徐 偉，金國忠，苗振林 ，楊靖瑋

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司 嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000)

在紅外圖像診斷技術(shù)的應(yīng)用背景下，現(xiàn)提出一種切實(shí)可行的在線檢測技術(shù)，并將其科學(xué)、合理地應(yīng)用于變壓器故障檢測中，不僅可以簡化變壓器故障檢測流程，還能提高故障檢測結(jié)果的精確性和真實(shí)性，為提高變壓器的運(yùn)行性能，延長其使用壽命打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，在紅外圖像診斷技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何將本文所提出的在線檢測技術(shù)科學(xué)、有效地應(yīng)用于變壓器故障檢測中是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 變壓器概述

1.1 變壓器種類

變壓器主要用于對(duì)交流電壓、電能等參數(shù)的變換處理，屬于一種比較常用的電器設(shè)備，該設(shè)備在實(shí)際研發(fā)中，主要用到了電磁感應(yīng)原理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的安全、可靠傳遞。以“用途”為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將變壓器劃分為電力變壓器、儀用變壓器和試驗(yàn)變壓器這3種類型。其中，電力變壓器主要用于對(duì)電力電能的輸送和配置；儀用變壓器主要用于對(duì)配電系統(tǒng)電氣的精確化測量；試驗(yàn)變壓器主要用于對(duì)電器設(shè)備的耐壓處理。

1.2 變壓器結(jié)構(gòu)

以電力變壓器為例，電力變壓器主要包含以下組成部分：(1)吸潮器。吸潮器主要對(duì)變壓器內(nèi)部繞組的干燥處理，確保該繞組表現(xiàn)出較高的絕緣性能；(2)油位計(jì)。油位計(jì)的使用可以直觀、清晰地反映出變壓器當(dāng)前油位狀態(tài)；(3)油枕。油枕主要用于對(duì)油箱油量的精確化調(diào)節(jié)，避免變壓器出現(xiàn)氧化現(xiàn)象；(4)防爆管。防爆管的使用可以避免油箱內(nèi)出現(xiàn)壓力聚增現(xiàn)象，降低爆炸事故出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)；(5)信號(hào)溫度計(jì)。信號(hào)溫度計(jì)主要用于對(duì)變壓器運(yùn)行溫度的實(shí)時(shí)化監(jiān)視，并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。

2 變壓器故障的紅外診斷基礎(chǔ)

2.1 紅外熱像儀的工作原理

紅外熱像儀工作原理：通過借助紅外探測器和光機(jī)掃描系統(tǒng)，對(duì)被測目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的紅外輻射能量進(jìn)行匯聚和整理，并將其反饋到光敏元件上。該光敏元件含有紅外探測器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外熱像的精確化掃描，并借助探測器，對(duì)紅外輻射信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，通過采用視頻處理的方式，將電信號(hào)傳輸?shù)綑z測器上。紅外熱像儀的組成框圖如圖1所示。

圖1 紅外熱像儀的組成框圖

2.2 變壓器故障及紅外診斷方法

變壓器常見故障

變壓器經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后，難免會(huì)出現(xiàn)各種故障問題，有的故障問題具有一定的突發(fā)性，如雷擊現(xiàn)象的出現(xiàn)，導(dǎo)致變壓器突然出現(xiàn)故障，有的故障問題具有一定的潛伏性，往往沒有被明顯地表現(xiàn)出來，需要技術(shù)人員對(duì)變壓器進(jìn)行徹底地分析和處理后，才能得以精確地診斷和處理，將變壓器安全風(fēng)險(xiǎn)提前扼殺在搖籃里，為極大地提升變壓器運(yùn)行性能，延長其使用壽命創(chuàng)造良好的條件。

紅外圖像診斷方法

對(duì)于變壓器而言，由于受到電流、電壓等參數(shù)的直接影響，一旦經(jīng)過長時(shí)間地運(yùn)行，很容易形成大量的熱能，導(dǎo)致整個(gè)變壓器始終處于熱狀態(tài)中，這無疑增加了變壓器的安全風(fēng)險(xiǎn)，為此，技術(shù)人員要利用紅外圖像診斷方法，對(duì)其進(jìn)行分析和診斷，以達(dá)到提高紅外圖像診斷結(jié)果的精確性和真實(shí)的目的。

