丁 鄴 付冬梅 李志平 倪 森

(北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100083)

變壓器故障的紅外診斷方法與軟件設(shè)計

丁 鄴 付冬梅 李志平 倪 森

(北京科技大學(xué)自動化學(xué)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(shè)計變壓器故障紅外診斷軟件的功能。該軟件采用SQL技術(shù)實現(xiàn)對處理后圖像和分析數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化儲存，并通過多診斷方法綜合評估的方式，實現(xiàn)紅外圖像導(dǎo)入、溫度分析及故障診斷等功能。該軟件能夠較好地實現(xiàn)變壓器故障的診斷，提高紅外技術(shù)檢測的工作效率，滿足企業(yè)的實際應(yīng)用需求。

故障診斷 變壓器 紅外圖像 軟件設(shè)計

傳統(tǒng)的變壓器故障診斷方法主要是根據(jù)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(yīng)關(guān)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?cè)埠亢彤a(chǎn)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(chǔ)上結(jié)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(shù)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(jù)己知的編碼規(guī)則和分類方法，查表確定故障性質(zhì)[3]。然而，傳統(tǒng)的變壓器故障診斷方法需要專業(yè)人員定期對變壓器內(nèi)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(yè)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(xiàn)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(yīng)用于變壓器故障檢測中。

2008年，國家電網(wǎng)公司220kV變壓器共發(fā)生35次故障，其中套管故障34.29%，匝間故障31.43%，分接開關(guān)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(nèi)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(guān)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(nèi)部故障是由封閉在絕緣材料、外殼內(nèi)部的電氣故障和絕緣介質(zhì)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(shè)備表面的熱輻射分布，所以在分析內(nèi)部故障時，需要注意溫度場的分布和與同類設(shè)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(shù)情況下，檢測人員僅運用紅外儀器對設(shè)備進行觀測，或是人工地對現(xiàn)場拍攝的紅外圖像信息進行分析，不能對變壓器設(shè)備進行系統(tǒng)的故障診斷，也不能對數(shù)據(jù)進行存儲。

針對上述問題，筆者設(shè)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(xiàn)場采集到的變壓器紅外圖像數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入與分析處理，采用多診斷方法綜合評估方法給出設(shè)備運行狀態(tài)的評估方案和故障診斷結(jié)果，并結(jié)合SQL技術(shù)實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)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(jù)過熱缺陷對電氣設(shè)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(jù)測得的變壓器設(shè)備表面溫度值，對照設(shè)備各部位材料的溫度和溫升極限，結(jié)合環(huán)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(jù)同組三相設(shè)備、同相設(shè)備和同類設(shè)備之間對應(yīng)部位的溫差對變壓器故障進行比較分析的。假設(shè)相似的設(shè)備為A、B、C，3個設(shè)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(jù)溫差即可確定變壓器故障等級。

相對溫差法[6]是根據(jù)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(huán)境溫度；

T1——發(fā)熱點的溫度；

T2——正常對應(yīng)點的溫度。

當變壓器負荷或環(huán)境溫度不同時，尤其是負載電流過小時，設(shè)備的溫度值雖未超過國家標準規(guī)定值，但是隨著負荷的增加或環(huán)境溫度的上升，仍舊會引發(fā)設(shè)備故障，在這種情況下表面溫度判別法并不適用。當三相設(shè)備或者同類設(shè)備同時產(chǎn)生熱故障時，會導(dǎo)致同類比較法和相對溫差法產(chǎn)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(chǎn)生診斷誤差。

為此，筆者設(shè)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(qū)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(qū)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(jié)合了多種方法的優(yōu)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?？梢钥闯?，左側(cè)套管的發(fā)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(tài)，由另外兩種紅外診斷方法診斷的結(jié)果為一般缺陷，采用綜合評估方法得出的診斷結(jié)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(shè)計

變壓器故障紅外診斷軟件的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該軟件通過人工導(dǎo)入的方式，將現(xiàn)場拍攝的變壓器相關(guān)紅外圖像和溫度數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入軟件中；然后，針對處理的目標圖像，通過設(shè)計畫點和框的功能實現(xiàn)對重點區(qū)域的選取，以得到相關(guān)部位的溫度信息，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中；最終，結(jié)合多種故障診斷方法，對溫度信息進行分析和判斷，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)框圖

