熱電偶在變壓器溫升測量中的機理及應用

摘要：本文論述了熱電偶測溫的工作原理及其補償導線合金絲在變壓器溫升測量中的實際應用
　　在音視頻和信息技術類電子設備中變壓器起著能量轉換和電氣隔離的作用如果設備在正常工作或局部產生故障的情況下變壓器的溫升超過變壓器材料件如繞組骨架等本身的溫升限值可能會使變壓器絕緣失效而引起觸電或著火危險因此在進行安規考核時對變壓器溫升的測量是必不可少的通常對變壓器溫升的測量采用兩種方法熱電偶法和電阻法。
　　熱電偶法采用溫度檢測記錄儀來測量變壓器溫升測試時可通過系接法粘貼法焊接法或膠合法將熱電偶絲粘貼在變壓器被測部位上貼好熱電偶后接通電源待熱穩定或后測量變壓器繞組外層的溫升。
電阻法:在接通電源前,應先測量變壓器的冷態電阻R1,然后,接通電源,待熱穩定或4h后斷開電源,立即測量變壓器各線包的熱態電阻R2,由以下公式計算出其平均溫升:△t=(R2–R1/R)(K+t1)-(t2-t1)
△t--繞組溫升值;
其中:K--234.5(銅繞組);225(鋁繞組);
R1一試驗開始時的阻值(Ω);
R2-試驗結束時的阻值(Ω);
t1一-試驗開始時的室溫(℃);
t2一試驗結束時的室溫(℃)。
　　在GB4943中規定測量變壓器的繞組溫升允許采用熱電偶法,測得的溫度數值增加10℃作為最終結果，GB8898則要求用電阻法測量變壓器線包的溫升，但對繞組阻抗小于10Ω的開關變壓器,一般也采用熱電偶法。
1工作原理
　　溫度是表征熱力學系統冷熱程度的物理量,溫度的數值表示法叫溫標,常用的溫標有攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。溫度會使物質的某些物理性質發生改變,將兩種不同的金屬焊接到一個回路中,如果使它們處于兩個不同的溫度環境下,則回路中就會出現-一個通常不為零的電動勢,這個電動勢稱為溫差電動勢，,產生這個溫差電動勢的金屬回路稱為熱電偶。熱電偶是把非電學量(溫度)轉化成電學量(電動勢)來測量,用它來測量溫度具有許多優點,如測溫范圍寬、靈敏度和精度較高、結構簡單不易損壞受熱點也可做得很小，因而對溫度變化響應快,對測量對象的狀態影響小，可以用于溫度場的實時測量和監控。
　　熱電偶的溫差電動勢雖然主要取決于所選用的材料和兩個接頭的溫度,但材料中所含的雜質和加工工藝過程也會對它產生一定的影響。因而,盡管都是由同樣的兩種材料組成的熱電偶,它們的溫差電動勢與溫度的關系卻并不完全相同。所以對于每一.支焊好的熱電偶,都應先進行分度,即測定出溫差電動勢與溫度間的確定關系,然后才能用它來測量溫度,可以把溫差電動勢E與溫度T的關系寫成:E=ƒ(T-T。)
此式不是嚴格的線性關系,可將其展開為無窮級數
E=ɑ+b(T-T。)+c(T-T。)2+.....
　　式中:T。一恒溫端(亦稱冷端)的溫度;T一另一端(即工作端)的溫度。若選取T=T。時,E=0,可得ɑ=0。這樣上式應寫成
E=b(T-T)+c(T-T。)2+.....
　　式中b、c等是與組成該熱電偶的材料等因素有關的系數。對于一支做好的熱電偶,當其冷端溫度T。固定時,溫差電動勢ε僅僅是工作端溫度T的函數,只要用實驗方法確定出二者的函數關系(或定出b、c等系數),就能用這支熱電偶,根據其溫差電動勢ε的值來測定溫度T,示意圖如圖1所示:

　　熱電偶的分度是這樣的:將熱電偶的冷端放置在冰水混合物中,工作端的溫度就是T。=0℃(如將冷端置人室溫下的某種液體內,則可用水銀溫度計測出其溫度T0);將熱電偶的工作端置人油中或其它溫度較高又可調節的環境中,用溫度計測出一-系列高低不同的溫度點Ti,同時用電位差計分別測出相應的溫差電動勢E;繪制出E~T曲線,即完成熱電偶的分度,中國國家標準GB/T16701.2中規定了廉金屬熱電偶絲熱電動勢的測量方法(單極比較法和雙極比較法),請大家細閱。
2熱電偶的選用
　　選擇熱電偶要根據使用溫度范圍、所需精度使用環境、響應時間和經濟效益來綜合考慮,使用溫度在1000℃~1300℃之間要求精度又比較高的可用S型熱電偶和N型熱電偶;在1000℃以下的一般用K型熱電偶和N型熱電偶;低于400℃的一般用E型熱電偶;250℃下以及負溫測量-般用T型電偶,在低溫時T型熱電偶穩定而且精度高,S型、B型、K型熱電偶適合于強的氧化和弱的還原氣氛中使用;J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛,有化學污染的環境要求有保護管,有電氣干擾的情況下要求絕緣比較高,線徑大的熱電偶耐久性好,但響應較慢--些,要求響應時間快又要求有--定的耐久性,選擇鎧裝熱電偶比較合適,現在通常選用直徑0.3mm的K型(鎳鉻-鎳硅)或T型(銅-康銅)、1級允差，的熱電偶來測量5視頻利滲息技術類電子設備中變壓器的運行溫度。

3補償導線(合金絲)的選用
　　在一定條件下我們需要使用補償導線,既在一-定溫度范圍內具有與所匹配的熱電偶的份電動勢的標稱值相同的一對帶有絕緣層的導線,用它們連接熱電偶與測量裝置,以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產生的誤差,合金絲是構成補償導線的導體,按使用溫度分為一般用和耐熱用;按熱電特性的允差不同分為精密級和普通級,補償導線分為延長型和補償型兩種,延長型的合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用熱電偶絲相同,用字母“X"附加在熱電偶分度號之后表示;補償型的合金絲的名義化學成分與配用熱電偶絲不同,但其熱電勢值在0℃~100℃或0℃~200℃時與配用熱電偶絲標稱值相同,用字母“C”附加在熱電偶分度號之后表示,不同合金絲可應用于同種型號的熱電偶,并用附加字母予以區別。

4試驗時的使用
　　實驗室要根據實際要求要求供應商提供合格的熱電偶,偶絲表面應均勻、平直、光潔、無油污、折迭、腐蝕、裂紋、毛刺夾層及脆弱等缺陷,熱接點應焊接牢固并光滑無氣孔,并對熱電偶單獨或整批進行計量(至少要包括起始端和末斷)。在使用之前,應將熱電偶的內部絕緣體從頂端向后剝約1.5mm,如還有外部絕緣體則從頂端向后剝約15mm,頂端用單點焊接來連接,然后與要測量溫度的地方相連,為了達到與被測點同樣的溫度,接點要與被測部件的表面緊密接觸，現在一般通過膠合、焊接等方法固定,膠合法即將高齡粉和硅酸鈉溶液以同等比例相混合再與氰丙烯酸酯膠合(如:HenkelSicomet),在膠合前應固定熱電偶的位置;對于焊接劑易于黏附的金屬表面,采用焊接法在熱傳導性方面優于膠合法。最后還需要--臺可以記錄溫度曲線的溫度測量儀,在條件可行的情況下,熱電偶應盡可能直接與儀器連接,如果無法實現，可以采用熱電偶延長線。