紅外圖像診斷機(jī)理

變壓器故障的紅外圖像診斷機(jī)理主要運(yùn)用了以下2種方法，分別是變壓器外部故障診斷法和變壓器內(nèi)部故障診斷法。這2種診斷法均利用了紅外熱像技術(shù)。其中，變壓器外部故障主要包含導(dǎo)體連接失靈、漏磁引發(fā)的箱體渦流等問題，在處理變壓器外部故障時(shí)，通過借助紅外熱像圖，就可以精確地查詢出過熱部位，并精確地測量出這些部位所對(duì)應(yīng)的最高溫度，為后期溫度分析評(píng)定打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。變壓器內(nèi)部故障主要是指變壓器內(nèi)部線圈、分接開關(guān)、本體絕緣等部件出現(xiàn)異常問題，導(dǎo)致變壓器無法正常、穩(wěn)定地運(yùn)行。而這類故障問題的解決同樣離不開紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用。

3 變壓器紅外圖像的分割

3.1 紅外圖像分割概述

為了保證紅外圖像識(shí)別效果，技術(shù)人員要加強(qiáng)對(duì)紅外圖像的科學(xué)分割和處理，圖像分割主要是指從干擾因素較多的復(fù)雜圖像中，檢測出所需要的紅外圖像。圖像分割通常被安排在圖像預(yù)處理之后，為后期更深入地理解圖像打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；圖像分割的分類如圖2所示。目前，基于閾值圖像分割法最為常用，該分割法主要用于對(duì)以下2種圖像的分割，一種是區(qū)域生長圖像分割；另一種是邊緣檢測圖像分割。

圖2 圖像分割的分類

3.2 基于邊緣的紅外圖像分割

基于邊緣的紅外圖像分割法主要是指通過對(duì)紅外圖像的邊緣進(jìn)行精確檢測，從而辨認(rèn)并提取出該圖像所對(duì)應(yīng)的輪廓。這種分割法具有邊緣定位清晰、運(yùn)算效率高等特點(diǎn)。圖像邊緣作為一項(xiàng)重要特征，為后期圖像分割提供重要的依據(jù)和參考。另外，對(duì)于變壓器紅外圖像而言，通過利用其邊緣信息可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其故障的精確識(shí)別和處理。

3.3 基于最大類間方差法紅外圖像分割

在進(jìn)行紅外圖像分割期間，經(jīng)常用到的分割方法主要以閾值分割法為主，通過借助最大類間方差法、最小誤差法，可以精確地計(jì)算出不同紅外圖像所對(duì)應(yīng)的閾值，這種方法具有計(jì)算精確、操作簡單等特點(diǎn)。因此，值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。其中，最大類間方差法主要用到了以下思想：根據(jù)圖像所對(duì)應(yīng)的灰度值，確定出不同直方圖像所對(duì)應(yīng)的取值范圍，并選取合適的灰度級(jí)，將直方圖劃分為2個(gè)部分：一個(gè)左類圖像；另一個(gè)是右類圖像。當(dāng)這2類灰度值之間相差較大時(shí)，需要將紅外圖像的灰度級(jí)別設(shè)置為閾值。在此基礎(chǔ)上，還要利用Ostu閾值分割法，獲得變壓器內(nèi)部的各個(gè)套管所對(duì)應(yīng)的圖像，并對(duì)這些管道圖像的灰度值進(jìn)行對(duì)比；最后，利用閾值分割法，得到最終的分割圖。