2.1重點區(qū)域選取

在根據(jù)紅外圖像和溫度數(shù)據(jù)進行故障診斷之前，需要對圖像中的重點關(guān)注區(qū)域進行選擇。因此，筆者根據(jù)變壓器的實際情況，設(shè)計了一套紅外圖像重點區(qū)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(diào)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(shù)據(jù)，獲取該字段后，調(diào)用窗體繪制函數(shù)，在紅外圖像上繪制點。

b. 繪制框。調(diào)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(diào)用窗體繪制函數(shù)，在紅外圖像上動態(tài)繪制框。

c. 選中重點區(qū)域。調(diào)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(jīng)繪制的區(qū)域中。為方便選中重點區(qū)域，點和框的搜索區(qū)域為點位置與邊框位置的外延數(shù)個坐標點內(nèi)的區(qū)域。

d. 移動重點區(qū)域。調(diào)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(shù)據(jù)。然后把該矢量數(shù)據(jù)實時地與重點區(qū)域的所有坐標點做向量加法，實現(xiàn)動態(tài)移動重點區(qū)域。

e. 重點區(qū)域變形。調(diào)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(yīng)的重點區(qū)域的位置信息，確定需要變形的方位。然后在該方位上根據(jù)鼠標移動的矢量數(shù)據(jù)做相應(yīng)的加法或減法，實現(xiàn)對重點區(qū)域的變形。

f. 刪除重點區(qū)域。查找正在做操作的重點區(qū)域，把該重點區(qū)域從內(nèi)存中刪除，然后調(diào)用窗體的重新繪制函數(shù)。

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(tài)信息保存。操作之后，如果要撤銷此操作，則采用之前的狀態(tài)信息覆蓋當前狀態(tài)信息。

重點區(qū)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(xiàn)在圖像上畫點、畫框的功能，并對重點區(qū)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(guān)注區(qū)域內(nèi)畫3個矩形框，則相關(guān)矩形區(qū)域內(nèi)的最高溫度、最低溫度和平均溫度就能在矩形區(qū)域子模塊中顯示。

圖3 重點區(qū)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(huán)節(jié)。考慮到操作方便性和報告內(nèi)容的一致性，設(shè)計了自動生成報告的功能，即根據(jù)圖像的處理結(jié)果，生成具有固定模式的報告。

利用軟件調(diào)用Word庫函數(shù)，設(shè)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(shù)據(jù)，包括紅外圖像、溫度矩陣、關(guān)注區(qū)域及操作人信息等；

b. 計算每個紅外圖像對應(yīng)的關(guān)注區(qū)域的關(guān)注溫度信息，包括最高溫、最低溫和平均溫；

c. 繪制每個關(guān)注框區(qū)域的溫度直方圖；

d. 根據(jù)步驟b的溫度信息數(shù)據(jù)使用故障診斷標準進行故障診斷；

e. 將上述數(shù)據(jù)整理成Word文案，調(diào)用Word相關(guān)的文字庫函數(shù)、圖片庫函數(shù)、文字格式庫函數(shù)及圖片格式庫函數(shù)等生成報告。

2.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理

2.3.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計

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

a. 設(shè)備表。主要存儲變壓器設(shè)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(shù)據(jù)庫導(dǎo)入圖像模塊的數(shù)據(jù)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(nèi)的最高溫度、最低溫度及平均溫度等。

d. 故障表。主要存儲發(fā)生的故障，包括故障編號、發(fā)生故障的設(shè)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(guān)信息，包括報告編號、對象設(shè)備編號及報告的存儲路徑等。

2.3.2數(shù)據(jù)庫管理

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

基本操作。包括數(shù)據(jù)的添加、修改與刪除。利用listView控件將數(shù)據(jù)庫中的表單以表格的形式展示，并通過按鈕操作實現(xiàn)向相關(guān)表中添加和刪除數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)查詢。提供數(shù)據(jù)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(nèi)的故障分析結(jié)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(jié)束語

筆者基于Visual C#語言開發(fā)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(xiàn)了現(xiàn)場拍攝圖片、溫度文本文件與數(shù)據(jù)庫圖像的導(dǎo)入，實現(xiàn)了圖像及其溫度矩陣重點部位的選取，實現(xiàn)了對重點部位的溫度分析和故障診斷，能夠為現(xiàn)場人員提供有效的指導(dǎo)和建議。同時，根據(jù)紅外圖像處理的特點，構(gòu)建了高效合理的SQL數(shù)據(jù)庫，能夠很好地支持對圖像和溫度數(shù)據(jù)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(shè)備外部分析到內(nèi)部的溫度狀態(tài)，因此若能將紅外診斷技術(shù)與其他傳統(tǒng)變壓器診斷技術(shù)相結(jié)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(fā)揮更大的作用。

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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(xué)基金項目(61272358)

TH165+.3

A

1000-3932(2016)08-0818-05