基于LabVIEW的变压器绕组发热试验自动测试软件

蔡振峰，许 毅，陆 斌，万 镭，沈海舟

（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）

基于LabVIEW的变压器绕组发热试验自动测试软件

蔡振峰1,2，许 毅2，陆 斌2，万 镭2，沈海舟2

（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）

遵照变压器认证标准GB 19212.1 (IEC 61558-1)中型式试验的关键项目-发热试验的一般要求，针对试验中最广泛使用的热阻法，并使用常见的离线测试方式和经验公式代入计算法，编写了一套基于LabVIEW开发环境的自动测试软件，构建以图形化软件为核心的下一代自动化测试系统。

变压器；型式试验；绕组；温升；发热；热阻法

引言

目前国内检测实验室配备的各测试仪器之间可集成度低下，自动化水平相比工业大生产的发展程度而言严重滞后。从80年代至今30年以来，国际上高精尖检测机构的工程师们一直致力于用软件定义的“合成”仪器开发各种自动化流程并拓展其在测量领域的应用。而驱动合成仪器完成自动化功能的重要软件部分，其发展历史则经历了三个主要阶段：早期仪器控制阶段，以仪器驱动程序库为主导；基于PC的虚拟仪器中期阶段；现今的图形化系统设计高级阶段，为自动化测试系统提供更大的灵活性，缩短开发新系统或升级旧系统的时间，降低自动化测试系统平台的研发成本，对专门从事认证检验的试验室或生产企业出厂检验室而言，可起到减小测试系统物理体积、改善测试质量、降低人工误操作率并延长系统使用寿命等作用。

随着测试要求日渐复杂化，越来越多的测试工程师选择采用图形化软件定义的模块化系统架构，从而取得更大的灵活性、可移植性和可重配置性，同时花费更低的测试成本实现更好的性能表现。特别是附件产品检测实验室在此领域的自动化测试能力亟待进行相应的开发。作为电器产品中的重要零部件之一的绕组类产品，其工作过程中的温升（也称为“发热”）直接影响了电器产品的性能和安全，是衡量电器产品质量和安全性能的重要指标。但是由于绕组部分的发热试验过程繁琐，需要手动参与的环节较多，且需要考虑的参数变量较多，单台检测设备无法完成检测，而不同生产厂家的各检测设备的扩展接口、连接方式等均有较大差异，对仪器控制与自动化检测流程的开发能力要求高而需求更加迫切。

1 绕组类产品温升（发热）试验检验的现状

绕组温升标准一般推荐采用电阻值-温度变化法（称为热阻法）测量，而直流电阻值的测量通常是通过断开变压器交流供电电路后，每隔一个相等的时间间隔读取一次电阻值，连续读取10个以上的数据点，而后拟合成一条时间-电阻的曲线，并推算出断电时的线圈绕阻值的方法来确定的[1][2]。

主要测试设备中有电源部分、负载部分、四端法电阻测试电路、时间控制部分等部件组成。项目中，需要使用多种分立的电路构成和测试设备协同工作，共同搭建一个测试系统，不同的测试任务还可能需要变换试验条件，试验时工作电压和输出负载的设置，都因产品额定值的不同而不同，整套测试电路的配置、调试、设定复杂度高，手动操作效率低下；测试过程中电路的稳定点、热点位置等都难以用人工控制和准确捕捉，目测的失误率高，工程师人员在线时间长、自动性差，且测试结果中有效数据的采集、统计分析与处理都需手动进行，传统方法造成测试结果的报告周期长且准确性差。

2 测试仪器的选用与互通

变压器自动测试系统由自动测试软件和硬件测试仪器组成。自动测试软件可以实现与各台硬件设备的通信、数据采集以及设备参数、输入和输出控制等功能；硬件设备包括一台工控机和四种检测设备。

可编程控制电源EC1000S：为变压器初级绕组提供输入电压和电流；

图1 变压器绕组温升自动化测试软件的操作流程图

数据采集仪34970A配置两块数据采集接口板：接口板1，采集环境温度和变压器上布点的温度；接口板2，采集变压器各个绕组的电阻（四端法）；

交流电子负载ZSAC1426(4台)：为变压器次级提供负载。

本系统是以实现两个同型号的变压器样品（最多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。

3 标准测试过程与自动化测试软件的操作流程

针对电子电路类变压器绕组的发热试验，主要环节的实现均参照和遵循变压器认证标准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》[3][4]与实施细则的要求[5]进行，测试过程中软件执行的主要操作流程见图1。

