基于红外图像的变压器故障在线检测技术分析
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作者:徐伟，金国忠，苗振林，杨靖玮
摘要：通过使用变压器，可以最大限度地提高电力系统运行性能，保证供电的稳定性、安全性，但是，变压器经过长时间的运行后，难免会遇到各种各样的故障问题，因此，采用在线检测的方式，加强对其故障检测显得尤为重要，而红外图像诊断技术在提高变压器的故障检测效果方面发挥出重要作用，可以实现对变压器内部缺陷、外部缺陷进行科学检测和诊断。为此，根据红外诊断相关基础理论，完成了变压器红外图像的预处理和故障诊断。最后，从故障诊断方案设计、变压器故障诊断系统两个方面入手，验证了变压器红外图像故障在线检测技术的有效性和可行性。希望通过这次研究，为相关人员提供有效的借鉴和参考。
关键词：红外图像;变压器故障;在线检测;技术
中图分类号：TM407
文献标志码：B文章编号：1001-5922（2022）09-0193-04
Analysisofonlinetransformerfaultdetectiontechnologybasedoninfraredimage
XUWei，JINGuozhong，MIAOZhenlin，YANGJingwei
（StateGridZhejiangElectricPowerCo.，Ltd.，JiaxingPowerSupplyCompany，Jiaxing314000，ZhejiangChina）
Abstract：Theuseoftransformercanmaximizetheoperationperformanceofpowersystemandensurethestabilityandsafetyofpowersupply.However，afteralongtimeofoperation，thetransformerwillinevitablyencountervariousfaultproblems.Therefore，itisparticularlyimportanttostrengthenitsfaultdetectionbymeansofon-linedetection，Infraredimagediagnosistechnologyplaysanimportantroleinimprovingthefaultdetectioneffectoftransformer，andcanrealizethescientificdetectionanddiagnosisofinternalandexternaldefectsoftransformer.Therefore，accordingtothebasictheoryofinfrareddiagnosis，thispapercompletesthepreprocessingandfaultdiagnosisoftransformerinfraredimage.Finally，fromthetwoaspectsoffaultdiagnosisschemedesignandtransformerfaultdiagnosissystem，theeffectivenessandfeasibilityoftransformerinfraredimagefaultonlinedetectionalgorithmareverified.Itishopedthatstudywouldprovideeffectivereferenceforrelevantpersonnel.
Keywords：infraredimage;transformerfault;on-linedetection;technology
在红外图像诊断技术的应用背景下，现提出一种切实可行的在线检测技术，并将其科学、合理地应用于变压器故障检测中，不仅可以简化变压器故障检测流程，还能提高故障检测结果的精确性和真实性，为提高变压器的运行性能，延长其使用寿命打下坚实的基础。因此，在红外图像诊断技术的应用背景下，如何将本文所提出的在线检测技术科学、有效地应用于变压器故障检测中是技术人员必须思考和解决的问题。
1变压器概述
1.1变压器种类
变压器主要用于对交流电压、电能等参数的变换处理，属于一种比较常用的电器设备，该设备在实际研发中，主要用到了电磁感应原理，以实现对电能的安全、可靠传递。以“用途”为划分标准，将变压器划分为电力变压器、仪用变压器和试验变压器这3种类型。其中，电力变压器主要用于对电力电能的输送和配置;仪用变压器主要用于对配电系统电气的精确化测量;试验变压器主要用于对电器设备的耐压处理。
1.2变压器结构
