基于紅外檢測(cè)技術(shù)的電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)

楊 東，陳瑞斌，仝海龍，譚興華

（河南四達(dá)檢測(cè)技術(shù)有限公司，許昌461000）

變壓器是電力系統(tǒng)內(nèi)電能傳輸與電壓等級(jí)變換的重要元件，電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障是其主要的故障，套管絕緣缺陷嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性，需要保證變壓器的運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，提高變壓器的輸出穩(wěn)定性，研究電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)方法受到人們的極大重視[1]。

對(duì)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)是建立在對(duì)運(yùn)行變壓器套管的異常特征提取基礎(chǔ)上，通過解體印證特征分析方法，進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷特征提取和優(yōu)化分析[2-4]，傳統(tǒng)方法中通過構(gòu)建電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷分布模型，分析紅外特征，進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷定位，但傳統(tǒng)方法進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性不高，定位精度不好[5]。針對(duì)上述問題，本文提出基于紅外檢測(cè)技術(shù)的電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)方法。構(gòu)建電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷的紅外成像模型，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)優(yōu)化。展示了本文方法在提高電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)能力方面的優(yōu)越性能。

1 電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像和紅外缺陷檢測(cè)

1.1 紅外檢測(cè)技術(shù)下電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像

紅外檢測(cè)技術(shù)是一種能有效檢測(cè)變壓器套管運(yùn)行正常與否的檢測(cè)手段，在套管發(fā)生局部放電時(shí)能有效檢測(cè)到溫度異常，及時(shí)采取措施，避免因套管異常產(chǎn)生的事故擴(kuò)大。假設(shè)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷激光光譜是一個(gè)緩慢時(shí)變的帶寬圖譜[6]，激光光譜診斷電力系統(tǒng)變壓器套管的過程本質(zhì)是激光與物質(zhì)相互作用。當(dāng)激光與電力系統(tǒng)變壓器套管中存在的粒子以及自由基等發(fā)生作用時(shí)，會(huì)由于各種線性和非線性效應(yīng)產(chǎn)生散射或者熒光等信號(hào)，這些信號(hào)攜帶了電力系統(tǒng)變壓器套管的溫度、密度、組分濃度等信息。激光光譜技術(shù)就是從微觀上研究各種檢測(cè)信號(hào)與電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷的參量信息之間存在的物理聯(lián)系，從宏觀上采用實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)量檢測(cè)信號(hào)進(jìn)而獲得電力系統(tǒng)變壓器套管參量信息的方法。通過頻率相關(guān)性檢測(cè)，得到電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷圖譜[7]。

選擇特定的窗函數(shù)可能會(huì)獲得電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷的頻率分辨率[8]，根據(jù)Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理，得到電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的分辨率。

1.2 紅外缺陷檢測(cè)

電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣倒裝片通過外部熱激勵(lì)進(jìn)行非接觸主動(dòng)加熱，消除環(huán)境噪聲，同時(shí)提高被測(cè)部位的溫度特性[9-10]。晶片吸收熱量并傳導(dǎo)到試件內(nèi)部，晶片內(nèi)部缺陷導(dǎo)致其產(chǎn)生熱阻和導(dǎo)熱異常，造成晶片內(nèi)部各部件及表面溫度分布不均勻。襯底材料的硅含量在大于1.1 μm 的紅外波段中有很好的紅外透過性，因而可以通過紅外熱像儀獲得芯片內(nèi)部的溫度分布。對(duì)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷進(jìn)行紅外熱成像測(cè)量分析，可實(shí)現(xiàn)紅外熱缺陷檢測(cè)和診斷。

分析電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像，通過RGB-D 圖像分解方法，建立電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像虛擬現(xiàn)實(shí)三維重構(gòu)模型。采用自適應(yīng)參數(shù)融合算法進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像融合，結(jié)合特征點(diǎn)匹配方法[11]，得到電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外特征分布相位，使單分量融合，得到電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的特征分解模型，如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)變壓器三維重構(gòu)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of power system transformer 3D reconstruction model

