變壓器故障的紅外診斷方法與軟件設計

丁 鄴 付冬梅 李志平 倪 森

(北京科技大學自動化學院，北京 100083)

變壓器故障的紅外診斷方法與軟件設計

丁 鄴 付冬梅 李志平 倪 森

(北京科技大學自動化學院，北京 100083)

提出了一種基于Visual C#語言的變壓器故障紅外診斷軟件。介紹變壓器故障的紅外診斷方法，設計變壓器故障紅外診斷軟件的功能。該軟件采用SQL技術實現對處理后圖像和分析數據的結構化儲存，并通過多診斷方法綜合評估的方式，實現紅外圖像導入、溫度分析及故障診斷等功能。該軟件能夠較好地實現變壓器故障的診斷，提高紅外技術檢測的工作效率，滿足企業的實際應用需求。

故障診斷 變壓器 紅外圖像 軟件設計

傳統的變壓器故障診斷方法主要是根據變壓器的故障類型與變壓器油中溶解氣體組分之間的明顯對應關系來進行診斷的，包括特征氣體法、羅杰斯比值法及三比值法等。特征氣體法通過與正常變壓器油中溶解氣體含量限值的比較、總炔含量和產氣速度來判定變壓器是否故障[1]。羅杰斯比值法在特征氣體法的基礎上結合了氣體的相對含量，提出利用CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6、C2H2/C2H4進行判別的四比值法[2]。三比值法選取兩種溶解度和擴散系數相近的氣體組分組成比值(C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6)，以不同的編碼表示，然后根據己知的編碼規則和分類方法，查表確定故障性質[3]。然而，傳統的變壓器故障診斷方法需要專業人員定期對變壓器內部絕緣油等采樣并進行油色譜分析，不僅診斷周期長、實時性較差，而且安全性不能保證。相比之下，紅外診斷方法對操作人員專業程度要求不高，對運行中的變壓器進行非接觸無損檢測，不受現場高壓電場的干擾，同時對帶電部位可保持足夠的安全距離，因此紅外診斷方法被廣泛應用于變壓器故障檢測中。

2008年，國家電網公司220kV變壓器共發生35次故障，其中套管故障34.29%，匝間故障31.43%，分接開關故障22.86%，相間接地故障8.57%，鐵芯故障2.85%[4]。從紅外診斷角度，可將這些故障分為外部故障和內部故障兩大類。外部故障是由變壓器暴露在大氣中的部位因接觸不良、表面污穢等原因引起的，這類故障包括套管故障、分接開關故障等；利用紅外圖像診斷外部故障非常方便、直觀，且能夠準確地計算出故障部位的溫度值。內部故障是由封閉在絕緣材料、外殼內部的電氣故障和絕緣介質劣化引起的，這類故障包括鐵芯故障、匝間故障等；由于紅外圖像反映的是設備表面的熱輻射分布，所以在分析內部故障時，需要注意溫度場的分布和與同類設備的比較。因此，單一的紅外診斷方法很難滿足不同故障的診斷需求，而且多數情況下，檢測人員僅運用紅外儀器對設備進行觀測，或是人工地對現場拍攝的紅外圖像信息進行分析，不能對變壓器設備進行系統的故障診斷，也不能對數據進行存儲。

針對上述問題，筆者設計了一個基于紅外圖像診斷方法的變壓器故障診斷軟件，對現場采集到的變壓器紅外圖像數據進行導入與分析處理，采用多診斷方法綜合評估方法給出設備運行狀態的評估方案和故障診斷結果，并結合SQL技術實現相關數據的存儲和調用。

1 變壓器故障的紅外診斷方法

紅外診斷方法是變壓器故障診斷軟件的核心。在紅外故障診斷中，根據過熱缺陷對電氣設備運行的影響程度，缺陷可分為一般缺陷、嚴重缺陷和危急缺陷[5]。最常用的紅外故障診斷方法有表面溫度判別法、同類比較法和相對溫差法。

表面溫度判別法是根據測得的變壓器設備表面溫度值，對照設備各部位材料的溫度和溫升極限，結合環境氣候條件和負荷對變壓器故障進行分析判斷的。

同類比較法是根據同組三相設備、同相設備和同類設備之間對應部位的溫差對變壓器故障進行比較分析的。假設相似的設備為A、B、C，3個設備的最高溫度為TA、TB、TC，3個最高溫度中的最大值Tmax=max(TA，TB，TC)，最小值Tmin=min(TA，TB，TC)，溫差ΔT=Tmax-Tmin，則根據溫差即可確定變壓器故障等級。

相對溫差法[6]是根據兩個測試點之間的相對溫差來確定變壓器故障等級的。相對溫差δt為：

式中T0——環境溫度；

T1——發熱點的溫度；

T2——正常對應點的溫度。

當變壓器負荷或環境溫度不同時，尤其是負載電流過小時，設備的溫度值雖未超過國家標準規定值，但是隨著負荷的增加或環境溫度的上升，仍舊會引發設備故障，在這種情況下表面溫度判別法并不適用。當三相設備或者同類設備同時產生熱故障時，會導致同類比較法和相對溫差法產生誤判。因此僅運用單一的紅外診斷方法進行變壓器故障診斷，會產生診斷誤差。

