基于紅外檢測技術的電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測

楊 東，陳瑞斌，仝海龍，譚興華

（河南四達檢測技術有限公司，許昌461000）

變壓器是電力系統內電能傳輸與電壓等級變換的重要元件，電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障是其主要的故障，套管絕緣缺陷嚴重影響了電力系統的輸出穩定性，需要保證變壓器的運行狀態穩定，提高變壓器的輸出穩定性，研究電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測方法受到人們的極大重視[1]。

對電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測是建立在對運行變壓器套管的異常特征提取基礎上，通過解體印證特征分析方法，進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷特征提取和優化分析[2-4]，傳統方法中通過構建電力系統變壓器套管絕緣缺陷分布模型，分析紅外特征，進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷定位，但傳統方法進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷檢測的準確性不高，定位精度不好[5]。針對上述問題，本文提出基于紅外檢測技術的電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測方法。構建電力系統變壓器套管絕緣缺陷的紅外成像模型，實現電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測優化。展示了本文方法在提高電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測能力方面的優越性能。

1 電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像和紅外缺陷檢測

1.1 紅外檢測技術下電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像

紅外檢測技術是一種能有效檢測變壓器套管運行正常與否的檢測手段，在套管發生局部放電時能有效檢測到溫度異常，及時采取措施，避免因套管異常產生的事故擴大。假設電力系統變壓器套管絕緣缺陷激光光譜是一個緩慢時變的帶寬圖譜[6]，激光光譜診斷電力系統變壓器套管的過程本質是激光與物質相互作用。當激光與電力系統變壓器套管中存在的粒子以及自由基等發生作用時，會由于各種線性和非線性效應產生散射或者熒光等信號，這些信號攜帶了電力系統變壓器套管的溫度、密度、組分濃度等信息。激光光譜技術就是從微觀上研究各種檢測信號與電力系統變壓器套管絕緣缺陷的參量信息之間存在的物理聯系，從宏觀上采用實驗技術測量檢測信號進而獲得電力系統變壓器套管參量信息的方法。通過頻率相關性檢測，得到電力系統變壓器套管絕緣缺陷圖譜[7]。

選擇特定的窗函數可能會獲得電力系統變壓器套管絕緣缺陷的頻率分辨率[8]，根據Heisenberg測不準原理，得到電力系統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

電力系統變壓器套管絕緣倒裝片通過外部熱激勵進行非接觸主動加熱，消除環境噪聲，同時提高被測部位的溫度特性[9-10]。晶片吸收熱量并傳導到試件內部，晶片內部缺陷導致其產生熱阻和導熱異常，造成晶片內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部的溫度分布。對電力系統變壓器套管絕緣缺陷進行紅外熱成像測量分析，可實現紅外熱缺陷檢測和診斷。

分析電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像，通過RGB-D 圖像分解方法，建立電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像虛擬現實三維重構模型。采用自適應參數融合算法進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像融合，結合特征點匹配方法[11]，得到電力系統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 電力系統變壓器三維重構模型結構圖Fig.1 Structure diagram of power system transformer 3D reconstruction model

在對電力系統變壓器套管進行帶電檢測紅外熱像檢測的過程中，發現序列為1 的主變壓器管頂部溫度異常，但相對溫差較小。因當時負荷較大，選擇進行持續跟蹤和每天測溫的方式進行處理。電力系統變壓器套管紅外圖譜如圖2所示。

電力系統變壓器套管的頂部溫度為18.5 ℃，套管頂部的溫度在持續上升。變壓器正常工作時，套管頂接頭溫差相對較小，紅外熱像檢測整體表現比較均勻，而套管外絕緣污穢形成的發熱一般是徑向均勻發熱，所以可以排除由污穢引起異常發熱的可能性。通過對電力系統變壓器套管進行多天連續觀察和紅外熱像檢測，分析表明套管內部應該有明顯的局部放電點，以便在短時間內積累大量的熱量，導致溫度升高。采用多層小波分解的方法分析電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的內部結構特征量，由此進行缺陷定位和故障檢測[12]。導致電力系統變壓器設備停電試驗數據如表1所示。

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

表1 停電試驗數據Tab.1 Power failure test data

2 電力系統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，發電機絕緣局部磨損，電纜絕緣氣隙在電壓作用下局部放電逐漸損壞絕緣，以及機械損傷、局部潮濕等集中缺陷。電機、機殼等電器設備的整體絕緣性能下降，有機材料在設備絕緣中受潮、老化、變質等分布缺陷。絕緣體內部的缺陷降低了電氣設備的絕緣等級，使設備存在安全隱患。隱藏的缺陷可以通過試驗檢測來檢驗，然后采取措施加以消除。