软件执行几个判定稳定的方法如下：

1）判断电压稳定方法：34970A在1分钟内采集6个数据点（10秒采集一次），6个点的最大值和最小值之差若小于0.01V，则视为电压稳定，由于负载处于恒阻模式，因此电压稳定即为标准要求的电流稳定，下一步可读取稳定状态的电流值。

2）初步判断温度稳定方法（热电偶直接测温）：34970A在1分钟内采集6个数据点（10秒采集一次），6个点的最大值和最小值之差若小于0.1℃，则视为温度初步稳定。

3）判断温度稳定方法（精确判定）：由于“初步判断温度稳定”是基于34970A热电偶采集的数据进行判断，不是绕组内部的确切温度，因此增加“延时15分钟”、“采集电阻计算温升”和“判断三次温升差”的三个步骤来精确判断绕组温度是否达到稳定，也是热阻法的基本原理所在。

4 自动测试软件的上位机界面库

“绕组温升自动测试软件”是基于LABVIEW 2012（Laboratory Virtual instrument Engineering）平台进行开发的上位机，底层程序编写采用了模块化结构，测试过程中人机对话由十个主界面组成，分别为“登陆界面”、“测试主界面”、“设备连通测试界面”、“试样选择界面”、“变压器参数设定界面”、“变压器冷态电阻采集界面”、“电压稳定判断界面”、“温度稳定判断、温度采集界面”、“变压器电阻值采集、电阻拟合界面”、“数据保存界面”。

图2 测试主界面

考虑到篇幅有限，仅给出主要设置和流程界面的展示，并简要说明其中操作要点：

1）测试主界面

在登陆界面中，点击“进入系统”即可进入测试主界面“绕组温升自动测试系统”（如图2所示）。测试主界面用于控制试验流程、观查试验进度和显示试验数据等。

“仪器连通测试”：启动仪器连通测试界面；

“变压器参数设定”：启动变压器试样选择和参数设定界面；

“测量”：按照标准流程实现试验的自动化；

“数据检索”：试验结束后，可检索试验数据，包括最后的电阻拟合曲线图、回归拟合采集点、试验结果、最终温度、各个时刻的温度值；

图3 试样选择界面

图4 变压器参数设定界面

“数据保存”：将试验结果保存为EXCEL文档。

2）变压器试样选择、变压器参数设定界面

点击测试主界面的“变压器参数设定”，可进入试样选择界面，如图3所示。

本系统以单试样（1路或2路输出）或双试样（最高4路输出）为标准配置，默认最多可控制四台电子负载，对六类不同的变压器进行绕组温升试验。这六类变压器试验配置分别是：单试样时，1个次级线圈（1-1）、2个次级线圈（1-2）、3个次级线圈（1-3）、4个次级线圈（1-4）的情况；双试样时，每个试样具有1个次级线圈（2-1），2个次级线圈（2-2）的情况。

点击本次试验的试样类别，如“2-2”，可进入变压器参数设定界面，如图4所示。用户需设定变压器初级线圈的“输入电压”和“输入频率”，以及次级线圈“输出电压”、“输出电流”、“输出功率”，界面下方的选择下拉菜单栏中可选择变压器次级线圈的参数输入方式：“电压/电流”或“电压/功率”。点击“输入参数”，系统将会把参数设定到EC1000S和ZSAC1426中。对于“双试样”的情况，由于本系统的硬件设备中默认配备只有一台电源EC1000S，因此本系统只适用于两个变压器的输入电压和输入频率一致的情况，即同一种型号变压器样品。根据试验室自身配备情况，本系统可方便进行相应的同路复制与多路扩展。

3）冷态电阻采集界面

当仪器连通测试成功，变压器参数设定完成后，即可开始试验。点击测试主界面中的“测量”，首先将进入冷态电阻采集界面，如图5所示。

图5 冷态电阻采集界面

根据数据采集仪34970A的功能要求，系统中作为基础配备的一块采集卡可允许10个通道同时使用四端法采集不同的电阻。对于不同的通道201～210，通过各自对应的“是否使用”按钮可打开和关闭该通道。当使用某一通道时，打开按钮，在“电阻值”一栏中将显示该通道采集到的电阻值，用户需在“名称”一栏中手动输入该电阻的名称，名称类型可按用户需求随意录入。该界面中，用户可根据需求自行设置电阻值的“采集频率”，单位秒（数值n≥1）。待冷态电阻稳定后，点击停止采集，系统将关闭冷态电阻采集界面，并进入下一步操作。

