基于红外热像采集技术的变压器故障预警及诊断研究

李长彧, 刘　林, 张立颖

(1.国网辽宁省电力有限公司客户服务中心，辽宁　沈阳　110006；2.沈阳特种设备检测研究院，辽宁　沈阳　110035; 3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁　沈阳　110006)

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力流向的重要电力设施，通过变压器将各级电压的电网联系起来[1-2]。

变电站通常分为两种形式：一种是将发电站发出的电进行升压，实现电能的远距离传输，同时降低电能在传输过程中由电线产生的损耗；另一种是将原有的高压进行降压，经过降压后的电进入用户或其他用电单位。

变电站中的高压设备较多，由于变电站在输电过程中处于重要环节，变电站各高压设备的安全、稳定运行是保障电力稳定传输的重要基础，而变压器是变电站的主要高压工作设备，因此实现变电站变压器的实时监测对保证变电站的稳定工作具有重要意义[3]。

变压器在正常运行过程中，一般都伴有正常的温升和均匀的温度场分布。而当变压器某部件或连接处出现故障和缺陷时，会在运行过程中产生明显异常温升。因此，通过连续监测变压器运行过程中各部位温度变化，能够实现其故障的有效监控和早期预警。

1　红外测试原理与数据传输

1.1　基本原理

采用红外热像系统对变压器进行连续在线检测，其测试与分析原理如图1所示。变压器在工作过程中，其自身表面不断产生红外辐射能量，红外热像系统利用红外探测器和光学成像物镜接收来自变压器辐射的红外能量，并将其分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，形成红外热图像[4-5]。

1.2　数据传输

红外热像仪有专用的与上位机通信的接口，如图1所示，与上位机数据分析处理系统通过数据线相连，利用数据线将实时红外热图像同步上传到上位机的数据分析与处理系统，上位机采用专业的红外热图像分析软件对监测到的变压器红外热图像进行实时在线分析，得到红外热图像温度-频率分布曲线，获取实时的最高温度、最低温度及温度场分布，最终输出数据结果为监测人员提供重要的分析依据[6-7]。

图1　变压器红外测试、分析原理

2　变电站变压器红外特征提取与分析

2.1　变压器红外热像监测

本文监测的对象为某10 kV变电站变压器，其主要监测位置为柱上隔离开关线夹和配电变压器低压侧接线夹。

通过长期对变电站变压器进行红外热像监测，得到柱上隔离开关线夹的红外热图像，如图2所示。通过图像分割及特征提取得到红外热图像的温度-频率曲线，如图3所示。配电变压器低压侧接线夹的红外热图像如图4所示，其温度-频率曲线如图5所示。

(a)正常工况

(b)连接不良图2　柱上隔离开关线夹监测红外热图像

由图2和图3可知，柱上隔离开关线夹在正常运行工作情况下，其温度场的分布比较均匀，温度总体分布在9.4～13.8 ℃，而当开关线夹连接不良时，其温度场出现两极分化现象，在接触不良处出现显著的高温区，最高温度达到61.6 ℃。

由图4和图5可知，配电变压器低压侧接线夹在正常工作时，接线夹接触良好，其红外热像的温度场分布均匀且集中，主要分布在17.8～20.3 ℃，而当开关线夹连接不良时，最高温度达到76.4 ℃，产生明显的局部高温。

(a)正常工况

(b)连接不良图3　柱上隔离开关线夹温度-频率曲线

(a)正常工况

(b)连接不良图4　配电变压器低压侧接线夹监测红外热图像

(a)正常工况

(b)连接不良图5　配电变压器低压侧接线夹温度-频率曲线

2.2　故障特性分析

通过上位机存储和调用连续监测的变压器温度特征，得到的配电变压器低压侧接线夹的温度监测曲线如图6所示。可以看出，接线夹的连接不良造成局部温度显著升高，但由于连接不良故障并不是一瞬间形成的，温度的变化是不断变化交替升高，在接线夹出现松动从而造成接触不良的初期，局部温度有所升高，但不是瞬间升到故障时的最高温度。由图6可知，在故障出现初期，前7天最高温度尚未达到40 ℃，之后随着接线夹连接不良的加剧，温度逐渐升高，最后达到高温76.4 ℃，并保持连续高温状态。

图6　变压器低压侧接线夹的温度监测曲线

2.3　故障早期预警

为了实现变压器故障的早期预警，考虑到变压器出现故障时的温度变化特征，采用阀值设定方法。根据长期监测与数据分析，设置变压器低压侧接线夹的故障温度预警线为40 ℃，一旦变压器低压侧接线夹的红外热图像最高温度超过40 ℃，系统便会产生故障预警，提示维护人员对该故障节点进行维修和处理，保证变电站变压器的安全、长期稳定运行。

3　结束语

本文提出了一种基于红外热像连续监测的变压器故障预警及诊断方法，通过对变压器关键节点温度的连续监测，提取温度场及局部高温信息，建立红外热图像的温度-频率曲线，采用阀值预警方法实现变压器故障的早期预警和诊断，为变压器的故障提供最佳的维护时间，大大提高了变电站变压器

运行的稳定性，为进一步实现35 kV、220 kV等级变电站变压器的监测与故障诊断提供一种有效的技术手段。

参考文献：

[1]叶福军.电力变电站温度智能监测网络研究与实现[J].计算机测量与控制,2009,17(1): 111-113.

[2]梁湖辉,张峰,常冲，等.基于ZigBee的变电站监测报警系统[J].电力系统保护与控制, 2010，38(12):121-124.

[3]Thermophysica minima. Thermoelectric infrared sensors (thermopiles) for remote temperature measurements [R]. Perkin Elmer Company,2000.

[4]Giovanni Betta, Antonio Pietrosanto. An Enhanced Fiber-Optic Sensor System for Power Transformer Monitoring[J]. IEEE Transactional on Instrumentation and Measurement, 2001, 50(5):1 138-1 143.

[5]李小博,黄新波,陈绍英. 基于ZigBee网络的智能变电站设备温度综合监测系统[J].高压电器,2011, 54(8):18-21.

[6]朱文,袁成.变电站无线温度监测系统设计与实现[J].水电能源科学,2013,31(2):207-210.

[7]郭耀华.基于ZigBee和GPRS网络的智能变电站设备温度无线监测系统[J].仪表技术与传感器,2014,51(1):79-82.