許 毅，萬 鐳，陸 斌，蔡振峰,2

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

引言

測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試發(fā)展趨勢。目前精密儀器供應商的測試設備許多都支持計算機編程，也內(nèi)置了可拓展的接口插槽和數(shù)據(jù)輸出輸入、存儲配備，為使用方進行二次開發(fā)提供了必要的硬件基礎。但檢測機構(gòu)的工程師基本以完成檢測任務為主業(yè)，對于自動化檢測的重視程度不夠，能進行軟硬件研究和設備開發(fā)的人員也相對缺乏，檢測設備基本依賴從設備供應商直接采購，并由廠家提供對應的操作軟件和使用方法培訓，對設備的理解多停留在基本功用的層面上，對其內(nèi)部構(gòu)成、如何進行通信和控制并不深究，而這些隸屬不同國家、地域和供應商的不同性能作用的設備，其編碼方式和接口配置有很大不同，這就為檢測實驗室進一步研究開發(fā)自動化測試平臺增加了障礙。

對于附件產(chǎn)品的檢測，檢測產(chǎn)品數(shù)量和種類多，且即使是單一檢測項目的流程通常也較復雜，需要多臺設備構(gòu)成電路回路（如電源、負載等）與測量設備（如數(shù)據(jù)采集儀、萬用表等熱電參數(shù)測量儀器等）組合使用，集成度低下。因此，針對自動化檢測和校準、數(shù)據(jù)分析以及工程控制等方面進行系統(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)新的思維進行二次開發(fā)，滿足用戶自定義的需求，提高測試效率、減少人員使用率，是附件檢驗室當前發(fā)展的必然趨勢和提升批量業(yè)務能力的首要任務。

本文按照變壓器認證標準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》[1][2]中型式試驗的關(guān)鍵項目-發(fā)熱試驗的一般要求，針對溫升試驗中最廣泛使用的熱阻法和離線測試法，開發(fā)了一套自動化測試平臺。

1 GB 19212.1(IEC 61558-1)和發(fā)熱試驗

GB 19212.1 （IEC 61558-1）認證標準[1][2]主要是針對干式變壓器、電源（包括開關(guān)型電源）和電抗器進行型式試驗，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式、單相或多相、空氣冷卻（自冷或風冷）、獨立用或配套用的、不構(gòu)成配電網(wǎng)絡一部分的如：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；裝有一個或多個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標志的變壓器。

關(guān)于變壓器溫升（即發(fā)熱試驗），標準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，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)熱試驗的測試過程

發(fā)熱實驗的主要測試過程詳述如下[1][2][3]：

2.1 設定參數(shù)

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

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

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，讀取電子負載ZSAC1426的實時電壓值，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 重新設定參數(shù)

1）將電子負載ZSAC1426設定了恒流模式，電流值為上述測得的穩(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實時監(jiān)測繞組溫度變化（或延長一段時間），初步判斷繞組溫度是否穩(wěn)定，待溫度穩(wěn)定后，進入第二次電壓穩(wěn)定判斷。

2.6 第二次電壓穩(wěn)定判斷

讀取電子負載ZSAC1426的實時電壓值，并判斷穩(wěn)定點，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采集此時的環(huán)境溫度t2；并每隔一個相等的時間間隔（2s），用34970A采集繞組的電阻值，連續(xù)讀取10個點，擬合得到時間-電阻曲線，通過線性回歸法外推算出斷電時變壓器的熱態(tài)電阻值R2。

2.8 計算溫升

通過上述測得的t1、t2、R1和R2，應用電阻-溫升公式計算繞組溫升：

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，試驗開始時的電阻；

R2—當達到穩(wěn)定狀態(tài)時，試驗結(jié)束時的電阻；

圖1 自動測試平臺的設備連接示意圖

K—對銅234. 5，對鋁225；

t1—試驗開始時的環(huán)境溫度；

t2—試驗結(jié)束時的環(huán)境溫度。

3 自動測試平臺的硬件部分

3.1 使用測試設備與互連

現(xiàn)有測試設備是目前所在試驗室進行變壓器繞組溫升試驗所須3種儀器設備：可編程電源EC1000S（配備1臺）、程控交直流電子負載ZSAC1426（配備4臺）、數(shù)據(jù)采集儀34970A（配備1臺，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)

自動測試平臺的硬件部分主要涉及：各臺分立測試設備與工控機之間實現(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）實現(xiàn)多臺現(xiàn)有測 試設備的不同接口（包括RS232、USB、IEEE488等）與工控計算機之間通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布B接，進行安裝與運行，滿足標準測試過程中實時通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2）擴展性：控制接口與電路連接可為今后多路測試的情況進行預留（以4路次級輸出的并行測試作為基本硬件實現(xiàn)）；

圖2 變壓器自動系統(tǒng)的集成控制模塊組硬件設計圖紙

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

完成主控電路的構(gòu)建和配套安裝，滿足測試過程中各流程功能實現(xiàn)的硬件要求，實現(xiàn)各臺測試設備間的自動控制與電路切換，就需要開發(fā)一個變壓器自動系統(tǒng)的集成控制模塊組，基本硬件設計見圖2。