4 變壓器紅外圖像故障在線檢測技術(shù)驗(yàn)證

4.1 故障診斷技術(shù)流程

故障診斷技術(shù)流程主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)一旦設(shè)備出現(xiàn)溫度異?，F(xiàn)象時(shí)，會(huì)自動(dòng)顯示相應(yīng)的圖像；然后，根據(jù)這一圖像，精確地獲取異常部位所對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖。(2)通過科學(xué)處理、分割紅外熱像圖，為后期設(shè)備故障的高效化、規(guī)范化診斷提供極大的便利。(3)變壓器一旦出現(xiàn)發(fā)熱部位，其溫度數(shù)據(jù)會(huì)存在一定的差異，技術(shù)人員要在全面了解和掌握這一溫度數(shù)據(jù)變化趨勢的基礎(chǔ)上，精確地預(yù)測和判斷設(shè)備最終運(yùn)行狀態(tài)，并確定出設(shè)備故障出現(xiàn)的根本原因。(4)通過變壓器的故障進(jìn)行科學(xué)分類，并在充分結(jié)合溫差的前提下，總結(jié)變壓器故障處理相關(guān)結(jié)論。(5)針對(duì)變壓器故障缺陷問題，精確地找出異常部位發(fā)熱的根本原因；變壓器故障診斷技術(shù)流程如圖3所示 。

圖3 變壓器故障診斷流程

4.2 變壓器故障診斷系統(tǒng)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的建立

通過借助Visual Basic 6.0，完成對(duì)上位機(jī)軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的科學(xué)搭建，不僅可以保證用戶界面開發(fā)效率，還能提高圖像處理效果。因此，技術(shù)人員要借助這一開發(fā)工具，在科學(xué)設(shè)置程序接口的基礎(chǔ)上，通過編寫相關(guān)程序，科學(xué)建立相應(yīng)開發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)主要包含以下3大功能，分別是文件管理功能、故障診斷功能和數(shù)據(jù)管理功能。

紅外圖像數(shù)據(jù)庫的建立

為了保證變壓器故障診斷結(jié)果的精確性和真實(shí)性，在進(jìn)行變壓器故障診斷期間，技術(shù)人員要根據(jù)變壓器故障類型以及相關(guān)溫度信息，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并完成對(duì)紅外圖像相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。同時(shí)，還要采用檔案分析法，完成對(duì)相關(guān)資料信息的精確化分析。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所運(yùn)用的開發(fā)工具主要以“Access”為主，以數(shù)據(jù)類別為劃分標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)庫主要包含2種類型的信息，一種是圖像信息；另一種是輔助信息。此外，以數(shù)據(jù)功能為劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以將該數(shù)據(jù)庫內(nèi)部數(shù)據(jù)劃分為以下2種類型，一種是標(biāo)準(zhǔn)圖像信息庫；另一種是典型故障圖像信息庫。在此基礎(chǔ)上，為了確保文字和圖像能夠有效地分離開來，需要借助分離保存方案，將文字和圖像分別保存于數(shù)據(jù)表、文件夾中；然后，借助數(shù)據(jù)表單，將這2種存儲(chǔ)位置進(jìn)行有效地連接，方便相關(guān)工作人員通過查找路徑或者文件名，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的快速檢索。

變壓器故障診斷

對(duì)于紅外圖像而言，故障檢測與診斷系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)用中，主要借助了紅外圖像，并將該圖像信息進(jìn)行直接轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)化為設(shè)備溫度信息。同時(shí)，還要在綜合考慮異常部件溫度值變化情況的基礎(chǔ)上，對(duì)變壓器當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測和診斷。其次，在正式進(jìn)入故障處理之前，需要為每個(gè)故障部位進(jìn)行科學(xué)命名，這是由于變壓器部位不同，所對(duì)應(yīng)的故障溫度閾值也存在一定的差異。當(dāng)變壓器部位命名結(jié)束后，需要根據(jù)變壓器實(shí)際運(yùn)行情況，選用行之有效的診斷方法，從以下幾個(gè)方面入手，保障最終診斷結(jié)果的精確性和真實(shí)性。

