基于紅外熱像采集技術的變壓器故障預警及診斷研究

李長彧, 劉　林, 張立穎

(1.國網遼寧省電力有限公司客戶服務中心，遼寧　沈陽　110006；2.沈陽特種設備檢測研究院，遼寧　沈陽　110035; 3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧　沈陽　110006)

變電站是電力系統中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向的重要電力設施，通過變壓器將各級電壓的電網聯系起來[1-2]。

變電站通常分為兩種形式：一種是將發電站發出的電進行升壓，實現電能的遠距離傳輸，同時降低電能在傳輸過程中由電線產生的損耗；另一種是將原有的高壓進行降壓，經過降壓后的電進入用戶或其他用電單位。

變電站中的高壓設備較多，由于變電站在輸電過程中處于重要環節，變電站各高壓設備的安全、穩定運行是保障電力穩定傳輸的重要基礎，而變壓器是變電站的主要高壓工作設備，因此實現變電站變壓器的實時監測對保證變電站的穩定工作具有重要意義[3]。

變壓器在正常運行過程中，一般都伴有正常的溫升和均勻的溫度場分布。而當變壓器某部件或連接處出現故障和缺陷時，會在運行過程中產生明顯異常溫升。因此，通過連續監測變壓器運行過程中各部位溫度變化，能夠實現其故障的有效監控和早期預警。

1　紅外測試原理與數據傳輸

1.1　基本原理

采用紅外熱像系統對變壓器進行連續在線檢測，其測試與分析原理如圖1所示。變壓器在工作過程中，其自身表面不斷產生紅外輻射能量，紅外熱像系統利用紅外探測器和光學成像物鏡接收來自變壓器輻射的紅外能量，并將其分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，形成紅外熱圖像[4-5]。

1.2　數據傳輸

紅外熱像儀有專用的與上位機通信的接口，如圖1所示，與上位機數據分析處理系統通過數據線相連，利用數據線將實時紅外熱圖像同步上傳到上位機的數據分析與處理系統，上位機采用專業的紅外熱圖像分析軟件對監測到的變壓器紅外熱圖像進行實時在線分析，得到紅外熱圖像溫度-頻率分布曲線，獲取實時的最高溫度、最低溫度及溫度場分布，最終輸出數據結果為監測人員提供重要的分析依據[6-7]。

圖1　變壓器紅外測試、分析原理

2　變電站變壓器紅外特征提取與分析

2.1　變壓器紅外熱像監測

本文監測的對象為某10 kV變電站變壓器，其主要監測位置為柱上隔離開關線夾和配電變壓器低壓側接線夾。

通過長期對變電站變壓器進行紅外熱像監測，得到柱上隔離開關線夾的紅外熱圖像，如圖2所示。通過圖像分割及特征提取得到紅外熱圖像的溫度-頻率曲線，如圖3所示。配電變壓器低壓側接線夾的紅外熱圖像如圖4所示，其溫度-頻率曲線如圖5所示。

(a)正常工況

(b)連接不良圖2　柱上隔離開關線夾監測紅外熱圖像

由圖2和圖3可知，柱上隔離開關線夾在正常運行工作情況下，其溫度場的分布比較均勻，溫度總體分布在9.4～13.8 ℃，而當開關線夾連接不良時，其溫度場出現兩極分化現象，在接觸不良處出現顯著的高溫區，最高溫度達到61.6 ℃。

由圖4和圖5可知，配電變壓器低壓側接線夾在正常工作時，接線夾接觸良好，其紅外熱像的溫度場分布均勻且集中，主要分布在17.8～20.3 ℃，而當開關線夾連接不良時，最高溫度達到76.4 ℃，產生明顯的局部高溫。

(a)正常工況

(b)連接不良圖3　柱上隔離開關線夾溫度-頻率曲線

(a)正常工況

(b)連接不良圖4　配電變壓器低壓側接線夾監測紅外熱圖像

(a)正常工況

(b)連接不良圖5　配電變壓器低壓側接線夾溫度-頻率曲線

2.2　故障特性分析

通過上位機存儲和調用連續監測的變壓器溫度特征，得到的配電變壓器低壓側接線夾的溫度監測曲線如圖6所示?？梢钥闯觯泳€夾的連接不良造成局部溫度顯著升高，但由于連接不良故障并不是一瞬間形成的，溫度的變化是不斷變化交替升高，在接線夾出現松動從而造成接觸不良的初期，局部溫度有所升高，但不是瞬間升到故障時的最高溫度。由圖6可知，在故障出現初期，前7天最高溫度尚未達到40 ℃，之后隨著接線夾連接不良的加劇，溫度逐漸升高，最后達到高溫76.4 ℃，并保持連續高溫狀態。

圖6　變壓器低壓側接線夾的溫度監測曲線

2.3　故障早期預警

為了實現變壓器故障的早期預警，考慮到變壓器出現故障時的溫度變化特征，采用閥值設定方法。根據長期監測與數據分析，設置變壓器低壓側接線夾的故障溫度預警線為40 ℃，一旦變壓器低壓側接線夾的紅外熱圖像最高溫度超過40 ℃，系統便會產生故障預警，提示維護人員對該故障節點進行維修和處理，保證變電站變壓器的安全、長期穩定運行。

3　結束語

本文提出了一種基于紅外熱像連續監測的變壓器故障預警及診斷方法，通過對變壓器關鍵節點溫度的連續監測，提取溫度場及局部高溫信息，建立紅外熱圖像的溫度-頻率曲線，采用閥值預警方法實現變壓器故障的早期預警和診斷，為變壓器的故障提供最佳的維護時間，大大提高了變電站變壓器

運行的穩定性，為進一步實現35 kV、220 kV等級變電站變壓器的監測與故障診斷提供一種有效的技術手段。

參考文獻：

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[2]梁湖輝,張峰,常沖，等.基于ZigBee的變電站監測報警系統[J].電力系統保護與控制, 2010，38(12):121-124.

[3]Thermophysica minima. Thermoelectric infrared sensors (thermopiles) for remote temperature measurements [R]. Perkin Elmer Company,2000.

[4]Giovanni Betta, Antonio Pietrosanto. An Enhanced Fiber-Optic Sensor System for Power Transformer Monitoring[J]. IEEE Transactional on Instrumentation and Measurement, 2001, 50(5):1 138-1 143.

[5]李小博,黃新波,陳紹英. 基于ZigBee網絡的智能變電站設備溫度綜合監測系統[J].高壓電器,2011, 54(8):18-21.

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[7]郭耀華.基于ZigBee和GPRS網絡的智能變電站設備溫度無線監測系統[J].儀表技術與傳感器,2014,51(1):79-82.