基于紅外傳感器的干式變壓器溫度在線監測方法

蘇州市軌道交通集團有限公司運營二分公司 代寶山 石光翔 丁 遠 羅經緯

上海欣影電力科技股份有限公司 高如枝

干式變壓器的絕緣特性對其使用壽命、安全、穩定性的影響較大，而溫度則是影響其絕緣狀況的重要因素，如干式變壓器負荷損失、漏磁場所產生的額外損失等，都會導致出現運行發熱問題，如繞組溫升過高極易造成絕緣干式變壓器擊穿，嚴重情況下，還會誘發爆炸、火災等大型安全事故。隨著干式變壓器容量的增加，負載的漏磁場也會同步增加，在長時間的使用中，如干式變壓器局部溫度超出絕緣承受范圍，會出現加速絕緣材料老化速度現象。因此，需實時監控、在線評估干式變壓器的運行溫度，掌握裝置的運行工況以避免事故的發生。

現階段，監測干式變壓器運行溫度已成為電力企業安全運維管理重點，提出針對干式變壓器溫度的熱傳感監控、采用熱電阻等傳感器件（包括Pt-100型熱電阻器等），但在110kV高電壓下的干式變壓器，由于高壓端運行會產生較為強烈的感應電動勢，極易造成鉑電阻環與溫度控制電路發生故障，從而對監控工作和干式變壓器安全運行構成威脅。

為了實現對干式變壓器溫度的在線監測，將紅外傳感器作為設計核心，采集變壓器的溫度數據（圖1）[1]。利用紅外傳感器可實現對監測目標溫差的感知，在此過程中使用紅外線過濾器過濾采集信號，此時目標對象的紅外線輻射會被感應器內的黑體所吸收，從而使熱源加熱到熱電堆的熱端產生一個溫差電位，電位代表了目標對象和熱電堆的冷端間的溫度差異。為避免紅外傳感器監測占用過多空間，增設調諧放大器放大輸出端電壓信號，并使用數碼溫度計測量干式變壓器在運行中的周圍環境溫度。通過上述方式即可實現對變壓器溫度數據的采集。

圖1 基于紅外傳感器的變壓器運行溫度數據采集

1 基于LM-BP算法的溫度數據處理與抗干擾通信傳輸

考慮到通過上述方式采集的溫度數據可能攜帶噪聲或冗余信息，此部分信息會對干式變壓器溫度在線監測預警造成影響，因此需對溫度數據采取措施處理。處理過程中引進LM-BP算法訓練數據[2]，引進LM-BP算法中的激活函數，在每個為0的數據后增加一個“-1”值。函數表達式為f(x)=1/(1+e-x)，式中：f(x)表示激活函數；e表示數據激活值；x表示連接層。

在此基礎上，利用該算法中的神經網絡建立各個隱藏層之間的數據連接，計算神經元輸入值與隱藏網絡層中的輸出值[3]：NET=W1×X、Oi1=f(n×eti)，式中：NET表示神經元輸入值；W1表示輸入值的連接權；X表示溫度數據矩陣；O表示隱藏網絡層中的輸出值；n表示中間層閾值；i表示輸出層；t表示輸出向量。

在此基礎上，利用隱藏網絡層中的輸出值計算輸入樣本信號的誤差項[4]：L=W2×Oi1，式中：L表示輸入樣本信號的誤差項；W2表示誤差對權。通過對前端反饋數據各個權值偏導系數的計算，將數值錄入矩陣中開始訓練，直到所有數據完成輸入后對數據進行抗干擾通信傳輸。為避免數據中的冗余值影響傳輸過程，按下述計算公式歸一化處理數據格式：K′=(K-Kmin)/(Kmax-Kmin)。式中：K′表示歸一化處理數據格式；K表示數據原格式；Kmin表示數據集合中的最小值；Kmax表示數據集合中的最大值。

在此基礎上，考慮到基于紅外傳感器的數據采集過程是在強磁場環境下實施，此時數據的傳輸與通信過程會受到外界條件的干擾。因此需在完成對數據的處理后，采取必要的措施與手段對數據傳輸過程進行抗干擾處理。處理時，先對紅外傳感器外部封裝，使用金屬屏蔽處理紅外傳感器外殼，對應的通信連接線使用屏蔽線設計，通過此種方式避免信號的傳輸受到外部環境的直接干擾與影響。除上述提出內容，可根據紅外傳感器的實際作業環境，將片機裝置罩在接地金屬屏蔽殼中，僅將通信天線預留在外部用于接收或發送溫度感知信號。

