù)冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻值進行考察。在電阻還未工作之前，采用設(shè)備測出開關(guān)變壓器的冷態(tài)電阻值R1，然后開始測試，通電使其達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后切斷電源后測量電阻值，為了測量值盡可能準(zhǔn)確，所以需要對開關(guān)變壓器進行多次測量，記錄測量數(shù)據(jù)，繪制開關(guān)變壓器的電阻隨時間變化規(guī)律，從而推導(dǎo)出電源斷開瞬間的電阻值，即穩(wěn)定后的熱態(tài)電阻。通過如下計算公式來計算繞組溫升值：

上式中，△t、t1、t2分別是繞組的溫升、測試前的室溫、測試后的室溫，K為常數(shù)，對于銅質(zhì)的繞組，其值為234.5;對于鐵質(zhì)繞組，其值為225。

為了保證測量過程準(zhǔn)確性，要消除外電路或負(fù)載的影響，通常采取如下方法：斷開被測繞組引腳部位的銅箔，然后采用導(dǎo)線將其連接到開關(guān)上。在測試時，通過開關(guān)轉(zhuǎn)換可以接通電源和連接到萬能表，從而能夠測量繞組冷態(tài)和熱態(tài)的電阻。但是在實際測試過程中，由于數(shù)字多用表開始幾秒是處于無序變化中，然后才呈現(xiàn)規(guī)律下降。所以采用數(shù)字多用表來測試?yán)@組電阻值時，需要操作人員高度集中，準(zhǔn)確把握測量數(shù)據(jù)變化情況，總結(jié)規(guī)律，提高測量準(zhǔn)確性。

2.3開關(guān)變壓器的電阻法測試系統(tǒng)

通過上述分析可知，采用電阻法測量開關(guān)變壓器的溫升存在很大的主觀誤差，為了提高測量精度，本文設(shè)計出完善的電阻法測量系統(tǒng)，其具體內(nèi)容如圖1所示。

該體系主要有4個部分構(gòu)成，單片控制器、微型計算機、數(shù)字多用表以及繼電器組合裝置。每個部分具體作用如下：

2.3.1 單片控制器

單片控制器有直流電源（+5V）、濾波器、光電耦合器單片以及繼電器驅(qū)動電路組成。經(jīng)過實驗測試并編程后，固化到單片內(nèi)部分區(qū)，實現(xiàn)控制作用，其具體控制過程如圖2所示。

2.3.2 數(shù)字多用表

考慮到本次實驗對象為開關(guān)電源變壓器，所以數(shù)字多用表采用4位半就行，并且要保證對用表上有CP-IB接口以及外觸發(fā)端口，同時配有相關(guān)線纜。

2.3.3 繼電器組合裝置

本次研究繼電裝置采用了4種小型繼電器組成，用來替換手動切換裝置，為了使實驗更加準(zhǔn)確，在選擇小型繼電器時充分考慮了回跳時間、體積、分布電容、吸合時間、接點容量等問題。

2.3.4 微型計算機

采用帶有CP-IB接口卡的微型計算機。按照實驗設(shè)計連接電路和系統(tǒng)，微機通過輸出端口和CP-IB母線傳達控制信號，設(shè)置多用表的觸發(fā)方式、量程、功能等工作參數(shù)，將多用數(shù)字表作為“講者”，負(fù)責(zé)接收微機傳輸?shù)闹噶顢?shù)據(jù)，輸入測試前環(huán)境溫度t1，然后啟動單片控制器的測試按鈕，此時多用表就會測出冷態(tài)電阻R1值，同時將測試的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在微機里。10s后，繼電器J1吸合，同時J2、J3、J4斷開，并且J3、J4的靜合節(jié)點接到被測繞組的a、a`、b、b`，此時被測設(shè)備電路正常工作。啟動被測設(shè)備的電源開關(guān)，待其穩(wěn)定后，再開啟測試，同時斷開J1，關(guān)閉電源，J2吸合，被測繞組開始釋放能量，1s后J3、J4吸合而J2斷開，將被測繞組接入到數(shù)字多用表系統(tǒng)，1s后控制器發(fā)出指令，控制數(shù)字多用表采集數(shù)據(jù)，并將結(jié)果傳輸?shù)轿C儲存。然后每隔1s就開始重復(fù)上述步驟，直到采集到8組數(shù)據(jù)。最后，輸入測試后的環(huán)境溫度值t2。待所有數(shù)據(jù)采集完成后，微機根據(jù)編程計算公式對數(shù)據(jù)進行計算和處理，繪制出繞組電阻隨時間變化趨勢圖和溫升的數(shù)據(jù)，并出具紙板結(jié)果。

2.4開關(guān)變壓器溫升改善思考

開關(guān)變壓器是一旦出現(xiàn)溫升，短時間內(nèi)積聚大量的熱，導(dǎo)致開關(guān)變壓器損壞。從開關(guān)變壓器類型和結(jié)構(gòu)來看，繞線工藝、變壓器的銅損或鐵損、設(shè)計功率都會導(dǎo)致溫升問題?？蛰d發(fā)熱情況是變壓器輸入端的壓力過高或者絕緣破壞，這種情況需要重新繞線圈，通過增加線圈數(shù)量或者降低輸入端電壓來降低溫升。若是電壓正常，而出現(xiàn)發(fā)熱則需要降低設(shè)計負(fù)荷，避免大功率發(fā)熱。

3 結(jié)語

開關(guān)變壓器是電源變壓器的一種，它是一種通過開關(guān)控制元件來驅(qū)動高頻變壓器的器件，具有多種優(yōu)點：采用鐵氧體芯，避免鐵損和銅損等，同時體積小，功率高，能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境，廣泛被應(yīng)用于電氣產(chǎn)品中。對開關(guān)變壓器進行溫升測試，可以深入了解其發(fā)熱特點，并針對問題進行改進，提高開關(guān)變壓器的使用性能和應(yīng)用范圍。

參考文獻

[1] 孫建龍.開關(guān)電源變壓器繞組溫升測量的不確定度評估實例[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2012，30（B05）：52-54.