一、引 言
变压器在制造或大修过程中按有关标准要求半成品及成品必须进行变比测试。变比测试原理主要有双电压表法和电桥法两种。前者比较简单但精度较差；后者结构与操作较复杂但精度很好。
目前国内的变比测试仪产品研制现状是：采用双电压表原理的变比测试仪从九十年代起已逐步有带微处理器的智能化产品上市但精度和稳定性差基本达不到要求；而采用电桥法原理的变比测试仪还停留在人工平衡的电工型仪器的水平即操作繁琐、功能少、安全性差、技术水平落后的状态。
针对这种情况我们在电桥法原理的基础上攻克了一些技术关键用微处理器实现了电桥的自动平衡并充分发挥了微处理器的强大功能。我们研制的变比测试仪具有对数据自动处理、存储、显示、打印、通讯及对测试过程异常情况自动报警、自动保护等特点。这些智能化特点是电工型仪器产品无法相比的。
该成果经国内专家鉴定认为具有国内**水平可与国外同类产品相媲美并获机电部科技进步奖及实用新型**。该成果现已转化为批量产品在国内许多变压器制造厂与电业系统得到广泛应用还远销越南、台湾、香港等国家与地区。
该产品能满足各种单相、三相变压器变比测试的要求特别适宜装备各大中小型变压器生产厂及变压器检修单位完全可替代国外同类产品且价格低廉。
下面重点介绍该变比测试仪的功能、原理与设计特点。
二、主要技术指标与功能
1∙变比测量范围：1∙000～1000；
2∙偏差范围：仪器能自动计算实测变比对理论变比的偏差值其范围为±19∙9％；
3∙测量误差：不大于0∙1％＋3个字；
4∙测量时间：仪器在测量过程中自动判定高低压的正确性自动处理极性正反并自动平衡电桥整个过程小于4秒；
5∙联接组选择：仪器能适用任何联接组的变压器能满足 IEC／VDE、ANSI／IEEE 国际标准及国家标准（GB）等对联接组的规范；
6∙分接点：多达十九个分接点各分接点的分接值可任意设置；
7∙自动存储各相、各分接点的测试结果
可逐点打印或成批打印输出；
8∙能自动切换正反极性；
9∙具有高低压绕组接反报警与保护功能。
三、工作原理
1∙电桥原理
电桥法变比测量基本原理如图1a 所示。
图1a 中 T N 为可调变比的标准电压互感器 T X 为被测试变压器 U0 为激励电压 ˙UN为电桥平衡回路的标准侧电压 ˙UX 为被试侧
电压Δ˙U 为差值电压。其关系为Δ˙U＝˙UX－˙UN （1）
矢量关系如图1b 所示。
调节 T N 的变比可使电桥平衡即满足｜Δ˙U｜·cosα＝0 （2）
此时 KN＝KX （3）
式中KN、KX 分别为 T N、T X 的变比。
这就是电桥法测量变比的基本原理。
图2为变比仪电桥回路原理图。
图中由互感器 PT1、PT2 组成的互感器组相当于图1a 中的 T N即电桥平衡回路中的标准侧；互感器 PT3 与被试变压器 T X 组合起来相当于图1a 中的
T X即平衡回路的被试侧。开关 SW1 由多个继电器组成受微处理器控制实现电桥标准侧变比的调节；开关 SW2 用于切换极性正反也由微处理器自动切换；开关 SW3 用于变比测量范围切换：当变比为1～10时SW3 处于图中Ⅰ位；变比为10～100时SW3 处于Ⅱ位；变比为100～1000时SW3处于Ⅲ位由微处理器自动切换。开关 SW4、SW5 分别为联接组高压侧、低压侧选择开关由操作人员根据被试变压器的联接组别进行人工切换即使被测变压器是三相变压器仪器通过开关 SW4SW5 后每次只对某一相进行变比测试。SW6 的作用是：当进行变比测试时SW6 闭合给电桥标准侧与被测试侧提供加载电压U0 ；电桥平衡后 SW6 断开切断加载电压使操作人员在改换被试变压器端子时不会带电操作确保安全。