2 實時溫度展示與溫升預警

完成上述設計后，建立監控界面與紅外傳感器之間的通信連接，預設干式變壓器溫度在線監測預警值，在此過程中應注意的是，預警值一旦選定將會自動存儲以備下次使用。

監測過程中，操作界面點擊溫度在線監測與感知功能鍵，此時界面將彈出視窗，終端PC機會在同一時間產生一份文件，路徑是紅外傳感器下的目錄文件。點擊進入文件后，終端將主動獲取紅外傳感器錄入的數據，并將其存儲到文件中。下次啟動時文件將自動打開并展示數據，終端監測人員可主動選擇是否刪除上次監測記錄，并再次創建一個空白文件用于此次溫度監測結果的展示。在監測過程中，如前端反饋數據超出溫度預警安全值時，將觸發終端對干式變壓器溫度監測的預警。

圖2 干式變壓器運行溫度監測結果對比（溫度45℃為預警線）

3 對比實驗

本次算例所選用的干式變壓器型號為PSCD-500，此設備符合我國CB/T.3528-93操作使用標準。此變壓器的核心部分是鐵芯、繞組、絕緣材料、外殼。鐵芯由高品質的硅鋼片晶粒構成，線圈由銅材質制成。絕緣材料為B級樹脂，此種材料具有無毒、耐潮等優勢，不僅在工作環境中不會產生有害氣體，且在電弧熱的作用下也不會散發出攜帶氣味的氣體。外殼結構整體由鋼材制成，具有IP00防護等級。變壓器需要在-25℃～+45℃、濕度＜95%的環境下才能正常工作。此裝置的最大的擺動角為24.5°、最大傾角為2.5°，變壓器具有防凝露、防油霧、防霉菌三防功能。為確保針對此變壓器溫度監測工作的順利實施，在開展相關研究前，采集其PSCD-500干式變壓器的運行技術參數。

PSCD-500干式變壓器運行技術參數：額定容量450kVA、空載損耗330kW、空載電流2.5%、鐵芯半徑125mm、聯接組別Yyn0、負載損耗850kW、電抗電壓3.8%、鐵芯高度1025mm、額定相電壓（低壓/高壓）380V/3350V、分段數（低壓/高壓）（1/3）、線圈內半徑128mm、線圈外半徑156mm。

使用本文設計方法對干式變壓器溫度展開在線監測，監測過程中引進紅外傳感器采集變壓器溫度數據。通過對采集的數據實時處理，實現對信號的抗干擾通信傳輸，同時建立監測終端與傳感器之間的通信連接，通過對變壓器溫度數據的實時展示，實現對干式變壓器溫升的預警。在此基礎上，引進基于BIM與可視化技術的溫度監測方法與基于AC-GAN數據重構的溫度監測方法，將提出的兩種方法作為此次對比實驗中的傳統方法。使用三種方法對干式變壓器運行溫度展開監測，監測過程中使用巡檢儀人工測量干式變壓器運行溫度。對比三種方法的監測結果，截取部分時段下的溫升變化曲線。

圖2中：（1）表示使用巡檢儀人工測量干式變壓器運行溫度；（2）表示本文方法監測得到的干式變壓器運行溫度；（3）表示基于BIM與可視化技術監測方法監測得到的干式變壓器運行溫度（傳統方法1）；（4）表示基于AC-GAN數據重構監測方法監測得到的干式變壓器運行溫度（傳統方法2）。

將曲線（1）作為參照，分析曲線（2）、（3）與（4）。可看出，曲線（2）與曲線（1）的變化基本重合，且監測反饋值與輸出結果連續。在干式變壓器運行到第5s時觸發終端溫度預警；曲線（3）的變化趨勢與曲線（1）的變化趨勢差異性較大，即監測結果與實際結果差異較大，說明傳統方法1的溫度監測結果精準度較低，且預期溫度預警時間為5s，而該方法的溫度預警時間為1s、6s～8s，與期望輸出不匹配；曲線（4）的變化趨勢與曲線（1）的變化趨勢基本一致，說明傳統方法2的監測結果較為準確。但在深入此方法的研究中發現，該方法在3s～4s、8s～10s的溫度反饋中存在通信中斷，即該方法未能達到實時在線監測目的。

通過上述對實驗結果的分析證明，本文設計的基于紅外傳感器的干式變壓器溫度在線監測方法在實際應用中的效果良好，可實現對干式變壓器溫度的實時、連續監測與溫升預警，且監測結果與實測結果的偏差較小。