基于紅外圖像的變壓器故障在線檢測技術分析

徐 偉，金國忠，苗振林 ，楊靖瑋

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司 嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000)

在紅外圖像診斷技術的應用背景下，現(xiàn)提出一種切實可行的在線檢測技術，并將其科學、合理地應用于變壓器故障檢測中，不僅可以簡化變壓器故障檢測流程，還能提高故障檢測結果的精確性和真實性，為提高變壓器的運行性能，延長其使用壽命打下堅實的基礎。因此，在紅外圖像診斷技術的應用背景下，如何將本文所提出的在線檢測技術科學、有效地應用于變壓器故障檢測中是技術人員必須思考和解決的問題。

1 變壓器概述

1.1 變壓器種類

變壓器主要用于對交流電壓、電能等參數(shù)的變換處理，屬于一種比較常用的電器設備，該設備在實際研發(fā)中，主要用到了電磁感應原理，以實現(xiàn)對電能的安全、可靠傳遞。以“用途”為劃分標準，將變壓器劃分為電力變壓器、儀用變壓器和試驗變壓器這3種類型。其中，電力變壓器主要用于對電力電能的輸送和配置；儀用變壓器主要用于對配電系統(tǒng)電氣的精確化測量；試驗變壓器主要用于對電器設備的耐壓處理。

1.2 變壓器結構

以電力變壓器為例，電力變壓器主要包含以下組成部分：(1)吸潮器。吸潮器主要對變壓器內部繞組的干燥處理，確保該繞組表現(xiàn)出較高的絕緣性能；(2)油位計。油位計的使用可以直觀、清晰地反映出變壓器當前油位狀態(tài)；(3)油枕。油枕主要用于對油箱油量的精確化調節(jié)，避免變壓器出現(xiàn)氧化現(xiàn)象；(4)防爆管。防爆管的使用可以避免油箱內出現(xiàn)壓力聚增現(xiàn)象，降低爆炸事故出現(xiàn)的安全風險；(5)信號溫度計。信號溫度計主要用于對變壓器運行溫度的實時化監(jiān)視，并發(fā)出相應的信號。

2 變壓器故障的紅外診斷基礎

2.1 紅外熱像儀的工作原理

紅外熱像儀工作原理：通過借助紅外探測器和光機掃描系統(tǒng)，對被測目標所對應的紅外輻射能量進行匯聚和整理，并將其反饋到光敏元件上。該光敏元件含有紅外探測器，可以實現(xiàn)對紅外熱像的精確化掃描，并借助探測器，對紅外輻射信號進行轉換，使其轉化為電信號。在此基礎上，通過采用視頻處理的方式，將電信號傳輸?shù)綑z測器上。紅外熱像儀的組成框圖如圖1所示。

圖1 紅外熱像儀的組成框圖

2.2 變壓器故障及紅外診斷方法

變壓器常見故障

變壓器經(jīng)過長時間的運行后，難免會出現(xiàn)各種故障問題，有的故障問題具有一定的突發(fā)性，如雷擊現(xiàn)象的出現(xiàn)，導致變壓器突然出現(xiàn)故障，有的故障問題具有一定的潛伏性，往往沒有被明顯地表現(xiàn)出來，需要技術人員對變壓器進行徹底地分析和處理后，才能得以精確地診斷和處理，將變壓器安全風險提前扼殺在搖籃里，為極大地提升變壓器運行性能，延長其使用壽命創(chuàng)造良好的條件。

紅外圖像診斷方法

對于變壓器而言，由于受到電流、電壓等參數(shù)的直接影響，一旦經(jīng)過長時間地運行，很容易形成大量的熱能，導致整個變壓器始終處于熱狀態(tài)中，這無疑增加了變壓器的安全風險，為此，技術人員要利用紅外圖像診斷方法，對其進行分析和診斷，以達到提高紅外圖像診斷結果的精確性和真實的目的。

紅外圖像診斷機理

變壓器故障的紅外圖像診斷機理主要運用了以下2種方法，分別是變壓器外部故障診斷法和變壓器內部故障診斷法。這2種診斷法均利用了紅外熱像技術。其中，變壓器外部故障主要包含導體連接失靈、漏磁引發(fā)的箱體渦流等問題，在處理變壓器外部故障時，通過借助紅外熱像圖，就可以精確地查詢出過熱部位，并精確地測量出這些部位所對應的最高溫度，為后期溫度分析評定打下堅實的基礎。變壓器內部故障主要是指變壓器內部線圈、分接開關、本體絕緣等部件出現(xiàn)異常問題，導致變壓器無法正常、穩(wěn)定地運行。而這類故障問題的解決同樣離不開紅外熱像技術的應用。