2.2 電力系統變壓器套管絕緣缺陷定位

通過關聯規則挖掘，分析電力系統變壓器套管絕緣紅外成像超像素特征分布集，結合缺陷部位的關鍵特征信息點進行信息融合，建立電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的多分辨融合模型[13]，得到固有模態函數的收斂條件。

2.3 電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測優化

建立電力系統變壓器套管絕緣紅外成像的紅外檢測分析模型，對變壓器停電進行套管試驗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。

建立電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的多分辨特征檢測和信息重構模型[15]，得到變壓器套管絕緣缺陷定位輸出，通過自適應的像素重構方法，變壓器套管絕緣缺陷定位結果。通過多維像素信息分解的方法，進行圖像的自適應特征重組。對變壓器停電進行套管試驗和紅外成像的異常特征分析，結合參數優化辨識技術，實現電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測優化，得到電力系統變壓器套管絕緣誤差。結合參數優化辨識技術，實現電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測優化。

3 工程實例分析

為了驗證本文方法在實現電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測中的應用性能，進行試驗測試分析，電力系統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為0.35；電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外特征分解的尺度為12；電力系統變壓器套管絕緣缺陷特征匹配的閾值ξ 為0.45。根據上述參數設定，進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測，得到原始的紅外圖譜，變壓器套管絕緣缺陷檢測線路如圖3所示。

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

通過電源連接單個交流電壓，割刀開關，調節器連接絕緣導線，低電壓連接線，紅外成像檢測。根據電力系統變壓器套管絕緣缺陷檢測，得到復測數據如表2所示。

表2 電力系統變壓器套管絕緣缺陷復測數據Tab.2 Retest data of transformer bushing insulation defects in power system

由表2 可知，電力系統變壓器套管絕緣缺陷復測數據處理前檢測值與標準檢測值相差較大，而本文方法檢測值與標準檢測值較為接近，關聯統計分布結果接近是因為通過灰度像素特征重組，進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外特征定位，得到關聯統計分布結果，一定程度上能定位到電力系統變壓器套管絕緣缺陷。絕緣誤差小原因是對變壓器停電進行套管試驗和紅外成像的異常特征分析，結合參數優化辨識技術，實現電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測優化，得到電力系統變壓器套管絕緣誤差。套管頂部放電狀態如圖4所示。

圖4 套管頂部放電狀態圖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，發現套管頂部連接部位有明顯放電痕跡，周圍內壁存在大量黑色物質，導電拉桿表面有明顯燒蝕融化痕跡。并再次對套管進行介質損耗和直流電阻試驗，試驗數據與表1 停電試驗數據所呈現結果一致，表明放電點來自套管內部，與變壓器繞組內部無關。根據上述結果，進行缺陷檢測，得到電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測結果如圖5所示。

分析圖5 得知，本文方法進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測的準確性較高，定位檢測的精度較好，提高了缺陷故障的準確辨識能力。

圖5 電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測結果Fig.5 Fault detection results of transformer bushing insulation defects in power system

為驗證基于紅外檢測技術的電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測的精度，在絕緣故障檢測過程中實現紅外成像這一指標進行分析，分別在正接和反接兩種情況下計算絕緣缺陷故障檢測相似度準確率，結果如圖6所示。

圖6 絕緣缺陷故障檢測相似度計算準確率結果Fig.6 Accuracy results of similarity calculation for insulation defect fault detection

根據圖6 分析結果可知，在正接和反接兩種情形，絕緣缺陷故障檢測相似度計算精度較高，均處于80%以上，且隨著檢測數量的增加，檢測精度值在逐漸提高，為紅外檢測技術下電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測的完成奠定了基礎，定位精度較高。

4 結語

構建電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障的優化模型，通過分析電力系統變壓器套管絕緣缺陷運行狀態參數，進行故障穩態特征分析，提高電力系統變壓器套管絕緣缺陷的工況運行穩定性，本文提出基于紅外檢測技術的電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測方法。采用多普勒頻補償方法進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外信息融合，結合缺陷部位的關鍵特征信息點進行信息融合，建立電力系統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，建立電力系統變壓器套管絕緣缺陷紅外成像的多分辨特征檢測和信息重構模型

實現電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測優化。分析得知，本文方法進行電力系統變壓器套管絕緣缺陷故障檢測的準確性較高，缺陷定位精度較好。