医用网电源变压器过载自动检测系统研制

韩溟 杨晓玲 陈大秀 王琳 刘安

1 陕西省医疗器械质量监督检验院 (陕西 西安 712046)

2 西安电子科技大学物理与光电学院 (陕西 西安 710071)

3 西安艾思康迪信息科技有限公司 (陕西 西安 710075)

内容提要：基于温度自反馈原理设计并研制了一套网电源变压器过载检测系统，能够在保证电气安全的前提下，一键完成对变压器的过载检测，实时产生温度、负载电流等参数报表，并自动分析参数特征。该检测系统能够满足医疗器械行业对网电源变压器质量控制的智能检测需求，为后续提高产品质量提供数据分析依据。

网电源变压器是医用电气设备中常用的关键部件，它的品质关系着整个电气设备的安全性能。变压器过载超温容易引起电气设备的电介质强度下降、性能劣化，甚至有着火的风险。因此无论是在产品注册检验还是强制认证检验中，国家对网电源变压器的质量都有着严格要求。GB 9706.1-2007《医用电气设备 第1部分：安全通用要求》中条款57.9.1和IEC60601-1:2012中条款15.5.1.3，对网电源变压器的输出绕组在短路和过载时的过热情况提出了具体的要求，并给出指导性的检测方法。然而目前用于网电源变压器过载试验的设备存在自动化程度不高、需要长时间人工介入、功能不能满足测试需求、精度不高等缺点[1-4]。本文基于温度自反馈原理设计并研制了一种网电源变压器过载自动检测系统，通过变压器线圈反馈的温度来实时调节负载大小，使变压器快速处于过载状态并完成测试。

1.自动检测系统测试原理

1.1 过载试验概述

根据待测变压器的额定功率、电压、工作电流、绝缘材料等级及保护装置，依据GB 9706.1-2007要求，试验电压设定为额定供电电压的110%，将变压器加载到过载保护的临界状态并维持一定时间。对于符合GB 9364和IEC60241的保险丝的电源变压器，分别试验30min和60min，其他熔断器加载30min，试验电流按熔断器额定电流的相应倍数设置，并用铜导线代替熔断器。用热短路器作保护装置的变压器，将绕组电流加载到热断路器动作前的临界值，但加载过程中临界状态不易获得，稍有不慎就会触发变压器的保护装置，从而不得不更换变压器或者等待保护装置恢复后再从头进行试验[5,6]。该检测系统预先设定好过载电流，试验过程中通过不断调节负载电阻，使得绕组的电流逐渐逼近过载电流直到稳定下来，并实时监测绕组温度等参数，实现自动测试的目的。

1.2 绕组温升测量原理

网电源变压器过载测试中一个关键问题是绕组温度的测量，本文采用电阻法，通过在室温时测定线圈的初始电阻和温度，然后加电工作一段时间后再次测量线圈电阻值，利用公式推算出当前线圈的温度[5,7,8]。需要注意的是，试验过程中环境温度测量值不可受试验过程的影响，其测试点需放置在距变压器足够远距离处，测量前应保证变压器与环境温度热平衡。

变压器绕组的电阻值采用直流惠斯通电桥法测量[9]。在实际研发过程中，为了能够自动化测量，通过差分放大器提取共模信号，同时消除共模噪声。桥臂电阻选择根据待测变压器初、次级线圈的典型阻值范围来设置，选用精度为1%的低温漂电阻。给电桥供电的参考电压源采用专用电压基准芯片，以提高测量精度[10]。

2.自动检测系统构成

本文研制的检测系统由专用测试箱和测试软件组成。测试软件运行在主控计算机中，具备指令驱动和参数测试等功能。通过向测试箱发送配置和控制指令，读取测试箱的测试结果和状态反馈来完成测试过程。测试箱通过USB通信口与主机相连，与测试软件进行数据和指令传输，控制负载电路的载荷状态，测试线圈温度和负载电路电流等。

2.1 测试箱

检测系统的测试箱主要由总控制模块和各个初、次级线圈中的子控制模块构成，设计示意图如图1所示。

图1.硬件设计示意图

图2.测试箱外观

总控制模块负责与电脑主机和各子控制模块的命令及数据通讯，控制变压器初级线圈与电源和测试电路的切换连接，采集室温温度用于线圈温度测量，接收各子模块测量数据上传电脑主机，并根据线圈温度预设阈值发出警报信息。为保护测试设备和待测网电源变压器，测试箱中设计了额外的温度传感器用于采集散热器温度来决定是否启动轴流风机降温。子控制模块负责接收总控制模块的命令，测量当前次级线圈测试前的电阻值以及加电一段时间后次级线圈的电阻值，并计算出线圈温度，上报给总控制模块，按照控制命令控制负载的大小，当次级线圈温度超过门限时，切断负载连接。

测试箱中采用多个继电器进行测试电路的切换，继电器能够通过最高36A的电流，可以满足常规医用网电源变压器的过载电流要求。测试箱外观与内部布局分别如图2、图3所示。

2.2 测试软件

测试软件运行于Windows操作系统，能够人工输入变压器的基本信息，包括各个次级的电压值、材料等级、熔断器（或过流释放器）的电流值、热断路器的保护温度等。测试软件将次级额定电压和额定电流设定后，一键开始实验，自动发送负载配置指令，并定时读取线圈电阻值，计算线圈温度，智能判断线圈温度是否超过温度限制，直到实验结束，并给出实验结果。测试软件界面如图4所示。

图3.测试箱内部硬件布局

软件具体功能如下：①参数配置，子控制模块的负载电阻值设置；负载端闭合与断开的控制。②测试执行，由总控制模块切换电路连接，给负载加压并维持规定的时间（默认为30min）；测量短路实验时各初次级的短路电流和保护时间；测量过载电流和线圈温度；自动采集次级线圈的电阻值，并计算出次级线圈的温度；测试完毕后，自动生成测试报告；遇到故障中途停止检测。③报警功能，测试过程中，当出现测试指标超差时，在软件界面中弹出报警信息；能够对设备系统中的仪器进行连接状态自检；当仪器控制出错，会产生报警提示信息。④数据处理，能自动保存和处理原始数据；调看被测件的原始数据、初始参数；能够将原始数据、设备设置参数导出到Excel文档中，并进行打印。

图4.测试软件界面

3.结论

本文阐述了医用网电源变压器过载检测原理，介绍了一套自主研制的全自动过载检测系统，通过变压器线圈温度自反馈来实时调节试验负载大小，使变压器自动处于过载状态，一键式完成智能化测试。试验表明，该检测系统无需繁杂的接线，不用长时间的人工值守，连接简便，测试结果准确可靠，安全性强，自动化程度大幅提高。