3 變壓器紅外圖像的分割

3.1 紅外圖像分割概述

為了保證紅外圖像識別效果，技術人員要加強對紅外圖像的科學分割和處理，圖像分割主要是指從干擾因素較多的復雜圖像中，檢測出所需要的紅外圖像。圖像分割通常被安排在圖像預處理之后，為后期更深入地理解圖像打下堅實的基礎；圖像分割的分類如圖2所示。目前，基于閾值圖像分割法最為常用，該分割法主要用于對以下2種圖像的分割，一種是區(qū)域生長圖像分割；另一種是邊緣檢測圖像分割。

圖2 圖像分割的分類

3.2 基于邊緣的紅外圖像分割

基于邊緣的紅外圖像分割法主要是指通過對紅外圖像的邊緣進行精確檢測，從而辨認并提取出該圖像所對應的輪廓。這種分割法具有邊緣定位清晰、運算效率高等特點。圖像邊緣作為一項重要特征，為后期圖像分割提供重要的依據(jù)和參考。另外，對于變壓器紅外圖像而言，通過利用其邊緣信息可以實現(xiàn)對其故障的精確識別和處理。

3.3 基于最大類間方差法紅外圖像分割

在進行紅外圖像分割期間，經(jīng)常用到的分割方法主要以閾值分割法為主，通過借助最大類間方差法、最小誤差法，可以精確地計算出不同紅外圖像所對應的閾值，這種方法具有計算精確、操作簡單等特點。因此，值得被進一步推廣和應用。其中，最大類間方差法主要用到了以下思想：根據(jù)圖像所對應的灰度值，確定出不同直方圖像所對應的取值范圍，并選取合適的灰度級，將直方圖劃分為2個部分：一個左類圖像；另一個是右類圖像。當這2類灰度值之間相差較大時，需要將紅外圖像的灰度級別設置為閾值。在此基礎上，還要利用Ostu閾值分割法，獲得變壓器內部的各個套管所對應的圖像，并對這些管道圖像的灰度值進行對比；最后，利用閾值分割法，得到最終的分割圖。

4 變壓器紅外圖像故障在線檢測技術驗證

4.1 故障診斷技術流程

故障診斷技術流程主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)一旦設備出現(xiàn)溫度異?，F(xiàn)象時，會自動顯示相應的圖像；然后，根據(jù)這一圖像，精確地獲取異常部位所對應的紅外熱像圖。(2)通過科學處理、分割紅外熱像圖，為后期設備故障的高效化、規(guī)范化診斷提供極大的便利。(3)變壓器一旦出現(xiàn)發(fā)熱部位，其溫度數(shù)據(jù)會存在一定的差異，技術人員要在全面了解和掌握這一溫度數(shù)據(jù)變化趨勢的基礎上，精確地預測和判斷設備最終運行狀態(tài)，并確定出設備故障出現(xiàn)的根本原因。(4)通過變壓器的故障進行科學分類，并在充分結合溫差的前提下，總結變壓器故障處理相關結論。(5)針對變壓器故障缺陷問題，精確地找出異常部位發(fā)熱的根本原因；變壓器故障診斷技術流程如圖3所示 。

圖3 變壓器故障診斷流程

4.2 變壓器故障診斷系統(tǒng)

上位機軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的建立

通過借助Visual Basic 6.0，完成對上位機軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的科學搭建，不僅可以保證用戶界面開發(fā)效率，還能提高圖像處理效果。因此，技術人員要借助這一開發(fā)工具，在科學設置程序接口的基礎上，通過編寫相關程序，科學建立相應開發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)主要包含以下3大功能，分別是文件管理功能、故障診斷功能和數(shù)據(jù)管理功能。

紅外圖像數(shù)據(jù)庫的建立

為了保證變壓器故障診斷結果的精確性和真實性，在進行變壓器故障診斷期間，技術人員要根據(jù)變壓器故障類型以及相關溫度信息，構建相應的數(shù)據(jù)庫，并完成對紅外圖像相關數(shù)據(jù)的存儲。同時，還要采用檔案分析法，完成對相關資料信息的精確化分析。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所運用的開發(fā)工具主要以“Access”為主，以數(shù)據(jù)類別為劃分標準，數(shù)據(jù)庫主要包含2種類型的信息，一種是圖像信息；另一種是輔助信息。此外，以數(shù)據(jù)功能為劃分標準，可以將該數(shù)據(jù)庫內部數(shù)據(jù)劃分為以下2種類型，一種是標準圖像信息庫；另一種是典型故障圖像信息庫。在此基礎上，為了確保文字和圖像能夠有效地分離開來，需要借助分離保存方案，將文字和圖像分別保存于數(shù)據(jù)表、文件夾中；然后，借助數(shù)據(jù)表單，將這2種存儲位置進行有效地連接，方便相關工作人員通過查找路徑或者文件名，實現(xiàn)對圖像的快速檢索。