4）温度稳定点判断、温度采集界面

第一次电压稳定判断完毕后，重新设定EC1000S和ZSAC1426的参数，电子负载之前的恒阻模式转为恒流模式，系统通过34970A的热电偶初步判断绕组温升的稳定点，并监测变压器其它部位的温度，温度稳定点判断、温度采集界面如图6所示。

温度稳定判断操作步骤：

第一步：“是否使用”可打开/关闭对应的通道，如果使用，点击深绿色灯，打开该通道，即可在温度监测界面中观测到该通道的实时温度值和不同时刻的温度曲线图；

第二步：从使用的通道号中选择需要用来监测稳定的通道，如果该通道用于监测稳定，在对应的“是否监测稳定”一栏中将会出现小绿灯以作区别，待达到稳定后，小绿灯会变亮；

第三步：对使用的通道名称不能为空，用户需填写该通道温度监测对象，比如“环境温度”，“初级绕组”，“次级绕组”等；

图6 温度稳定点判断、温度采集界面

第四步：启动稳定判断，当前面步骤设置完成后，必须启动稳定判断，显示“正在判断…”系统才开始判断温度稳定点。

“试验定时”：当变压器长时间都未能达到稳定时，系统后根据“试验定时”的时间自动结束试验，并自动进入一步，默认时间为4小时；

“变化率设定”：本系统温度稳定判定标准是1分钟内采集三十个温度点，当这三十个点的最大值和最小值之差小于变化率时，即判定为稳定；

“采集点数”：一分钟采集的进程，共30个点；

“启动稳定判断”：按下该键，变为“正在判断…”后，系统开始进入温度稳定判断。

温度曲线监测界面用于监测温度值变化，用户可通过左侧数据框来监测20个通道实时温度，以及不同时刻的温度曲线。用户可在曲线界面中点击右键选择“清除图表”来清除全部的曲线图，系统将从此时刻重新绘制温度曲线。若用户需要监测某一个通道的温度曲线图，可在右侧图例中点击右键，隐藏其它通道曲线，只保留需要监测的通道温度曲线。

5）电阻值采集、回归拟合界面

第二次电压稳定判断完毕后，系统自动关闭EC1000S和ZSAC1426，断开回路，进入电阻值采集、回归拟合界面，如图7所示。

电阻值采集时，每隔5秒采集一个电阻值，共采集10个电阻值，并调用回归算法，得到回路刚断开时的绕组热态电阻值R2。

“拟合-原始数据”：用户可通过下拉菜单选择不同通道，在右侧图表中观测每个通道的原始数据和拟合曲线；

图7 电阻值采集、回归拟合界面

“容差”：即置信区间设定，用户可选择不同的容差值以得到不同准确度的拟合曲线；

“方法”：用户可选择不同的拟合方法来进行电阻值的数据拟合，本软件设置有三种方法可选，分别为“最小二乘法”、“最小绝对残差”、“Bisquare”。其中，默认采用、也是最常被使用的就是最小二乘法。

5 结语

本工作针对电子电路类变压器产品的绕组发热试验，开发了一套智能自动化测试软件。该自动化测试软件旨在建立以计算机为控制中心的自动测试系统，利用相应的工程软硬件技术，后期进一步结合仪器控制技术，最终实现数据实时监测、定时采集及数据后处理的全自动测试。其实现效果是可减少人员在线时间，将检测工程师从单一冗长且繁琐的测试过程中解放出来，提高测试效率，降低人为误差概率，提高测试的准确性，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，其后期有效应用必将代替传统手工测试方式推动下一代测试系统的发展。

[1]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(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, 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].

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

[5]张红,邓雷.用热阻法测量变压器绕组的温升[A]. 02全国电工测试技术学术交流会论文集[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,上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器仪表工程在读研究生，现就职于上海市质检院电子电器与家用电器检验所附件检验室,工程师，主要从事附件产品的检验工作.

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