韓溟 楊曉玲 陳大秀 王琳 劉安

1 陜西省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗院 (陜西 西安 712046)

2 西安電子科技大學(xué)物理與光電學(xué)院 (陜西 西安 710071)

3 西安艾思康迪信息科技有限公司 (陜西 西安 710075)

內(nèi)容提要：基于溫度自反饋原理設(shè)計并研制了一套網(wǎng)電源變壓器過載檢測系統(tǒng)，能夠在保證電氣安全的前提下，一鍵完成對變壓器的過載檢測，實時產(chǎn)生溫度、負載電流等參數(shù)報表，并自動分析參數(shù)特征。該檢測系統(tǒng)能夠滿足醫(yī)療器械行業(yè)對網(wǎng)電源變壓器質(zhì)量控制的智能檢測需求，為后續(xù)提高產(chǎn)品質(zhì)量提供數(shù)據(jù)分析依據(jù)。

網(wǎng)電源變壓器是醫(yī)用電氣設(shè)備中常用的關(guān)鍵部件，它的品質(zhì)關(guān)系著整個電氣設(shè)備的安全性能。變壓器過載超溫容易引起電氣設(shè)備的電介質(zhì)強度下降、性能劣化，甚至有著火的風(fēng)險。因此無論是在產(chǎn)品注冊檢驗還是強制認證檢驗中，國家對網(wǎng)電源變壓器的質(zhì)量都有著嚴格要求。GB 9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》中條款57.9.1和IEC60601-1:2012中條款15.5.1.3，對網(wǎng)電源變壓器的輸出繞組在短路和過載時的過熱情況提出了具體的要求，并給出指導(dǎo)性的檢測方法。然而目前用于網(wǎng)電源變壓器過載試驗的設(shè)備存在自動化程度不高、需要長時間人工介入、功能不能滿足測試需求、精度不高等缺點[1-4]。本文基于溫度自反饋原理設(shè)計并研制了一種網(wǎng)電源變壓器過載自動檢測系統(tǒng)，通過變壓器線圈反饋的溫度來實時調(diào)節(jié)負載大小，使變壓器快速處于過載狀態(tài)并完成測試。

1.自動檢測系統(tǒng)測試原理

1.1 過載試驗概述

根據(jù)待測變壓器的額定功率、電壓、工作電流、絕緣材料等級及保護裝置，依據(jù)GB 9706.1-2007要求，試驗電壓設(shè)定為額定供電電壓的110%，將變壓器加載到過載保護的臨界狀態(tài)并維持一定時間。對于符合GB 9364和IEC60241的保險絲的電源變壓器，分別試驗30min和60min，其他熔斷器加載30min，試驗電流按熔斷器額定電流的相應(yīng)倍數(shù)設(shè)置，并用銅導(dǎo)線代替熔斷器。用熱短路器作保護裝置的變壓器，將繞組電流加載到熱斷路器動作前的臨界值，但加載過程中臨界狀態(tài)不易獲得，稍有不慎就會觸發(fā)變壓器的保護裝置，從而不得不更換變壓器或者等待保護裝置恢復(fù)后再從頭進行試驗[5,6]。該檢測系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好過載電流，試驗過程中通過不斷調(diào)節(jié)負載電阻，使得繞組的電流逐漸逼近過載電流直到穩(wěn)定下來，并實時監(jiān)測繞組溫度等參數(shù)，實現(xiàn)自動測試的目的。

1.2 繞組溫升測量原理

網(wǎng)電源變壓器過載測試中一個關(guān)鍵問題是繞組溫度的測量，本文采用電阻法，通過在室溫時測定線圈的初始電阻和溫度，然后加電工作一段時間后再次測量線圈電阻值，利用公式推算出當(dāng)前線圈的溫度[5,7,8]。需要注意的是，試驗過程中環(huán)境溫度測量值不可受試驗過程的影響，其測試點需放置在距變壓器足夠遠距離處，測量前應(yīng)保證變壓器與環(huán)境溫度熱平衡。

變壓器繞組的電阻值采用直流惠斯通電橋法測量[9]。在實際研發(fā)過程中，為了能夠自動化測量，通過差分放大器提取共模信號，同時消除共模噪聲。橋臂電阻選擇根據(jù)待測變壓器初、次級線圈的典型阻值范圍來設(shè)置，選用精度為1%的低溫漂電阻。給電橋供電的參考電壓源采用專用電壓基準芯片，以提高測量精度[10]。