PT1、PT2、PT3 与 T X 的变比分别为K1、K2、K3 与KX 当电桥平衡时
根据公式（3）可得K1·K2＝K3·KX （4）
KX ＝K1·K2K3（5）
2∙仪器硬件总原理
图3为变比仪硬件总原理框图。
虚线框内为变比仪电桥回路（见图2）微处理器由 CPU、RAM、ROM、时钟等部分组成为该仪的核心。在软件的控制下实现自动测试、数据处理等功能。微处理器经过输入接口从仪器面板上的键盘及有关开关获得操作人员的有关操作命令、输入参数等信息并经过输出接口将处理的结果送给数码显示器、讯响器及打印机实现人机信息交换。这是智能化仪器*基本的部分。
属于该变比仪特有的内容为：在电桥平衡前微处理器要控制电桥并输入有关电桥回路的信号判定高低压的正确性及极性的正反并作出进行报警保护或进行电桥平衡过程的选择；在电桥平衡过程中微处理器要不断地输入电桥回路的当时状态并不断地修正电桥标准侧的变比使电桥趋于平衡反复此过程直至电桥平衡获得变比KN ；在电桥平衡后微处理器要采集开关 SW4SW5 的状态了解联接组的选择进行数据处理求出KX、偏差值等结果。这三个过程中微处理器需要输入电桥平衡状态的信号有模拟量˙UN、˙UX、Δ˙U 及开关量 SW4、SW5需要输出控制电桥的信号全部为开关量SW1、SW2、SW3、SW6。除模拟量需经过模拟量处理电路转换为数字量后再经输入接口传给微处理器外其他开关量信号均直接经输入、输出接口与微处理器总线相连。
3∙仪器软件总框图
仪器软件总框图如图4所示。
图4 仪器软件总框图从软件总框图中可以看出软件是由四块功能模块组成。
（1）调试状态功能模块。是仪器的辅助部分含有各输入、输出接口独立操作的控制功能及各输出设备演示检测功能等。便于调试或维修人员能方便地判断仪器是否正常工作或判断仪器故障所在部位。在仪器做老化试验时还能提供一个模拟仪器各种运行状态的循环动作从而提高试验的质量。这是智能化仪器优于其他常规仪器的一大特点。
（2）参数输入功能模块为仪器提供一个参数输入状态。在此状态下操作人员通过面板上的键盘输入被试变压器的额定变比、要测试的分接点号、分接点值（若是等分接变压器还可输入分接级值）等参数供仪器结果处理、显示和打印输出时用。仪器可由该状态进入测试状态与存储值显示状态。也可由测试状态、存储值显示状态或开机复位进入该状态。
图5 测试状态流程图
（3）测试状态模块是仪器*核心的模块。其功能有判定高低压接反、判定极性、判定KX越限、控制电桥平衡、*终得出被试变压器的KX 、偏差等结果、显示、存储并可根据需要打印输出等内容。其流程见图5。
（4）存储值显示状态功能模块。在该状态下操作人员可通过键盘逐个调出每相、各分接点的测试结果显示于数码窗并可通过打印机成批输出。
四、设计特点
图6 组合式滤波器原理框图变比仪是一台既复杂又精密的电子仪器虽然主要分为硬件和软件两大部分但设计内容很多。由于篇幅所限这里只简单介绍几个较为特殊的设计特点。
1∙电桥回路
该仪器电桥回路采用互感器 PT1 与 PT3 来实现被试变压器高压侧与低压侧回路电的隔离使仪器能安全地测试各种高压侧、低压侧不隔离的变压器（如自耦变压器）解决了其他变比仪存在的测试这种变压器时可能造成的U0 短路问题。
电桥电路中的 PT2 是个关键的精密互感器为满足足够的分辨力该互感器必须有相当多的绕组但为使电桥能迅速达到平衡其绕组又不宜太多；再考虑到微处理器软件处理的方便故对仪器的 PT2 采用了二进制的绕组分布其匝数分别为202－1……2－15。*差的分辨力为2－16×10≈0∙015％