在對(duì)電力系統(tǒng)變壓器套管進(jìn)行帶電檢測(cè)紅外熱像檢測(cè)的過程中，發(fā)現(xiàn)序列為1 的主變壓器管頂部溫度異常，但相對(duì)溫差較小。因當(dāng)時(shí)負(fù)荷較大，選擇進(jìn)行持續(xù)跟蹤和每天測(cè)溫的方式進(jìn)行處理。電力系統(tǒng)變壓器套管紅外圖譜如圖2所示。

電力系統(tǒng)變壓器套管的頂部溫度為18.5 ℃，套管頂部的溫度在持續(xù)上升。變壓器正常工作時(shí)，套管頂接頭溫差相對(duì)較小，紅外熱像檢測(cè)整體表現(xiàn)比較均勻，而套管外絕緣污穢形成的發(fā)熱一般是徑向均勻發(fā)熱，所以可以排除由污穢引起異常發(fā)熱的可能性。通過對(duì)電力系統(tǒng)變壓器套管進(jìn)行多天連續(xù)觀察和紅外熱像檢測(cè)，分析表明套管內(nèi)部應(yīng)該有明顯的局部放電點(diǎn)，以便在短時(shí)間內(nèi)積累大量的熱量，導(dǎo)致溫度升高。采用多層小波分解的方法分析電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征量，由此進(jìn)行缺陷定位和故障檢測(cè)[12]。導(dǎo)致電力系統(tǒng)變壓器設(shè)備停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 電力系統(tǒng)變壓器套管紅外圖譜Fig.2 Infrared spectrum of transformer bushing in power system

表1 停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Power failure test data

2 電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障

2.1 套管絕緣缺陷故障類型

電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷可分為集中性缺陷和分散性缺陷。例如瓷器絕緣子瓷器開裂，發(fā)電機(jī)絕緣局部磨損，電纜絕緣氣隙在電壓作用下局部放電逐漸損壞絕緣，以及機(jī)械損傷、局部潮濕等集中缺陷。電機(jī)、機(jī)殼等電器設(shè)備的整體絕緣性能下降，有機(jī)材料在設(shè)備絕緣中受潮、老化、變質(zhì)等分布缺陷。絕緣體內(nèi)部的缺陷降低了電氣設(shè)備的絕緣等級(jí)，使設(shè)備存在安全隱患。隱藏的缺陷可以通過試驗(yàn)檢測(cè)來檢驗(yàn)，然后采取措施加以消除。

2.2 電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷定位

通過關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，分析電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣紅外成像超像素特征分布集，結(jié)合缺陷部位的關(guān)鍵特征信息點(diǎn)進(jìn)行信息融合，建立電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的多分辨融合模型[13]，得到固有模態(tài)函數(shù)的收斂條件。

2.3 電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)優(yōu)化

建立電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣紅外成像的紅外檢測(cè)分析模型，對(duì)變壓器停電進(jìn)行套管試驗(yàn)和紅外成像的異常特征分析，得到灰度值[14]。通過歸一化分割，提取電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外圖像的邊緣輪廓特征量，得到變壓器套管絕緣缺陷紅外異常分布空間的像素值。

建立電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的多分辨特征檢測(cè)和信息重構(gòu)模型[15]，得到變壓器套管絕緣缺陷定位輸出，通過自適應(yīng)的像素重構(gòu)方法，變壓器套管絕緣缺陷定位結(jié)果。通過多維像素信息分解的方法，進(jìn)行圖像的自適應(yīng)特征重組。對(duì)變壓器停電進(jìn)行套管試驗(yàn)和紅外成像的異常特征分析，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化辨識(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)優(yōu)化，得到電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣誤差。結(jié)合參數(shù)優(yōu)化辨識(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)優(yōu)化。

