變壓器故障的紅外診斷方法與軟件設(shè)計(jì)

丁 鄴 付冬梅 李志平 倪 森

(北京科技大學(xué)自動(dòng)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(jì)

丁 鄴 付冬梅 李志平 倪 森

(北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083)

提出了一種基于Visual C#語(yǔ)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(jì)變壓器故障紅外診斷軟件的功能。該軟件采用SQL技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)處理后圖像和分析數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化儲(chǔ)存，并通過(guò)多診斷方法綜合評(píng)估的方式，實(shí)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(shí)現(xiàn)變壓器故障的診斷，提高紅外技術(shù)檢測(cè)的工作效率，滿足企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求。

故障診斷 變壓器 紅外圖像 軟件設(shè)計(jì)

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(lèi)型與變壓器油中溶解氣體組分之間的明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)進(jìn)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(guò)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(lái)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(duì)含量，提出利用CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6、C2H2/C2H4進(jìn)行判別的四比值法[2]。三比值法選取兩種溶解度和擴(kuò)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(lèi)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(zhuān)業(yè)人員定期對(duì)變壓器內(nèi)部絕緣油等采樣并進(jìn)行油色譜分析，不僅診斷周期長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性較差，而且安全性不能保證。相比之下，紅外診斷方法對(duì)操作人員專(zhuān)業(yè)程度要求不高，對(duì)運(yùn)行中的變壓器進(jìn)行非接觸無(wú)損檢測(cè)，不受現(xiàn)場(chǎng)高壓電場(chǎng)的干擾，同時(shí)對(duì)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(cè)中。

2008年，國(guó)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(kāi)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(lèi)。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(lèi)故障包括套管故障、分接開(kāi)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(zhǔn)確地計(jì)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(lèi)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(shí)，需要注意溫度場(chǎng)的分布和與同類(lèi)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(cè)人員僅運(yùn)用紅外儀器對(duì)設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)，或是人工地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的紅外圖像信息進(jìn)行分析，不能對(duì)變壓器設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的故障診斷，也不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于紅外圖像診斷方法的變壓器故障診斷軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的變壓器紅外圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入與分析處理，采用多診斷方法綜合評(píng)估方法給出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估方案和故障診斷結(jié)果，并結(jié)合SQL技術(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(guò)熱缺陷對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行的影響程度，缺陷可分為一般缺陷、嚴(yán)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(lèi)比較法和相對(duì)溫差法。

表面溫度判別法是根據(jù)測(cè)得的變壓器設(shè)備表面溫度值，對(duì)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(fù)荷對(duì)變壓器故障進(jìn)行分析判斷的。

同類(lèi)比較法是根據(jù)同組三相設(shè)備、同相設(shè)備和同類(lèi)設(shè)備之間對(duì)應(yīng)部位的溫差對(duì)變壓器故障進(jìn)行比較分析的。假設(shè)相似的設(shè)備為A、B、C，3個(gè)設(shè)備的最高溫度為T(mén)A、TB、TC，3個(gè)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(jí)。

相對(duì)溫差法[6]是根據(jù)兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間的相對(duì)溫差來(lái)確定變壓器故障等級(jí)的。相對(duì)溫差δt為：

式中T0——環(huán)境溫度；

T1——發(fā)熱點(diǎn)的溫度；

T2——正常對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度。

當(dāng)變壓器負(fù)荷或環(huán)境溫度不同時(shí)，尤其是負(fù)載電流過(guò)小時(shí)，設(shè)備的溫度值雖未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，但是隨著負(fù)荷的增加或環(huán)境溫度的上升，仍舊會(huì)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(dāng)三相設(shè)備或者同類(lèi)設(shè)備同時(shí)產(chǎn)生熱故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致同類(lèi)比較法和相對(duì)溫差法產(chǎn)生誤判。因此僅運(yùn)用單一的紅外診斷方法進(jìn)行變壓器故障診斷，會(huì)產(chǎn)生診斷誤差。