2.自動檢測系統(tǒng)構(gòu)成

本文研制的檢測系統(tǒng)由專用測試箱和測試軟件組成。測試軟件運行在主控計算機中，具備指令驅(qū)動和參數(shù)測試等功能。通過向測試箱發(fā)送配置和控制指令，讀取測試箱的測試結(jié)果和狀態(tài)反饋來完成測試過程。測試箱通過USB通信口與主機相連，與測試軟件進行數(shù)據(jù)和指令傳輸，控制負載電路的載荷狀態(tài)，測試線圈溫度和負載電路電流等。

2.1 測試箱

檢測系統(tǒng)的測試箱主要由總控制模塊和各個初、次級線圈中的子控制模塊構(gòu)成，設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1.硬件設(shè)計示意圖

圖2.測試箱外觀

總控制模塊負責(zé)與電腦主機和各子控制模塊的命令及數(shù)據(jù)通訊，控制變壓器初級線圈與電源和測試電路的切換連接，采集室溫溫度用于線圈溫度測量，接收各子模塊測量數(shù)據(jù)上傳電腦主機，并根據(jù)線圈溫度預(yù)設(shè)閾值發(fā)出警報信息。為保護測試設(shè)備和待測網(wǎng)電源變壓器，測試箱中設(shè)計了額外的溫度傳感器用于采集散熱器溫度來決定是否啟動軸流風(fēng)機降溫。子控制模塊負責(zé)接收總控制模塊的命令，測量當(dāng)前次級線圈測試前的電阻值以及加電一段時間后次級線圈的電阻值，并計算出線圈溫度，上報給總控制模塊，按照控制命令控制負載的大小，當(dāng)次級線圈溫度超過門限時，切斷負載連接。

測試箱中采用多個繼電器進行測試電路的切換，繼電器能夠通過最高36A的電流，可以滿足常規(guī)醫(yī)用網(wǎng)電源變壓器的過載電流要求。測試箱外觀與內(nèi)部布局分別如圖2、圖3所示。

2.2 測試軟件

測試軟件運行于Windows操作系統(tǒng)，能夠人工輸入變壓器的基本信息，包括各個次級的電壓值、材料等級、熔斷器（或過流釋放器）的電流值、熱斷路器的保護溫度等。測試軟件將次級額定電壓和額定電流設(shè)定后，一鍵開始實驗，自動發(fā)送負載配置指令，并定時讀取線圈電阻值，計算線圈溫度，智能判斷線圈溫度是否超過溫度限制，直到實驗結(jié)束，并給出實驗結(jié)果。測試軟件界面如圖4所示。

圖3.測試箱內(nèi)部硬件布局

軟件具體功能如下：①參數(shù)配置，子控制模塊的負載電阻值設(shè)置；負載端閉合與斷開的控制。②測試執(zhí)行，由總控制模塊切換電路連接，給負載加壓并維持規(guī)定的時間（默認為30min）；測量短路實驗時各初次級的短路電流和保護時間；測量過載電流和線圈溫度；自動采集次級線圈的電阻值，并計算出次級線圈的溫度；測試完畢后，自動生成測試報告；遇到故障中途停止檢測。③報警功能，測試過程中，當(dāng)出現(xiàn)測試指標(biāo)超差時，在軟件界面中彈出報警信息；能夠?qū)υO(shè)備系統(tǒng)中的儀器進行連接狀態(tài)自檢；當(dāng)儀器控制出錯，會產(chǎn)生報警提示信息。④數(shù)據(jù)處理，能自動保存和處理原始數(shù)據(jù)；調(diào)看被測件的原始數(shù)據(jù)、初始參數(shù)；能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)置參數(shù)導(dǎo)出到Excel文檔中，并進行打印。

圖4.測試軟件界面

3.結(jié)論

本文闡述了醫(yī)用網(wǎng)電源變壓器過載檢測原理，介紹了一套自主研制的全自動過載檢測系統(tǒng)，通過變壓器線圈溫度自反饋來實時調(diào)節(jié)試驗負載大小，使變壓器自動處于過載狀態(tài)，一鍵式完成智能化測試。試驗表明，該檢測系統(tǒng)無需繁雜的接線，不用長時間的人工值守，連接簡便，測試結(jié)果準確可靠，安全性強，自動化程度大幅提高。