0∙015％远小于0∙1％能满足精度的要求且绕组又不算多。
2∙Δ˙U 信号通道
Δ˙U 是电桥的差值信号它反映电桥失衡状况是仪器中*关键的信号。设计中考虑了以下两点。
（1）足够的增益以保证电桥的灵敏度。当电桥平衡时Δ˙U 可能会小到接近零的程度*小的｜Δ˙U ｜＜U0／K1 ×2－16属于几十μV 级的信号必须有足够的增益将此放大到后级能处理的程度。
（2）滤波处理。由于被试变压器铁磁材料的非线性因素˙UX 相对于˙UN 会产生一定的失真当电桥平衡时˙UX 、˙UN 的基波几乎被抵消在Δ˙U 中将剩下丰富的谐波成份会干扰微处理器对电桥失衡方向及程度上的正确判断而影响正确控制电桥平衡造成较大的测试误差。为此必须对Δ˙U 进行高质量的滤波。仪器采用了组合式滤波电路如图6a 所示。
图6a 中①、②级为带阻滤波器分别吸收2ωt 3ωt 谐波；第③级为带通滤波器只通过50Hz 基波信号并对高次谐波进一步衰减。这三级组合成的幅频特性如图6b 所示。为保证较好的选频特性这三级滤波器单元均选用二阶高Q 有源滤波电路该组合滤波器对3ωt 以上谐波抑制比不小于38dB证明效果很好。
带阻滤波器单元电路如图7所示。
3∙软件部分
为减少内存开销提高软件可靠性及可扩展性软件设计时采用了模块化结构并采取了冗余、陷井等抗干扰及时序优化等技术对策这些是智能化仪器的基本措施。除此之外仪器还有它自己的特性。
（1）电桥失衡方向的鉴别方法前面已经谈过 电桥平衡条件是满足公式
（2） 电桥失衡时 可根据｜Δ˙U｜·ccosα＞0或｜Δ˙U｜·cosα＜0即可代表其失衡的方向这是微处理器*关心的信息。
Δ˙U 可用时域的函数来表达即
Δu ＝ 2｜Δ˙U｜·sin（ωt ＋α） （6）
用ωt ＝π2代入式（6）得ΔU｜π2＝ 2｜Δ˙U｜·cosα （7）
根据式（7）我们可以在π2时对ΔU 进行瞬时值采样而获得与Δ˙U 同相分量成线性关系的信号再根据此信号的符号就可鉴别出电桥失衡的方向。有关更详细地论述见参考文献
［3］这是变比仪控制电桥平衡的关键。
（2）电桥平衡过程控制
电桥平衡的控制过程类同许多高速 A／D转换器的逐位逼近过程。如图8所示。
首先微处理器通过开关 SW1 送出*高位紧接着微处理器采集ΔU｜π2并判定电桥失衡方向决定该位保留还是**；然后送出下一位进行上述过程。这样逐位处理后使电桥逐渐趋平衡直至*低位处理完毕即完成电桥平衡控制的全部过程。根据上述各位的状态即可求得KN 进而再去求KX 。
（3）系统通迅功能
本仪器与国外多数智能化仪器一样备有系统通讯扩展功能使仪器可以与上位机直接联接或通过掌上机作为媒介与上位机联接进行数据交换为仪器方便地进入各种测试 、控制、管理网络系统创造了条件。
（4）其 他
本变比仪为适用于国内、国外用户在现场或实验室使用在结构上采用了加强型标准机箱面板采用了 PVC 面膜加触摸键面板与背板上的标注注意了国标、IEC、ANSI 等标准的兼容 。为保证数据稳定可靠故障率低仪器的主要元器件采用了国外有名公司或国内**企业的产品并经过严格地工艺老化筛选。
五、结束语
智能化变比仪尽管功能和性能超过常规的变比仪但操作却变得更简单、更直观变比测试因此变得轻松自如数据更加准确报告变得更加规范这反映了智能化仪器的共性。由于篇幅的原因以上介绍的仅是轮廓加之水平与时间的限制谬误肯定存在望得到同行的指教。