為此，筆者設(shè)計(jì)了一種多診斷方法綜合評(píng)估方法對(duì)紅外圖像中的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)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(guò)上述3種診斷方法得到故障區(qū)域的3個(gè)等級(jí)指標(biāo)L1、L2、L3，再對(duì)3個(gè)等級(jí)指標(biāo)按照綜合評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估，最終確定變壓器的故障等級(jí)。綜合評(píng)估方法的具體步驟如下：

a. 取等級(jí)指標(biāo)中的最大值和最小值，即Dmax=max(L1,L2,L3)，Dmin=min(L1,L2,L3)。

當(dāng)由3種故障診斷方法分別得出的故障等級(jí)不同時(shí)，取級(jí)別最高的作為最終故障等級(jí)；當(dāng)3種故障診斷方法得出的故障等級(jí)相同時(shí)，則故障等級(jí)上升一級(jí)。采用這種準(zhǔn)則進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)合了多種方法的優(yōu)點(diǎn)，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(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(lèi)套管，但是由表面溫度判別法測(cè)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(píng)估方法得出的診斷結(jié)果也為一般缺陷，此狀況需要進(jìn)行記錄，利用停電機(jī)會(huì)進(jìn)行檢修。

圖1 變壓器三相套管紅外圖像

2 軟件設(shè)計(jì)

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(guò)人工導(dǎo)入的方式，將現(xiàn)場(chǎng)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(duì)處理的目標(biāo)圖像，通過(guò)設(shè)計(jì)畫(huà)點(diǎn)和框的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)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(kù)中；最終，結(jié)合多種故障診斷方法，對(duì)溫度信息進(jìn)行分析和判斷，實(shí)現(xiàn)故障診斷、故障診斷報(bào)告自動(dòng)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(diǎn)區(qū)域選取

在根據(jù)紅外圖像和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷之前，需要對(duì)圖像中的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行選擇。因此，筆者根據(jù)變壓器的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套紅外圖像重點(diǎn)區(qū)域人工選擇算法，該算法主要包括以下7個(gè)模塊：

a. 繪制點(diǎn)。調(diào)用鼠標(biāo)鉤子事件，獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)在紅外圖像中的相對(duì)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(diǎn)。

b. 繪制框。調(diào)用鼠標(biāo)鉤子事件，獲取鼠標(biāo)按下、移動(dòng)和按起時(shí)的坐標(biāo)，然后實(shí)時(shí)地調(diào)用窗體繪制函數(shù)，在紅外圖像上動(dòng)態(tài)繪制框。

c. 選中重點(diǎn)區(qū)域。調(diào)用鼠標(biāo)鉤子事件，獲取鼠標(biāo)按下時(shí)的坐標(biāo)，并搜索該坐標(biāo)是否存在于已經(jīng)繪制的區(qū)域中。為方便選中重點(diǎn)區(qū)域，點(diǎn)和框的搜索區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)位置與邊框位置的外延數(shù)個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)內(nèi)的區(qū)域。

d. 移動(dòng)重點(diǎn)區(qū)域。調(diào)用鼠標(biāo)鉤子事件，獲取鼠標(biāo)按下、移動(dòng)和按起時(shí)的坐標(biāo)，并計(jì)算鼠標(biāo)移動(dòng)的一個(gè)矢量數(shù)據(jù)。然后把該矢量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地與重點(diǎn)區(qū)域的所有坐標(biāo)點(diǎn)做向量加法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)重點(diǎn)區(qū)域。

e. 重點(diǎn)區(qū)域變形。調(diào)用鼠標(biāo)鉤子事件，獲取鼠標(biāo)按下、移動(dòng)和按起時(shí)的坐標(biāo)。首先搜索鼠標(biāo)按下時(shí)所對(duì)應(yīng)的重點(diǎn)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(biāo)移動(dòng)的矢量數(shù)據(jù)做相應(yīng)的加法或減法，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的變形。

f. 刪除重點(diǎn)區(qū)域。查找正在做操作的重點(diǎn)區(qū)域，把該重點(diǎn)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(xiāo)上一步操作。在每一次動(dòng)作操作之前，需要把當(dāng)前的狀態(tài)信息保存。操作之后，如果要撤銷(xiāo)此操作，則采用之前的狀態(tài)信息覆蓋當(dāng)前狀態(tài)信息。

