开关电源变压器温升测试的探讨

杨静

摘 要：变压器作为元件，广泛应用于电气产品中。随着广泛应用，研究解决其使用过程中温升带来的问题也愈发重要。影响温升的因素众多，主要还在于制作材料的选择。温升测量过程中，对其不确定性评估既是评定要求，也是重要指标，对于实际操作具有重要意义。本文将采用电阻法测量绕组温度，分析在测量温升过程中遇到的问题以及改善方案。

关键词：变压器;电阻法;带电绕阻温升;改善

中图分类号：TN9TM4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0106-02

0 引言

变压器广泛地应用在包括医疗产品的电气产品中，作为一种元件，用途是传递功率及电压。随着变压器的广泛应用，对其温度的测量愈发重要，主要在于过高的温度会使得变压器绝缘体失效，可能会出现着火或触电的情况。一般而言，象漆层、骨架等变压器原材料可以承受一定范围的温度，如果运行温度没有过高，设备一般都能进行正常工作。当设备在正常或局部故障的情况下，则需要考虑高温对变压器绝缘的影响。

目前市场上测量绕组温升，特别是开关变压器领域存在一定的问题，因为很多在线电阻测试仪器仅适用于工频条件下，鉴于此，本文将对开关变压器绕组升温准确度进行研究。

1 常见变压器几种类型以及基本组成

干式变压器技术成熟，国外1960年开始生产，多用于小功率电气产品。干式变压器具有耐热等级高、安全性能好，体积小和重量轻的特点，其结构、工艺也呈多样化，工艺主要有绕包、填料（石英粉）以及纯树脂等，结构常见则为R型、EI型、环形以及C型。鉴于其特性，电器产品经常使用干变，其组成部分有以下几个：

1.1 铁心

铁心材料随着变压器的类型略有不同，一般由坡莫合金、硅钢片以及铁氧体构成。铁心常见的硅钢板，型态一般为口型、E型以及C型，采用热轧或者冷轧技术制作而成。根据变压器性能选用，使用较为频繁的为E型铁心。

1.2 骨架

骨架其一般用绝缘材料制作，常见的有玻璃纤维、青壳纸以及酚醛树脂等，成本较低的尼龙也可用于制作骨架。

1.3 线包

除了较为常见的漆包线外，通常还有丝包线、沙包线等。导线作为重要组成部分，从安全角度而言，需要绝缘漆层有一定的耐热性能，从实用角度来说，需要具有导电良好以及耐腐蚀性。

1.4 浸渍材料

变压器在制作中，为了能使得提高绝缘性能、延长使用寿命以及增强机械强度等，需要进行浸渍操作。浸渍作为其制作过程中的最后一道工序，浸渍材料一般选用甲酚清漆，制作成绝缘漆。绝缘材料诸如骨架、线包、浸渍材料等不仅可以保证电气产品安全长期运行，同时也是一项反映先进技术指标的关键条件。

变压器工作时，铜和铁（磁）损耗会产生温升，其工作时的功率损耗可以产生热量，为了达到热平衡，这些热量分为两部分，并相互作用。首先，变压器表面将有部分热量通过传导、辐射等方式散发，并最终到达其附近的介质;其次，部分热量通过吸收的方式，提高铁芯（磁芯）以及线包的温度，这部分会使得其温度大于环境温度，最终出现温升的情况。决定变压器温升的因素有很多，导致有一部分送检单位对绝缘体等级不了解，甚至错误定义绝缘体等级。实际上，绝缘体分为五个等级，这些等级分别变压器绕组采用的绝缘材料的耐热等级，不同等级的绝缘材料所允许的工作温度各有不同。

2 开关电源变压器温升测试研究

2.1电阻法测量绕组温度的有关规定

电阻法测试开关变压器温升需要遵循以下几种国家标准，以此才能保证测试结果具有科学性和可靠性。其具体内容如下：（1）GB8898-2011音頻及类似电子设备的安全。该标准第7.1条中明确规定设备在使用过程中每个元件均不能超过安全使用温度。检验其温度方法为在设备正常工作4小时后，对其温升进行测量。若设备是绕组，则可以采用电阻变化法或其他能够测量绕组平均温度的办法。绕组之外的情况，则可以采用任何能够测定温度的方法。（2）GB4943-2011信息技术设备安全。该标准中第1.4.8条明确指出，对于绕组温升测量，在没有规定具体测量方法时，可以采用电阻法或热电偶法测量。除绕组外，其他部位零件的温度，应该采用热电偶方法，但同时也指出可以采用其他任何不影响元件热平衡且具有准确性的测量方法。（3）GB4793.1-2007测量、控制和实验室用电气设备的安全要求。该规范中表3中第4点明确给出绕组温度应该采用温度传感器或者电阻法进行测量，并且温度传感器的选择与使用不能对原有器件的温度产生影响，当绕组不均匀，或者无法测量电阻时，可以优先采用温度传感器方法。

