热电偶在变压器温升测量中的机理及应用

摘要：本文论述了热电偶测温的工作原理及其补偿导线合金丝在变压器温升测量中的实际应用
　　在音视频和信息技术类电子设备中变压器起着能量转换和电气隔离的作用如果设备在正常工作或局部产生故障的情况下变压器的温升超过变压器材料件如绕组骨架等本身的温升限值可能会使变压器绝缘失效而引起触电或着火危险因此在进行安规考核时对变压器温升的测量是必不可少的通常对变压器温升的测量采用两种方法热电偶法和电阻法。
　　热电偶法采用温度检测记录仪来测量变压器温升测试时可通过系接法粘贴法焊接法或胶合法将热电偶丝粘贴在变压器被测部位上贴好热电偶后接通电源待热稳定或后测量变压器绕组外层的温升。
电阻法:在接通电源前,应先测量变压器的冷态电阻R1,然后,接通电源,待热稳定或4h后断开电源,立即测量变压器各线包的热态电阻R2,由以下公式计算出其平均温升:△t=(R2–R1/R)(K+t1)-(t2-t1)
△t--绕组温升值;
其中:K--234.5(铜绕组);225(铝绕组);
R1一试验开始时的阻值(Ω);
R2-试验结束时的阻值(Ω);
t1一-试验开始时的室温(℃);
t2一试验结束时的室温(℃)。
　　在GB4943中规定测量变压器的绕组温升允许采用热电偶法,测得的温度数值增加10℃作为最终结果，GB8898则要求用电阻法测量变压器线包的温升，但对绕组阻抗小于10Ω的开关变压器,一般也采用热电偶法。
1工作原理
　　温度是表征热力学系统冷热程度的物理量,温度的数值表示法叫温标,常用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。温度会使物质的某些物理性质发生改变,将两种不同的金属焊接到一个回路中,如果使它们处于两个不同的温度环境下,则回路中就会出现-一个通常不为零的电动势,这个电动势称为温差电动势，,产生这个温差电动势的金属回路称为热电偶。热电偶是把非电学量(温度)转化成电学量(电动势)来测量,用它来测量温度具有许多优点,如测温范围宽、灵敏度和精度较高、结构简单不易损坏受热点也可做得很小，因而对温度变化响应快,对测量对象的状态影响小，可以用于温度场的实时测量和监控。
　　热电偶的温差电动势虽然主要取决于所选用的材料和两个接头的温度,但材料中所含的杂质和加工工艺过程也会对它产生一定的影响。因而,尽管都是由同样的两种材料组成的热电偶,它们的温差电动势与温度的关系却并不完全相同。所以对于每一.支焊好的热电偶,都应先进行分度,即测定出温差电动势与温度间的确定关系,然后才能用它来测量温度,可以把温差电动势E与温度T的关系写成:E=ƒ(T-T。)
此式不是严格的线性关系,可将其展开为无穷级数
E=ɑ+b(T-T。)+c(T-T。)2+.....
　　式中:T。一恒温端(亦称冷端)的温度;T一另一端(即工作端)的温度。若选取T=T。时,E=0,可得ɑ=0。这样上式应写成
E=b(T-T)+c(T-T。)2+.....
　　式中b、c等是与组成该热电偶的材料等因素有关的系数。对于一支做好的热电偶,当其冷端温度T。固定时,温差电动势ε仅仅是工作端温度T的函数,只要用实验方法确定出二者的函数关系(或定出b、c等系数),就能用这支热电偶,根据其温差电动势ε的值来测定温度T,示意图如图1所示:

　　热电偶的分度是这样的:将热电偶的冷端放置在冰水混合物中,工作端的温度就是T。=0℃(如将冷端置人室温下的某种液体内,则可用水银温度计测出其温度T0);将热电偶的工作端置人油中或其它温度较高又可调节的环境中,用温度计测出一-系列高低不同的温度点Ti,同时用电位差计分别测出相应的温差电动势E;绘制出E~T曲线,即完成热电偶的分度,中国国家标准GB/T16701.2中规定了廉金属热电偶丝热电动势的测量方法(单极比较法和双极比较法),请大家细阅。
2热电偶的选用
　　选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度使用环境、响应时间和经济效益来综合考虑,使用温度在1000℃~1300℃之间要求精度又比较高的可用S型热电偶和N型热电偶;在1000℃以下的一般用K型热电偶和N型热电偶;低于400℃的一般用E型热电偶;250℃下以及负温测量-般用T型电偶,在低温时T型热电偶稳定而且精度高,S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用;J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛,有化学污染的环境要求有保护管,有电气干扰的情况下要求绝缘比较高,线径大的热电偶耐久性好,但响应较慢--些,要求响应时间快又要求有--定的耐久性,选择铠装热电偶比较合适,现在通常选用直径0.3mm的K型(镍铬-镍硅)或T型(铜-康铜)、1级允差，的热电偶来测量5视频利渗息技术类电子设备中变压器的运行温度。

3补偿导线(合金丝)的选用
　　在一定条件下我们需要使用补偿导线,既在一-定温度范围内具有与所匹配的热电偶的份电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线,用它们连接热电偶与测量装置,以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差,合金丝是构成补偿导线的导体,按使用温度分为一般用和耐热用;按热电特性的允差不同分为精密级和普通级,补偿导线分为延长型和补偿型两种,延长型的合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用热电偶丝相同,用字母“X"附加在热电偶分度号之后表示;补偿型的合金丝的名义化学成分与配用热电偶丝不同,但其热电势值在0℃~100℃或0℃~200℃时与配用热电偶丝标称值相同,用字母“C”附加在热电偶分度号之后表示,不同合金丝可应用于同种型号的热电偶,并用附加字母予以区别。

4试验时的使用
　　实验室要根据实际要求要求供应商提供合格的热电偶,偶丝表面应均匀、平直、光洁、无油污、折迭、腐蚀、裂纹、毛刺夹层及脆弱等缺陷,热接点应焊接牢固并光滑无气孔,并对热电偶单独或整批进行计量(至少要包括起始端和末断)。在使用之前,应将热电偶的内部绝缘体从顶端向后剥约1.5mm,如还有外部绝缘体则从顶端向后剥约15mm,顶端用单点焊接来连接,然后与要测量温度的地方相连,为了达到与被测点同样的温度,接点要与被测部件的表面紧密接触，现在一般通过胶合、焊接等方法固定,胶合法即将高龄粉和硅酸钠溶液以同等比例相混合再与氰丙烯酸酯胶合(如:HenkelSicomet),在胶合前应固定热电偶的位置;对于焊接剂易于黏附的金属表面,采用焊接法在热传导性方面优于胶合法。最后还需要--台可以记录温度曲线的温度测量仪,在条件可行的情况下,热电偶应尽可能直接与仪器连接,如果无法实现，可以采用热电偶延长线。