為此，筆者設計了一種多診斷方法綜合評估方法對紅外圖像中的重點區域進行故障診斷，以減少由單一診斷方法引起的診斷誤差。首先，通過上述3種診斷方法得到故障區域的3個等級指標L1、L2、L3，再對3個等級指標按照綜合評估方法進行評估，最終確定變壓器的故障等級。綜合評估方法的具體步驟如下：

a. 取等級指標中的最大值和最小值，即Dmax=max(L1,L2,L3)，Dmin=min(L1,L2,L3)。

當由3種故障診斷方法分別得出的故障等級不同時，取級別最高的作為最終故障等級；當3種故障診斷方法得出的故障等級相同時，則故障等級上升一級。采用這種準則進行綜合評估，結合了多種方法的優點，使得故障診斷的精度更高。

圖1為某變電所220kV主變壓器低負荷運行時的三相套管紅外圖像。可以看出，左側套管的發熱情況明顯不同于同類套管，但是由表面溫度判別法測得的最高溫度僅為32.4℃，為正常狀態，由另外兩種紅外診斷方法診斷的結果為一般缺陷，采用綜合評估方法得出的診斷結果也為一般缺陷，此狀況需要進行記錄，利用停電機會進行檢修。

圖1 變壓器三相套管紅外圖像

2 軟件設計

變壓器故障紅外診斷軟件的功能結構框圖如圖2所示。該軟件通過人工導入的方式，將現場拍攝的變壓器相關紅外圖像和溫度數據批量導入軟件中；然后，針對處理的目標圖像，通過設計畫點和框的功能實現對重點區域的選取，以得到相關部位的溫度信息，并將數據存入數據庫中；最終，結合多種故障診斷方法，對溫度信息進行分析和判斷，實現故障診斷、故障診斷報告自動生成的功能。

圖2 變壓器故障紅外診斷軟件的功能結構框圖

2.1重點區域選取

在根據紅外圖像和溫度數據進行故障診斷之前，需要對圖像中的重點關注區域進行選擇。因此，筆者根據變壓器的實際情況，設計了一套紅外圖像重點區域人工選擇算法，該算法主要包括以下7個模塊：

a. 繪制點。調用鼠標鉤子事件，獲取鼠標點擊時坐標點在紅外圖像中的相對位置數據，獲取該字段后，調用窗體繪制函數，在紅外圖像上繪制點。

b. 繪制框。調用鼠標鉤子事件，獲取鼠標按下、移動和按起時的坐標，然后實時地調用窗體繪制函數，在紅外圖像上動態繪制框。

c. 選中重點區域。調用鼠標鉤子事件，獲取鼠標按下時的坐標，并搜索該坐標是否存在于已經繪制的區域中。為方便選中重點區域，點和框的搜索區域為點位置與邊框位置的外延數個坐標點內的區域。

d. 移動重點區域。調用鼠標鉤子事件，獲取鼠標按下、移動和按起時的坐標，并計算鼠標移動的一個矢量數據。然后把該矢量數據實時地與重點區域的所有坐標點做向量加法，實現動態移動重點區域。

e. 重點區域變形。調用鼠標鉤子事件，獲取鼠標按下、移動和按起時的坐標。首先搜索鼠標按下時所對應的重點區域的位置信息，確定需要變形的方位。然后在該方位上根據鼠標移動的矢量數據做相應的加法或減法，實現對重點區域的變形。

f. 刪除重點區域。查找正在做操作的重點區域，把該重點區域從內存中刪除，然后調用窗體的重新繪制函數。

g. 撤銷上一步操作。在每一次動作操作之前，需要把當前的狀態信息保存。操作之后，如果要撤銷此操作，則采用之前的狀態信息覆蓋當前狀態信息。

重點區域選取界面如圖3所示，可以運用軟件中的工具欄模塊，實現在圖像上畫點、畫框的功能，并對重點區域進行溫度分析。例如，對變壓器三相套管做故障診斷時，只需在三相套管關注區域內畫3個矩形框，則相關矩形區域內的最高溫度、最低溫度和平均溫度就能在矩形區域子模塊中顯示。