變壓器故障診斷

對于紅外圖像而言，故障檢測與診斷系統(tǒng)在實際的運用中，主要借助了紅外圖像，并將該圖像信息進行直接轉化，使其轉化為設備溫度信息。同時，還要在綜合考慮異常部件溫度值變化情況的基礎上，對變壓器當前運行狀態(tài)進行科學預測和診斷。其次，在正式進入故障處理之前，需要為每個故障部位進行科學命名，這是由于變壓器部位不同，所對應的故障溫度閾值也存在一定的差異。當變壓器部位命名結束后，需要根據(jù)變壓器實際運行情況，選用行之有效的診斷方法，從以下幾個方面入手，保障最終診斷結果的精確性和真實性。

(1)閾值與溫度變化率結合的診斷法。當變壓器出現(xiàn)異常故障時，需要借助紅外熱像儀器，先從整體入手，對變壓器進行初步檢測。當確定出變壓器多個故障發(fā)熱部位時，需要降低檢測范圍，對變壓器進行重點檢測，以保證檢測操作的有效性和科學性。另外，對于變壓器而言，其故障熱特性不同，所采用的檢測溫度也存在一定的差異。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，當變壓器表面溫度出現(xiàn)大幅度變化時，變壓器故障也會出現(xiàn)比較明顯的變化。當變壓器運行一段時間后，表面溫度會呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，此時，變壓器也會自動進入到相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)，在這一時間段內，變壓器表面溫度在實際的變化期間，會存在一定的規(guī)律性。為此，技術人員可以針對這一規(guī)律，形象、直觀地繪制出變壓器表面溫度變化曲線。此外，當變壓器所對應的檢測部位出現(xiàn)異常問題時，其表面溫度變化曲線會有所改變，同時，其表面溫度呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。一旦出現(xiàn)以上情況，系統(tǒng)會立即呈現(xiàn)出相應的提示界面，并將可能出現(xiàn)故障的檢測部位全面地顯示出來，并呈現(xiàn)在現(xiàn)場作業(yè)人員的面前，以引起現(xiàn)場作業(yè)人員的注意；

(2)模糊溫差診斷法。在對變壓器紅外圖像進行檢測期間，技術人員紅外圖像所對應的特征，從圖像數(shù)據(jù)庫中提取出需要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包含溫度數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等。然后，采用識別對比法，對異常部位進行精確識別處理，在此基礎上，通過采用“模糊溫差法”，對變壓器故障進行科學診斷。“模糊溫差法”在具體的使用中，需要注意以下幾點：首先，要對溫度參數(shù)進行科學控制，這是由于檢測部位不同，所對應的工作溫度和故障溫度閾值也存在一定的差異性。其次，在設置溫度參數(shù)期間，要針對不同檢測部位的特點，設置相應的溫度參數(shù)。此外，系統(tǒng)管理員還要利用該系統(tǒng)，借助參數(shù)設置界面，選用合適的檢測部位。此時，系統(tǒng)會根據(jù)所設置的溫度參數(shù)，自動診斷變壓器故障?？傊?，通過利用本文所提出的變壓器故障在線檢測技術，不僅可以精確地判斷出設備故障可能出現(xiàn)的部位，同時，還能將故障原因詳細地羅列出來，經(jīng)過故障檢測后，發(fā)現(xiàn)導致變壓器無法正常運行的根本原因是其套管各個部位出現(xiàn)連接、接觸不穩(wěn)定。

5 結語

綜上所述，紅外圖像診斷技術作為一種新型、先進的技術，在診斷和檢測變壓器故障方面具有重要作用。其不僅可以實現(xiàn)對變壓器故障問題可快速分析和解決，提高變壓器的運行性能，還避免給電力系統(tǒng)造成不可估量的經(jīng)濟損失。

(1)增加紅外圖像診斷相關需求，全面對比和分析了圖像對比度增強、圖像去噪預處理2種方法，為后期保證圖像消噪處理效果打下堅實的基礎；

(2)通過采用相應的分割技術，可以保證紅外圖像最終分割操作的規(guī)范性和合理性；

(3)通過利用變壓器故障診斷系統(tǒng)，可以根據(jù)溫度變化率和溫度閾值2個參數(shù)，精確地預測變壓器設備當前運行狀態(tài)，并在充分結合故障類型的基礎上，采用在線檢測的方式對變壓器故障進行科學處理，從而提高變壓器的運行性能。