变压器绕组温升试验及其不确定度分析

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【摘要】本文介绍了变压器正常加载时的温升试验过程和相关事项，并对试验数据进行变压器温升的不确定度分析。

【关键词】温升；不确定度

Transformer Windings temperature rising and

analysis of uncertainty

Gao Jin Cheng Zhao Qing Liang Yi Fei Liu Ai Dong

Abstract： This paper has introduced the temperature rising experimental process and some notices when the transformer normally loading， And it analyzes the uncertainty for transformers temperature rising using the practical example data.

Key words： temperature rising；Uncertainty

1、前言

在电气安全检验中，设备温升试验是考核设备部件安全性和使用寿命的重要指标之一，变压器因其绕组特性，温度一般较高，在高温长期的作用下，变压器的绝缘材料会发生老化，这种老化降低变压器的安全性，老化的变压器使用于电路中是非常危险的，由于电网电压的波动导致绝缘击穿，使安全的电路和网电接通，所以，在设计变压器时除了采用较高等级的绝缘材料外，还应限制其正常使用时的绕组温升。测量变压器绕组温升主要有两种方式，一是电阻法，另一种是热电偶法，本文主要介绍GB4706.1-2005家用和类似用途电器的安全第1部分：通用要求的电阻法测量。

2、测量原理

电阻法测量绕组加载前后的电阻变化量，再用材料电阻温度系数的特性计数出其前后的温度差，从而得到变压器绕组温升，绕组温升按下列公式计算：[1]

式中：

?t――绕组温升；

R1――试验开始时的电阻；

R2――试验结束时的电阻；

X0――对铜234.5，对铝225；

t1――试验开始时的环境温度；

t2――试验结束时的环境温度。

3、环境与设备

变压器样品

3.1样品说明

本次试验变压器样品为一般用途安全隔离变压器1个，额定值为初级：220V～50Hz，次级：24V～120mA，负载功率因数为1.0。变压器的绕组材质为铜，黑色电源引线为初级，初级绕组装有热熔断体，白色电源引线为次级。并列式结构。电气原理图1如下：

图1 电气原理图

3.2依据标准

本项目依据的标准为GB 4706.1-2005涉及绕组温升的部分。

3.3试验要求

变压器样品预处理是测量绕组温升的关键条件之一，在试验前一天，将实验室的环境温度稳定在23℃±2℃的环境下进行预处理，使其和环境达到热平衡。本次试验预处理的大多数时间里的环境温度是21.8℃，在预处理的大多数时间里的相对湿度是57%。

3.3.1试验前，进行必要的准备工作：

a）将样品立放于一个涂有无光黑漆的胶合板上；

b）进行必要的测试连接，如连接输入导线、输出导线、负载阻抗等；

c）在初级绕组绝缘表面中心的位置布置热电偶，用于监测绕组温度变化情况（如图2“×”所示）；

d）在距样品中心水平400mm、垂直400mm的位置布置环境温度测点（如图3所示）；

图2 热电偶监控 图3 环境监控

4、试验

4.1实验仪器

试验仪器见表1；

表1 试验仪器汇总

类型 设备名称 设备型号

测量电阻的设备 直流低电阻测试仪 AN2512C

测量电压的设备 万用表 F-179

测量电流的设备 万用表 F-179

测量环境温度的设备 温度计 TES 1310

4.2试验和测量的场所

在一个有温度控制的房间里进行。

4.3电源的供电方式

采用稳压电源进行供电。

4.4试验与操作

1.试验开始时，测量样品初级绕组的阻值R1及对应的环境温度t1；

2.将样品的初级绕组连接到220V～50Hz的电源上，并用一个能在额定输出电压以及额定功率因数（对交流电）下能产生额定输出的阻抗做负载，然后将电源电压升高至233.2V，整个试验期间保持该电压不变，直至样品工作温度达到稳定；样品的工作时间大于4小时；

3.变压器初级绕组电压测量位置为变压器初级输入端处测量；

4.实际测量变压器初级绕组阻值时电源引线的长度是110mm；

5.试验使用的负载阻抗值（常温下）是200Ω；

6.从升高电压后到变压器达到稳定状态所需的时间211min；

7.试验过程中，布置在变压器初级绕组上的热电偶所测得的最高温度为54.6℃；

8.断电后，记录断电时刻的环境温度t2，并尽快地在每隔一段稍短的间隔时间读取各次电阻测量值，通过曲线拟合的方式确定断电时刻的绕组阻值R2；

9.试验结束时，布置在变压器初级绕组上的热电偶所测得的温度为51.8℃。

4.5曲线拟合

断电后，测量电阻的时间间隔采用电子秒表控制，将测得的数据填入表2，采用多项式拟合，计算R2的曲线拟合，电阻值随时间变化曲线见图4.