圖3 重點區域選取界面

2.2報告生成

報告生成是整個故障診斷過程中的最后一個環節。考慮到操作方便性和報告內容的一致性，設計了自動生成報告的功能，即根據圖像的處理結果，生成具有固定模式的報告。

利用軟件調用Word庫函數，設計了一套專門針對變壓器紅外圖像故障診斷報告的生成算法，其具體步驟如下：

a. 收集需要生成報告的生成數據，包括紅外圖像、溫度矩陣、關注區域及操作人信息等；

b. 計算每個紅外圖像對應的關注區域的關注溫度信息，包括最高溫、最低溫和平均溫；

c. 繪制每個關注框區域的溫度直方圖；

d. 根據步驟b的溫度信息數據使用故障診斷標準進行故障診斷；

e. 將上述數據整理成Word文案，調用Word相關的文字庫函數、圖片庫函數、文字格式庫函數及圖片格式庫函數等生成報告。

2.3數據庫設計與管理

2.3.1數據庫設計

數據庫設計的目的是提高故障診斷系統各組成部分對數據庫使用的方便性，實現支持數據的增加、減少和修改的功能。筆者選擇常用的SQL Server 2005作為數據庫系統，該數據庫系統具有較好的可擴充性和維護性。根據對相關數據的分析和故障診斷系統各功能模塊對數據使用的要求，可將數據庫中的表分為5類:

a. 設備表。主要存儲變壓器設備編號、名稱、額定電壓、電流、功率及可見光圖像等。

b. 紅外圖像表。存儲處理過圖像的編號、所屬變壓器編號、圖像和溫度矩陣的存儲路徑及時間等。該表為數據庫導入圖像模塊的數據來源。

c. 點和框表。存儲在圖像上標注的所有點和框，主要包括所屬紅外圖像編號、圖像中的位置信息、點和框內的最高溫度、最低溫度及平均溫度等。

d. 故障表。主要存儲發生的故障，包括故障編號、發生故障的設備編號、紅外圖像編號、故障類型、故障詳細說明及診斷時間等。

e. 診斷報告表。存儲生成的診斷報告的相關信息，包括報告編號、對象設備編號及報告的存儲路徑等。

2.3.2數據庫管理

在數據庫管理模塊中，用C#語言利用ADO.NET技術訪問數據庫實現數據的修改和查詢功能，保證數據庫的完備性與安全性。數據庫管理主要包括基本操作和數據查詢兩部分。

基本操作。包括數據的添加、修改與刪除。利用listView控件將數據庫中的表單以表格的形式展示，并通過按鈕操作實現向相關表中添加和刪除數據。

數據查詢。提供數據資源的訪問界面，并提供多種查詢方式。軟件可對不同對象的故障和診斷報告分別進行查詢，通過選擇起止時間來查詢特定時間內的故障分析結果和診斷報告，并且可以點擊查看報告直接打開報告文件。

3 結束語

筆者基于Visual C#語言開發了一套安全可靠、檢測速度快的變壓器紅外圖像故障診斷軟件，實現了現場拍攝圖片、溫度文本文件與數據庫圖像的導入，實現了圖像及其溫度矩陣重點部位的選取，實現了對重點部位的溫度分析和故障診斷，能夠為現場人員提供有效的指導和建議。同時，根據紅外圖像處理的特點，構建了高效合理的SQL數據庫，能夠很好地支持對圖像和溫度數據的存儲和管理。然而，紅外輻射的穿透力微弱，只能通過檢測圖像溫度來判斷故障，而且紅外診斷方法很難從設備外部分析到內部的溫度狀態，因此若能將紅外診斷技術與其他傳統變壓器診斷技術相結合，將會更好地診斷變壓器存在的缺陷，為變壓器的安全運行發揮更大的作用。

[1] 唐攀龍,周羽生,馬士英,等.變壓器油色譜分析及其應用的研究[J].絕緣材料,2008,41(5):65～68.

[2] 鄒劍,陸瑾,周曉凡.四比值法在變壓器過熱性故障判斷中的應用[J].變壓器,2011,48(10):66～67.

[3] 張衛華,苑津莎,張鐵峰,等.應用B樣條理論改進的變壓器三比值故障診斷方法[J].中國電機工程學報,2014,34(24):4129～4136.

[4] 沈曉凡,舒治淮,劉宇,等.2008年國家電網公司繼電保護裝置運行情況[J].電網技術,2010,34(3):173～177.

[5] DL/T 664-2008,帶電設備紅外診斷應用規范[S].北京:中華人民共和國國家發展和改革委員會,2008.

[6] 曹海洋,張玉成,朱啟偉,等.基于紅外成像技術的變壓器熱故障在線檢測與診斷[J].實驗室研究與探索,2012,31(2):30～32.

InfraredDiagnosisMethodandSoftwareDesignforTransformerFaults

DING Ye, FU Dong-mei, LI Zhi-ping, NI Sen

(SchoolofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083，China)

A Visual C#-based fault diagnosis software for transformers was proposed; and the infrared diagnosis method was described, including functions of this diagnosis software. This diagnosis software adopts SQL technology for the structured storage of images processed and the data analyzed; and it comprehensively assesses multi-parameter diagnosis methods to realize functions like infrared image importing, temperature analysis and fault diagnosis. The software can achieve goals of diagnosing any transformer fault, improving efficiency of infrared detection and meeting needs of enterprise application.

fault diagnosis, transformer, infrared image, software design

2016-01-28

國家自然科學基金項目(61272358)

TH165+.3

A

1000-3932(2016)08-0818-05