(1)閾值與溫度變化率結(jié)合的診斷法。當(dāng)變壓器出現(xiàn)異常故障時(shí)，需要借助紅外熱像儀器，先從整體入手，對(duì)變壓器進(jìn)行初步檢測。當(dāng)確定出變壓器多個(gè)故障發(fā)熱部位時(shí)，需要降低檢測范圍，對(duì)變壓器進(jìn)行重點(diǎn)檢測，以保證檢測操作的有效性和科學(xué)性。另外，對(duì)于變壓器而言，其故障熱特性不同，所采用的檢測溫度也存在一定的差異。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器表面溫度出現(xiàn)大幅度變化時(shí)，變壓器故障也會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化。當(dāng)變壓器運(yùn)行一段時(shí)間后，表面溫度會(huì)呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，變壓器也會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，在這一時(shí)間段內(nèi)，變壓器表面溫度在實(shí)際的變化期間，會(huì)存在一定的規(guī)律性。為此，技術(shù)人員可以針對(duì)這一規(guī)律，形象、直觀地繪制出變壓器表面溫度變化曲線。此外，當(dāng)變壓器所對(duì)應(yīng)的檢測部位出現(xiàn)異常問題時(shí)，其表面溫度變化曲線會(huì)有所改變，同時(shí)，其表面溫度呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。一旦出現(xiàn)以上情況，系統(tǒng)會(huì)立即呈現(xiàn)出相應(yīng)的提示界面，并將可能出現(xiàn)故障的檢測部位全面地顯示出來，并呈現(xiàn)在現(xiàn)場作業(yè)人員的面前，以引起現(xiàn)場作業(yè)人員的注意；

(2)模糊溫差診斷法。在對(duì)變壓器紅外圖像進(jìn)行檢測期間，技術(shù)人員紅外圖像所對(duì)應(yīng)的特征，從圖像數(shù)據(jù)庫中提取出需要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包含溫度數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等。然后，采用識(shí)別對(duì)比法，對(duì)異常部位進(jìn)行精確識(shí)別處理，在此基礎(chǔ)上，通過采用“模糊溫差法”，對(duì)變壓器故障進(jìn)行科學(xué)診斷?！澳：郎夭罘ā痹诰唧w的使用中，需要注意以下幾點(diǎn)：首先，要對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行科學(xué)控制，這是由于檢測部位不同，所對(duì)應(yīng)的工作溫度和故障溫度閾值也存在一定的差異性。其次，在設(shè)置溫度參數(shù)期間，要針對(duì)不同檢測部位的特點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的溫度參數(shù)。此外，系統(tǒng)管理員還要利用該系統(tǒng)，借助參數(shù)設(shè)置界面，選用合適的檢測部位。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所設(shè)置的溫度參數(shù)，自動(dòng)診斷變壓器故障?？傊?，通過利用本文所提出的變壓器故障在線檢測技術(shù)，不僅可以精確地判斷出設(shè)備故障可能出現(xiàn)的部位，同時(shí)，還能將故障原因詳細(xì)地羅列出來，經(jīng)過故障檢測后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致變壓器無法正常運(yùn)行的根本原因是其套管各個(gè)部位出現(xiàn)連接、接觸不穩(wěn)定。

5 結(jié)語

綜上所述，紅外圖像診斷技術(shù)作為一種新型、先進(jìn)的技術(shù)，在診斷和檢測變壓器故障方面具有重要作用。其不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障問題可快速分析和解決，提高變壓器的運(yùn)行性能，還避免給電力系統(tǒng)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

(1)增加紅外圖像診斷相關(guān)需求，全面對(duì)比和分析了圖像對(duì)比度增強(qiáng)、圖像去噪預(yù)處理2種方法，為后期保證圖像消噪處理效果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；

(2)通過采用相應(yīng)的分割技術(shù)，可以保證紅外圖像最終分割操作的規(guī)范性和合理性；

(3)通過利用變壓器故障診斷系統(tǒng)，可以根據(jù)溫度變化率和溫度閾值2個(gè)參數(shù)，精確地預(yù)測變壓器設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并在充分結(jié)合故障類型的基礎(chǔ)上，采用在線檢測的方式對(duì)變壓器故障進(jìn)行科學(xué)處理，從而提高變壓器的運(yùn)行性能。