4 自動測試平臺的軟件部分

軟件方面，采用LabVIEW（Laboratory Virtual instr-ument Engineering）軟件開發(fā)平臺，LabVIEW是一種圖形化的編程語言，被工業(yè)界、學術(shù)界和研究實驗室所接受，是一個標準的數(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。

實現(xiàn)各臺分立測試設備與工控機之間的通信接口驅(qū)動與控制信令，上位機主程序包括：軟件總流程及用戶界面設置、自動控制模塊、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）實現(xiàn)各臺分立測試設備與工控機之間的接口通信與控制，在工控機上完成各設備的分立可視界面，可分別控制已連接設備的電路通/斷、電壓電流等輸出開/關(guān)，以及電參數(shù)的人工設置與輸入、電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集時間設置、數(shù)據(jù)輸出與存儲等操作（以現(xiàn)有技術(shù)水平保證最終系統(tǒng)運行效率達到驗收標準的基礎上，某些時間節(jié)點可采用手動輸入與計算機自動控制相結(jié)合的方式）。

2）根據(jù)測試過程中每個環(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)定點的時間判定、測試設備參數(shù)自動重設、溫度穩(wěn)定后數(shù)據(jù)自動采集、回歸算法調(diào)用、數(shù)學回歸計算，以及最終繞組溫升求值。

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

圖3 自動測試平臺的流程圖

4）系統(tǒng)管理終端實現(xiàn)流程實時監(jiān)測和查看功能，用戶界面設置為在節(jié)點時間客戶可自行選擇自動或手動方式的自由切 換：對自動化流程進行到哪一步可以隨時進行查看，方便測試工程師進行必要的人工干預，同時方便其掌握和調(diào)整試驗進度。

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)出具測試報告所需提供原始數(shù)據(jù)的要求，設置報告格式，將檢測試驗中采集到的有效數(shù)據(jù)顯示并存儲，作為試驗的原始記錄生成報告并打印；未錄入報告的其它過程數(shù)據(jù)仍執(zhí)行后臺存儲，且能實現(xiàn)測試過程結(jié)束后隨時調(diào)用和輸出。

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

7）自動測試平臺完成的主要環(huán)節(jié)與詳細流程設置見圖3。

5 自動測試平臺的應用

目前，實驗室全人工測試時，一個變壓器繞組的溫升試驗少則4個小時，多則8個小時以上，占用了大量的試驗人力。同時由于人員在設備設置、個人操作習慣、對標準理解程度，對設備熟悉程度等方面存在的差異，導致試驗結(jié)果的不確定度高，試驗結(jié)果一致性差等問題。該自動測試系統(tǒng)平臺通過初步的調(diào)試和試驗驗證，能大幅提高在繞組溫升項目檢測的準確性和檢測效率：

1）檢測效率提高：目前該系統(tǒng)可對兩個變壓器樣品（單試樣或雙試樣，最大4路次級輸出）并行測試，較大程度上縮短了人員在線時間，預留控制端口也為未來更多樣品的并行測試埋下進一步開發(fā)的潛在性，提高了設備使用率。

2）準確度提高：采用文獻[4]的不確定度評定方法和項目，比對手動測試的試驗案例，對冷態(tài)電阻的誤差、延時引起的誤差、熱態(tài)電阻的誤差，以及重復性等多方面的不確定度來源，采用自動測試系統(tǒng)平臺的過程都較大地降低了誤差量值，因此，其合成標準不確定度可顯著降低。詳細的驗證過程和推導計算會在后續(xù)文章中給出。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)很多基礎檢測領(lǐng)域的自動化流程開發(fā)處于起步階段，檢測中往往最常用的設備是基礎物理層設備，比如交直流電源與電子負載等，這些設備的專業(yè)供應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），為客戶應用進行簡單的二次開發(fā)預埋了潛在的途徑，然而這些可編程可控制的接口實際上真正被利用到的概率和被開發(fā)的程度都很低下。越是基礎的底層測試設備越有開發(fā)的價值，將多臺設備組建并掛接相應軟件成為“合成儀器”用以代替人力實現(xiàn)復雜檢測流程，所涉及的軟硬件領(lǐng)域越多，實現(xiàn)難度也越大。對于更熟悉標準流程的專業(yè)檢測機構(gòu)而言，需要更加方便適用的模塊化軟件結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)標準化、流程化的自動測試體系，對于這方面的研究工作，任重而道遠。本文研究開發(fā)的變壓器發(fā)熱試驗自動測試平臺，針對底層測試儀器研制，已驗證可提高測試的效率并減少人為誤差的產(chǎn)生，對基礎檢測領(lǐng)域的自動化測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[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,鄧雷.用熱阻法測量變壓器繞組的溫升[A]. 02 全國電工測試技術(shù)學術(shù)交流會論文集[C].2002:167-169.

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