基于红外热成像的变压器故障在线监测系统

基于红外热成像的变压器故障在线监测系统

史敏周鑫郝洁

（国网山西省电力公司检修分公司山西省030032）

摘要：红外热成像诊断技术作为一种有效的故障诊断手段，它可以将被监测变压器的热状态分布，快速地进行红外热成像，然后对生成的红外热图像进行分析，分析的过程包括图像的去噪、增强、分割等，从而对变压器可能存在的隐患以及故障做出诊断分析。根据研究课题的实际要求，构建出一种利用红外诊断技术对变压器故障的在线监测系统。

关键词：红外热成像；变压器故障；在线监测系统

1红外热成像技术分析

红外成像技术就是把采集的模拟图像通过DSP图像处理技术，把这些图像处理成人眼识别的图像技术。它具体的内容包含：具有红外辐射特性；依靠介质来实现传输；光学元件对其吸收与反射；红外传感器技术、红外图像处理技术、红外传感器非均匀性校正技术、盲元补偿和校正技术等。在工程实践中发现，红外图像具有以下的特点：第一，通过物理学知道大气中对波存在着在传输中会发生不可避免的自然现象，红外线是一种不可见射线，辐射显现是不可避免的，又因为图像个像素点之间会有一点的关联性，要想使红外图像的处理效果更好，红外图像只能通过相应的图像处理方法；第二，由于利用探测器进行采集环境变量，探测器的精度和对图像树立的能力都是着重考虑的因素，红外探测器采集的图片一般都是先经过swift算法对其描点，把这点利用绘图器绘制出来与所在图片具有相同的图片副本，这些副本可以通后一系列处理后就可被后端的PC机的显示器显示，工人沿是观察，所以红外探测机的选材至关重要。第三，红外探测器由于高级显微镜片，以及红外离子，所有就其自身存在着的非均匀性，以及光机扫描系统缺陷等原因，使得红外图像有大量固定图案噪声、串扰、畸变等；这些会对红外图像造成严重的影响。第四，红外热成像系统由于其构成中可能因为一些探测器和扫描仪器之间存在不同步等不确定因素，都是设计系统所要考虑的。

2红外热图像的识别和故障诊断方法

2.1红外热图像的影响因素及数据库的建立

2.1.1红外图像温度的影响因素

第一，在检测过程中，被测目标的发射率会影响温度的准确性，应该首先明确。采取相应的措施，如修正发射率、设备表面涂适当的漆料来增大及稳定发射率值。但是在通常情况下，我们对发射率不了解，就要通过相间比较法来进行故障的判断。一般的电力设备的发射率处在0.85-0.95的范围之内。第二，被测目标的运行状态也是影响因素之一，运行状态又会受到负载大小的影响。为减小运行状态带来的影响，当设备出现不同类型的故障时采取相应的措施，同时为保证设备有稳定的温升值，检测设备应该在稳定运行的前提下通电足够的时间后进行。第三，电力设备的检测一般情况下都是在户外进行，避免不了会受到太阳及背景带来的辐射影响，这些都会带来误差。因此，在检测户外设备时，应尽量选择在没有阳光照射的阴天或者是晴天的日出前与日落后的一段时间。也可以在检测仪器上加装红外滤光片来减少干扰。

2.1.2红外图像数据库

变压器设备红外图像数据库的建立，对掌握红外图像检测技术进行故障诊断，确定故障性质及部位起着重要的作用。本文所用的EXCEL红外图像数据库包括以下数据：红外图像所代表的设备名称，该设备运行正常时设备平均温度，目前该设备最高温度及环境温度，图像类型：有无故障、有故障的说明故障等级，基于ASIFT算法的红外图像匹配点比例等。

2.2变压器故障的自动定位与诊断

2.2.1变压器故障诊断的方法

（1）表面温度判断法

表面能温度判断法大多情况是被用在电流导致的异常发热以及电磁效应导致的异常发热。判断变压器部位的运行状态是不是属于非正常状态，需要把测量得来的变压器变成的温度值，不仅要和GB/T11022中的一些相关规定做相应的对比分析，还要总体考虑进其他的因素，这些因素包含负荷值的分析、环境的不同天气等。该方法的优点是能够诊断出所有暴露出来的导线接头、连接部件的发热问题，但同时还存在一些不足，如果故障部位出现的温升很微小就不容易被检测到，灵敏度不够好。

（2）同类比较判断法

“同类比较判断法”分析判断变压器是不是处于故障状态，是通过相同组别的三相变压器、相同设备的相间以及相同类型变压器之间，将他们相对应的变压器部件出现的温度差值做详细的比对分析。但是同时还要观察到变压器的三相在同一时间存在热故障的问题。当遇到由电压带来的过热型的变压器设备的情况时，还需要结合图像特征的判断法来综合给出结论;当遇到由电流带来的过热型的变压器设备的情况时，还需要结合相对温差法来综合给出结论。通常也称作“纵向比较”和“横向比较”。

（3）图像特征判断法

该方法一般用在温度值变化较微小的由电压导致的异常过热的情况。然后根据相同设备型的正常运行状态以及非正常运行状态下的热状态图片，以此来判别该设备是不是存在问题。最大可能的去除一切的外界因素以及设备自身带来的干扰，这样才能做到非常精准的测试温度，同时还要求拍摄时相机的所能拍摄到的区域一定是由三相的变压器在同一时间内填满，最终对图像做分析给出结果。如果以上不能得出想要的结果，那就必须结合其他的电气实验或者是化学实验来进行分析判定。

2.2.2基于拓扑矩阵修正的故障自动定位与诊断

不相同的物体自身发射出的辐射能是不相同的，红外图片中所体现的温度值就是根据物体发出的辐射能量决定的，并且图像中灰度的大小也与辐射能量存在着相对应的函数关系，这三者之间存在着正比的关系，能够完成找到变压器存在异常的发热点所在的位置。拍摄得来的图片都会不可避免的收到外界环境以及仪器本身噪声的干扰，具体的表现在被增强处理以后的图片仍然带有单个的噪声干扰点的存在，而这样的问题就会导致像素极限值的出现，表现的极大或是极小的情况，当对图像进行找到高灰度的时候，很大可能该点被当做故障点。而这些点在图片上又呈现出具有区域集中的特点，通过拓扑矩阵的修正就是为了去除这些单个的噪声点，最终找到并确定变压器异常过热的位置。

参考文献

[1]李文芳.基于红外图像的电力变压器故障的在线检测[D].安徽理工大学,2014.

[2]尹海晶.基于红外测温技术的电力变压器过热故障在线监测系统的设计与开发[D].南京理工大学,2010.

[3]谭晓晖,高权,杨帆.红外线成像技术在变压器故障诊断中的应用[J].包钢科技,2010,v.36;No.14406:18-20+92.

[4]张明.基于红外图像的变电设备分类及在故障诊断中的应用[D].合肥工业大学,2012.