在相关文献中，一些研究人员认为可以采用热电偶来测量开关变压器的绕组温升，但是实际上这种测量方式不够全面。绕组温升是指其平均温升，都是采用电阻法，个别情况才会采用热电偶方法[1]。

2.2开关变压器绕组温升测量存在的问题

由上述分析可知，开关变压器的绕组温升无法进行在线测量，只能根据冷态电阻和热态电阻值进行考察。在电阻还未工作之前，采用设备测出开关变压器的冷态电阻值R1，然后开始测试，通电使其达到稳定状态，然后切断电源后测量电阻值，为了测量值尽可能准确，所以需要对开关变压器进行多次测量，记录测量数据，绘制开关变压器的电阻随时间变化规律，从而推导出电源断开瞬间的电阻值，即稳定后的热态电阻。通过如下计算公式来计算绕组温升值：

上式中，△t、t1、t2分别是绕组的温升、测试前的室温、测试后的室温，K为常数，对于铜质的绕组，其值为234.5;对于铁质绕组，其值为225。

为了保证测量过程准确性，要消除外电路或负载的影响，通常采取如下方法：断开被测绕组引脚部位的铜箔，然后采用导线将其连接到开关上。在测试时，通过开关转换可以接通电源和连接到万能表，从而能够测量绕组冷态和热态的电阻。但是在实际测试过程中，由于数字多用表开始几秒是处于无序变化中，然后才呈现规律下降。所以采用数字多用表来测试绕组电阻值时，需要操作人员高度集中，准确把握测量数据变化情况，总结规律，提高测量准确性。

2.3开关变压器的电阻法测试系统

通过上述分析可知，采用电阻法测量开关变压器的温升存在很大的主观误差，为了提高测量精度，本文设计出完善的电阻法测量系统，其具体内容如图1所示。

该体系主要有4个部分构成，单片控制器、微型计算机、数字多用表以及继电器组合装置。每个部分具体作用如下：

2.3.1 单片控制器

单片控制器有直流电源（+5V）、滤波器、光电耦合器单片以及继电器驱动电路组成。经过实验测试并编程后，固化到单片内部分区，实现控制作用，其具体控制过程如图2所示。

2.3.2 数字多用表

考虑到本次实验对象为开关电源变压器，所以数字多用表采用4位半就行，并且要保证对用表上有CP-IB接口以及外触发端口，同时配有相关线缆。

2.3.3 继电器组合装置

本次研究继电装置采用了4种小型继电器组成，用来替换手动切换装置，为了使实验更加准确，在选择小型继电器时充分考虑了回跳时间、体积、分布电容、吸合时间、接点容量等问题。

2.3.4 微型计算机

采用带有CP-IB接口卡的微型计算机。按照实验设计连接电路和系统，微机通过输出端口和CP-IB母线传达控制信号，设置多用表的触发方式、量程、功能等工作参数，将多用数字表作为“讲者”，负责接收微机传输的指令数据，输入测试前环境温度t1，然后启动单片控制器的测试按钮，此时多用表就会测出冷态电阻R1值，同时将测试的结果数据存储在微机里。10s后，继电器J1吸合，同时J2、J3、J4断开，并且J3、J4的静合节点接到被测绕组的a、a`、b、b`，此时被测设备电路正常工作。启动被测设备的电源开关，待其稳定后，再开启测试，同时断开J1，关闭电源，J2吸合，被测绕组开始释放能量，1s后J3、J4吸合而J2断开，将被测绕组接入到数字多用表系统，1s后控制器发出指令，控制数字多用表采集数据，并将结果传输到微机储存。然后每隔1s就开始重复上述步骤，直到采集到8组数据。最后，输入测试后的环境温度值t2。待所有数据采集完成后，微机根据编程计算公式对数据进行计算和处理，绘制出绕组电阻随时间变化趋势图和温升的数据，并出具纸板结果。

2.4开关变压器温升改善思考

开关变压器是一旦出现温升，短时间内积聚大量的热，导致开关变压器损坏。从开关变压器类型和结构来看，绕线工艺、变压器的铜损或铁损、设计功率都会导致温升问题。空载发热情况是变压器输入端的压力过高或者絕缘破坏，这种情况需要重新绕线圈，通过增加线圈数量或者降低输入端电压来降低温升。若是电压正常，而出现发热则需要降低设计负荷，避免大功率发热。

3 结语

开关变压器是电源变压器的一种，它是一种通过开关控制元件来驱动高频变压器的器件，具有多种优点：采用铁氧体芯，避免铁损和铜损等，同时体积小，功率高，能够适应多种工作环境，广泛被应用于电气产品中。对开关变压器进行温升测试，可以深入了解其发热特点，并针对问题进行改进，提高开关变压器的使用性能和应用范围。

参考文献

[1] 孙建龙.开关电源变压器绕组温升测量的不确定度评估实例[J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（B05）：52-54.