重點(diǎn)區(qū)域選取界面如圖3所示，可以運(yùn)用軟件中的工具欄模塊，實(shí)現(xiàn)在圖像上畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)框的功能，并對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行溫度分析。例如，對(duì)變壓器三相套管做故障診斷時(shí)，只需在三相套管關(guān)注區(qū)域內(nèi)畫(huà)3個(gè)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(diǎn)區(qū)域選取界面

2.2報(bào)告生成

報(bào)告生成是整個(gè)故障診斷過(guò)程中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。考慮到操作方便性和報(bào)告內(nèi)容的一致性，設(shè)計(jì)了自動(dòng)生成報(bào)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(bào)告。

利用軟件調(diào)用Word庫(kù)函數(shù)，設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)門(mén)針對(duì)變壓器紅外圖像故障診斷報(bào)告的生成算法，其具體步驟如下：

a. 收集需要生成報(bào)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(jì)算每個(gè)紅外圖像對(duì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(kù)函數(shù)、圖片庫(kù)函數(shù)、文字格式庫(kù)函數(shù)及圖片格式庫(kù)函數(shù)等生成報(bào)告。

2.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與管理

2.3.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的目的是提高故障診斷系統(tǒng)各組成部分對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)使用的方便性，實(shí)現(xiàn)支持?jǐn)?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(kù)系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)充性和維護(hù)性。根據(jù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和故障診斷系統(tǒng)各功能模塊對(duì)數(shù)據(jù)使用的要求，可將數(shù)據(jù)庫(kù)中的表分為5類(lèi):

a. 設(shè)備表。主要存儲(chǔ)變壓器設(shè)備編號(hào)、名稱(chēng)、額定電壓、電流、功率及可見(jiàn)光圖像等。

b. 紅外圖像表。存儲(chǔ)處理過(guò)圖像的編號(hào)、所屬變壓器編號(hào)、圖像和溫度矩陣的存儲(chǔ)路徑及時(shí)間等。該表為數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入圖像模塊的數(shù)據(jù)來(lái)源。

c. 點(diǎn)和框表。存儲(chǔ)在圖像上標(biāo)注的所有點(diǎn)和框，主要包括所屬紅外圖像編號(hào)、圖像中的位置信息、點(diǎn)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(chǔ)發(fā)生的故障，包括故障編號(hào)、發(fā)生故障的設(shè)備編號(hào)、紅外圖像編號(hào)、故障類(lèi)型、故障詳細(xì)說(shuō)明及診斷時(shí)間等。

e. 診斷報(bào)告表。存儲(chǔ)生成的診斷報(bào)告的相關(guān)信息，包括報(bào)告編號(hào)、對(duì)象設(shè)備編號(hào)及報(bào)告的存儲(chǔ)路徑等。

2.3.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理

在數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊中，用C#語(yǔ)言利用ADO.NET技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的修改和查詢功能，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的完備性與安全性。數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中的表單以表格的形式展示，并通過(guò)按鈕操作實(shí)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(wèn)界面，并提供多種查詢方式。軟件可對(duì)不同對(duì)象的故障和診斷報(bào)告分別進(jìn)行查詢，通過(guò)選擇起止時(shí)間來(lái)查詢特定時(shí)間內(nèi)的故障分析結(jié)果和診斷報(bào)告，并且可以點(diǎn)擊查看報(bào)告直接打開(kāi)報(bào)告文件。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于Visual C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套安全可靠、檢測(cè)速度快的變壓器紅外圖像故障診斷軟件，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖片、溫度文本文件與數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)了圖像及其溫度矩陣重點(diǎn)部位的選取，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)部位的溫度分析和故障診斷，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)人員提供有效的指導(dǎo)和建議。同時(shí)，根據(jù)紅外圖像處理的特點(diǎn)，構(gòu)建了高效合理的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠很好地支持對(duì)圖像和溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。然而，紅外輻射的穿透力微弱，只能通過(guò)檢測(cè)圖像溫度來(lái)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(huì)更好地診斷變壓器存在的缺陷，為變壓器的安全運(yùn)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61272358)

TH165+.3

A

1000-3932(2016)08-0818-05