3 工程實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)中的應(yīng)用性能，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試分析，電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的像素集為150×150；邊緣輪廓特征匹配系數(shù)為0.35；電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外特征分解的尺度為12；電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷特征匹配的閾值ξ 為0.45。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)，得到原始的紅外圖譜，變壓器套管絕緣缺陷檢測(cè)線路如圖3所示。

圖3 電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷檢測(cè)Fig.3 Detection of insulation defects of transformer bushing in power system

通過電源連接單個(gè)交流電壓，割刀開關(guān)，調(diào)節(jié)器連接絕緣導(dǎo)線，低電壓連接線，紅外成像檢測(cè)。根據(jù)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷檢測(cè)，得到復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 Retest data of transformer bushing insulation defects in power system

由表2 可知，電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)處理前檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)值相差較大，而本文方法檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)值較為接近，關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果接近是因?yàn)橥ㄟ^灰度像素特征重組，進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外特征定位，得到關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果，一定程度上能定位到電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷。絕緣誤差小原因是對(duì)變壓器停電進(jìn)行套管試驗(yàn)和紅外成像的異常特征分析，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化辨識(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)優(yōu)化，得到電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣誤差。套管頂部放電狀態(tài)如圖4所示。

圖4 套管頂部放電狀態(tài)圖Fig.4 Discharge state diagram of top of bushing

由圖4 可知，將異常套管頂部將軍帽打開后，發(fā)現(xiàn)套管頂部連接部位有明顯放電痕跡，周圍內(nèi)壁存在大量黑色物質(zhì)，導(dǎo)電拉桿表面有明顯燒蝕融化痕跡。并再次對(duì)套管進(jìn)行介質(zhì)損耗和直流電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與表1 停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)結(jié)果一致，表明放電點(diǎn)來自套管內(nèi)部，與變壓器繞組內(nèi)部無(wú)關(guān)。根據(jù)上述結(jié)果，進(jìn)行缺陷檢測(cè)，得到電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

分析圖5 得知，本文方法進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性較高，定位檢測(cè)的精度較好，提高了缺陷故障的準(zhǔn)確辨識(shí)能力。

圖5 電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Fault detection results of transformer bushing insulation defects in power system

為驗(yàn)證基于紅外檢測(cè)技術(shù)的電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)的精度，在絕緣故障檢測(cè)過程中實(shí)現(xiàn)紅外成像這一指標(biāo)進(jìn)行分析，分別在正接和反接兩種情況下計(jì)算絕緣缺陷故障檢測(cè)相似度準(zhǔn)確率，結(jié)果如圖6所示。

圖6 絕緣缺陷故障檢測(cè)相似度計(jì)算準(zhǔn)確率結(jié)果Fig.6 Accuracy results of similarity calculation for insulation defect fault detection

根據(jù)圖6 分析結(jié)果可知，在正接和反接兩種情形，絕緣缺陷故障檢測(cè)相似度計(jì)算精度較高，均處于80%以上，且隨著檢測(cè)數(shù)量的增加，檢測(cè)精度值在逐漸提高，為紅外檢測(cè)技術(shù)下電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)的完成奠定了基礎(chǔ)，定位精度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障的優(yōu)化模型，通過分析電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行故障穩(wěn)態(tài)特征分析，提高電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷的工況運(yùn)行穩(wěn)定性，本文提出基于紅外檢測(cè)技術(shù)的電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)方法。采用多普勒頻補(bǔ)償方法進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外信息融合，結(jié)合缺陷部位的關(guān)鍵特征信息點(diǎn)進(jìn)行信息融合，建立電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的多分辨融合模型，提取電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外圖像的邊緣輪廓特征量，建立電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的多分辨特征檢測(cè)和信息重構(gòu)模型

實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)優(yōu)化。分析得知，本文方法進(jìn)行電力系統(tǒng)變壓器套管絕緣缺陷故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性較高，缺陷定位精度較好。