開關電源變壓器溫升測試的探討

楊靜

摘 要：變壓器作為元件，廣泛應用于電氣產品中。隨著廣泛應用，研究解決其使用過程中溫升帶來的問題也愈發重要。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，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 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0106-02

0 引言

變壓器廣泛地應用在包括醫療產品的電氣產品中，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用，對其溫度的測量愈發重要，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，設備一般都能進行正常工作。當設備在正常或局部故障的情況下，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，特別是開關變壓器領域存在一定的問題，因為很多在線電阻測試儀器僅適用于工頻條件下，鑒于此，本文將對開關變壓器繞組升溫準確度進行研究。

1 常見變壓器幾種類型以及基本組成

干式變壓器技術成熟，國外1960年開始生產，多用于小功率電氣產品。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，其結構、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，結構常見則為R型、EI型、環形以及C型。鑒于其特性，電器產品經常使用干變，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成。鐵心常見的硅鋼板，型態一般為口型、E型以及C型，采用熱軋或者冷軋技術制作而成。根據變壓器性能選用，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品安全長期運行，同時也是一項反映先進技術指標的關鍵條件。

變壓器工作時，銅和鐵（磁）損耗會產生溫升，其工作時的功率損耗可以產生熱量，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、輻射等方式散發，并最終到達其附近的介質;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境溫度，最終出現溫升的情況。決定變壓器溫升的因素有很多，導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規定

電阻法測試開關變壓器溫升需要遵循以下幾種國家標準，以此才能保證測試結果具有科學性和可靠性。其具體內容如下：（1）GB8898-2011音頻及類似電子設備的安全。該標準第7.1條中明確規定設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備正常工作4小時后，對其溫升進行測量。若設備是繞組，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信息技術設備安全。該標準中第1.4.8條明確指出，對于繞組溫升測量，在沒有規定具體測量方法時，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確性的測量方法。（3）GB4793.1-2007測量、控制和實驗室用電氣設備的安全要求。該規范中表3中第4點明確給出繞組溫度應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生影響，當繞組不均勻，或者無法測量電阻時，可以優先采用溫度傳感器方法。

在相關文獻中，一些研究人員認為可以采用熱電偶來測量開關變壓器的繞組溫升，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開關變壓器繞組溫升測量存在的問題

由上述分析可知，開關變壓器的繞組溫升無法進行在線測量，只能根據冷態電阻和熱態電阻值進行考察。在電阻還未工作之前，采用設備測出開關變壓器的冷態電阻值R1，然后開始測試，通電使其達到穩定狀態，然后切斷電源后測量電阻值，為了測量值盡可能準確，所以需要對開關變壓器進行多次測量，記錄測量數據，繪制開關變壓器的電阻隨時間變化規律，從而推導出電源斷開瞬間的電阻值，即穩定后的熱態電阻。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，對于銅質的繞組，其值為234.5;對于鐵質繞組，其值為225。

為了保證測量過程準確性，要消除外電路或負載的影響，通常采取如下方法：斷開被測繞組引腳部位的銅箔，然后采用導線將其連接到開關上。在測試時，通過開關轉換可以接通電源和連接到萬能表，從而能夠測量繞組冷態和熱態的電阻。但是在實際測試過程中，由于數字多用表開始幾秒是處于無序變化中，然后才呈現規律下降。所以采用數字多用表來測試繞組電阻值時，需要操作人員高度集中，準確把握測量數據變化情況，總結規律，提高測量準確性。

2.3開關變壓器的電阻法測試系統

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

該體系主要有4個部分構成，單片控制器、微型計算機、數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動電路組成。經過實驗測試并編程后，固化到單片內部分區，實現控制作用，其具體控制過程如圖2所示。

2.3.2 數字多用表

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

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。按照實驗設計連接電路和系統，微機通過輸出端口和CP-IB母線傳達控制信號，設置多用表的觸發方式、量程、功能等工作參數，將多用數字表作為“講者”，負責接收微機傳輸的指令數據，輸入測試前環境溫度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電阻R1值，同時將測試的結果數據存儲在微機里。10s后，繼電器J1吸合，同時J2、J3、J4斷開，并且J3、J4的靜合節點接到被測繞組的a、a`、b、b`，此時被測設備電路正常工作。啟動被測設備的電源開關，待其穩定后，再開啟測試，同時斷開J1，關閉電源，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字多用表系統，1s后控制器發出指令，控制數字多用表采集數據，并將結果傳輸到微機儲存。然后每隔1s就開始重復上述步驟，直到采集到8組數據。最后，輸入測試后的環境溫度值t2。待所有數據采集完成后，微機根據編程計算公式對數據進行計算和處理，繪制出繞組電阻隨時間變化趨勢圖和溫升的數據，并出具紙板結果。

2.4開關變壓器溫升改善思考

開關變壓器是一旦出現溫升，短時間內積聚大量的熱，導致開關變壓器損壞。從開關變壓器類型和結構來看，繞線工藝、變壓器的銅損或鐵損、設計功率都會導致溫升問題。空載發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，通過增加線圈數量或者降低輸入端電壓來降低溫升。若是電壓正常，而出現發熱則需要降低設計負荷，避免大功率發熱。

3 結語

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

參考文獻

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