表2 不同时间电阻值

图4 电阻值随时间变化

5、不确定度分析

5.1测量方法

利用绕组的电阻随温度变化的特性，通过测量温度变化前后绕组的电阻值，在利用公式计算绕组温升值，温升计算过程中的相关测量数据见表3，温升值45.0K。测量电阻的设备采用四线法的直流低电阻测试仪。

表3 温升计算过程中的相关测量数据

试验开始时的环境温度t1 21.8℃

试验开始时的电阻R1 650.2Ω

试验结束时的环境温度t2 22.8℃

试验结束时的电阻R2 766.8Ω

试验开始前，变压器在规定的环境温度中放置一段时间，使绕组温度与环境温度一致；试验期间，在该位置上的空气温度变化不大于10℃，在试验结束时测绕组的电阻，通过断电后尽快在每隔10s中读取电阻测量值，利用最小二乘法描绘出电阻随时间变化曲线，最后计算出绕组温升。

5.2数学模型

电阻法测量温升依据：

5.3方差和传播系数

根据公式

得

式中：

6、评定分量标准不确定度

采用A类和B类评定方法。

6.1热态电阻给出的不确定度分量u1：

断电后热态电阻的测量值与其对应时间构成的曲线由最小而乘法拟合，最小二乘法对热态电阻引入的不确定度采用A类评定方法，时间和测量值见表2。

建立回归预测模型

式中：x为时间

为测得电阻值；

为回归常数；

为回归系数；

利用最小二乘法，计算回归系数和回归常数

试验各种参数汇总见表4，标准不确定度汇总见表5。

=（406417-55×7432.1）/（38500-55×550）

=（406417-408765.5）/（38500-30250）

=-2348.5/8250=-0.28

=743.21+0.28×55=-743.21-4.47=758.61

则回归预测模型为：=758.61-0.28x

回归标准差/（10-2）=57.17/8=6.40

标准差=6.4/87.75=0.073

A类不确定度u1==0.073/3.16=0.023 [2]

自由度г=n-2=8

表4 试验各种参数汇总

6.2冷态电阻给出的不确定度分量u2：

根据校准证书，AN2512C直流低电阻测试仪相对扩展不确定度Urel=0.03%， k=2， 相对不确定度为10%。

u2=0.0003×650.2/2=0.098Ω

г2=（1/2）/（10%）×（10%）=50

6.3试验开始时绕组温度给出的不确定度u3：

根据校准证书，TES1310S数字温度计相对扩展不确定度U=0.1， k=2，相对不确定度为10%。

u31=0.1/2=0.05℃

г31=（1/2）/（10%）×（10%）=50

由于初始环境温度与绕组存在温度差，理想状态相等，最大偏差为±0.3℃，接近正态分布，其相对不确定度25%。

u32=0.3/2.58=0.116℃

г32=（1/2）/（25%）×（25%）=8

所以合成不确定度

6.4试验结束时冷却空气给出的不确定度u4：

根据校准证书，TES1310S数字温度计相对扩展不确定度U=0.1， k=2，相对不确定度为10%。

u4=0.1/2=0.05℃

г4=（1/2）/（10%）×（10%）=50

7、合成不确定度

扩展不确定度为，查t（0.025，8）=2.306，

=0.21×2.306=0.48℃

参考文献

[1]GB4706.1-2005家用和类似用途电器的安全第1部分：通用要求 中国标准出版社

[2]宣安东.实用测量不确定度评定及案例上册中国计量出版社 2007-08P21

[3]中华人民共和国国家计量技术规范JJF1059―1999测量不确定度评定与表示国家质量技术监督局1999-05-01

[4]王文松.现代咨询方法与务实.中国计划出版社，2003-04

作者简介

高金成，男，1963年7月生，硕士研究生，高工，食品机械及农机具检测。