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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(wěn)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(fā)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(fā)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(jiān)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(fā)生。

現階段，監(jiān)測干式變壓器運行溫度已成為電力企業(yè)安全運維管理重點，提出針對干式變壓器溫度的熱傳感監(jiān)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(huán)與溫度控制電路發(fā)生故障，從而對監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)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(huán)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(jiān)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(huán)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(huán)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(yè)環(huán)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(fā)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(jiān)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(jiān)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(jiān)測過程中，操作界面點擊溫度在線監(jiān)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(jiān)測人員可主動選擇是否刪除上次監(jiān)測記錄，并再次創(chuàng)建一個空白文件用于此次溫度監(jiān)測結果的展示。在監(jiān)測過程中，如前端反饋數據超出溫度預警安全值時，將觸發(fā)終端對干式變壓器溫度監(jiān)測的預警。

圖2 干式變壓器運行溫度監(jiān)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(yōu)勢，不僅在工作環(huán)境中不會產生有害氣體，且在電弧熱的作用下也不會散發(fā)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(huán)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(jiān)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(jiān)測，監(jiān)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(jiān)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(jiān)測方法與基于AC-GAN數據重構的溫度監(jiān)測方法，將提出的兩種方法作為此次對比實驗中的傳統(tǒng)方法。使用三種方法對干式變壓器運行溫度展開監(jiān)測，監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)測方法監(jiān)測得到的干式變壓器運行溫度（傳統(tǒng)方法1）；（4）表示基于AC-GAN數據重構監(jiān)測方法監(jiān)測得到的干式變壓器運行溫度（傳統(tǒng)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(jiān)測反饋值與輸出結果連續(xù)。在干式變壓器運行到第5s時觸發(fā)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(jiān)測結果與實際結果差異較大，說明傳統(tǒng)方法1的溫度監(jiān)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(tǒng)方法2的監(jiān)測結果較為準確。但在深入此方法的研究中發(fā)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(jiān)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(jiān)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(xù)監(jiān)測與溫升預警，且監(jiān)測結果與實測結果的偏差較小。