以电力变压器为例，电力变压器主要包含以下组成部分：（1）吸潮器。吸潮器主要对变压器内部绕组的干燥处理，确保该绕组表现出较高的绝缘性能;（2）油位计。油位计的使用可以直观、清晰地反映出变压器当前油位状态;（3）油枕。油枕主要用于对油箱油量的精确化调节，避免变压器出现氧化现象;（4）防爆管。防爆管的使用可以避免油箱内出现压力聚增现象，降低爆炸事故出现的安全风险;（5）信号温度计。信号温度计主要用于对变压器运行温度的实时化监视，并发出相应的信号。
2变压器故障的红外诊断基础
2.1红外热像仪的工作原理
红外热像仪工作原理：通过借助红外探测器和光机扫描系统，对被测目标所对应的红外辐射能量进行汇聚和整理，并将其反馈到光敏元件上。该光敏元件含有红外探测器，可以实现对红外热像的精确化扫描[1]，并借助探测器，对红外辐射信号进行转换，使其转化榈缧藕拧Ｔ诖嘶础上，通过采用视频处理的方式，将电信号传输到检测器上。红外热像仪的组成框图如图1所示。
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2.2变压器故障及红外诊断方法
2.2.1变压器常见故障
变压器经过长时间的运行后，难免会出现各种故障问题，有的故障问题具有一定的突发性，如雷击现象的出现，导致变压器突然出现故障，有的故障问题具有一定的潜伏性，往往没有被明显地表现出来[2]，需要技术人员对变压器进行彻底地分析和处理后，才能得以精确地诊断和处理，将变压器安全风险提前扼杀在摇篮里，为极大地提升变压器运行性能，延长其使用寿命创造良好的条件。
2.2.2红外图像诊断方法
对于变压器而言，由于受到电流、电压等参数的直接影响，一旦经过长时间地运行，很容易形成大量的热能，导致整个变压器始终处于热状态中，这无疑增加了变压器的安全风险，为此，技术人员要利用红外图像诊断方法，对其进行分析和诊断，以达到提高红外图像诊断结果的精确性和真实的目的。
2.2.3红外图像诊断机理
变压器故障的红外图像诊断机理主要运用了以下2种方法，分别是变压器外部故障诊断法和变压器内部故障诊断法。这2种诊断法均利用了红外热像技术。其中，变压器外部故障主要包含导体连接失灵、漏磁引发的箱体涡流等问题，在处理变压器外部故障时，通过借助红外热像图，就可以精确地查询出过热部位，并精确地测量出这些部位所对应的最高温度，为后期温度分析评定打下坚实的基础。变压器内部故障主要是指变压器内部线圈、分接开关、本体绝缘等部件出现异常问题，导致变压器无法正常、稳定地运行。而这类故障问题的解决同样离不开红外热像技术的应用。
3变压器红外图像的分割
3.1红外图像分割概述
为了保证红外图像识别效果，技术人员要加强对红外图像的科学分割和处理，图像分割主要是指从干扰因素较多的复杂图像中，检测出所需要的红外图像。图像分割通常被安排在图像预处理之后，为后期更深入地理解图像打下坚实的基础[3];图像分割的分类如图2所示。目前，基于阈值图像分割法最为常用，该分割法主要用于对以下2种图像的分割，一种是区域生长图像分割;另一种是边缘检测图像分割。
3.2基于边缘的红外图像分割
基于边缘的红外图像分割法主要是指通过对红外图像的边缘进行精确检测，从而辨认并提取出该图像所对应的轮廓。这种分割法具有边缘定位清晰、运算效率高等特点。图像边缘作为一项重要特征，为后期图像分割提供重要的依据和参考。另外，对于变压器红外图像而言，通过利用其边缘信息可以实现对其故障的精确识别和处理[4]。
3.3基于最大类间方差法红外图像分割
在进行红外图像分割期间，经常用到的分割方法主要以阈值分割法为主，通过借助最大类间方差法、最小误差法，可以精确地计算出不同红外图像所对应的阈值，这种方法具有计算精确、操作简单等特点。因此，值得被进一步推广和应用。其中，最大类间方差法主要用到了以下思想：根据图像所对应的灰度值[5]，确定出不同直方图像所对应的取值范围，并选取合适的灰度级，将直方图划分为2个部分：一个左类图像;另一个是右类图像。当这2类灰度值之间相差较大时，需要将红外图像的灰度级别设置为阈值。在此基础上，还要利用Ostu阈值分割法，获得变压器内部的各个套管所对应的图像[69]，并对这些管道图像的灰度值进行对比;最后，利用阈值分割法，得到最终的分割图。
4变压器红外图像故障在线检测技术验证
4.1故障诊断技术流程
故障诊断技术流程主要体现在以下几个方面：（1）一旦设备出现温度异常现象时，会自动显示相应的图像;然后，根据这一图像，精确地获取异常部位所对应的红外热像图。（2）通过科学处理、分割红外热像图，为后期设备故障的高效化、规范化诊断提供极大的便利。（3）变压器一旦出现发热部位[1013]，其温度数据会存在一定的差异，技术人员要在全面了解和掌握这一温度数据变化趋势的基础上，精确地预测和判断设备最终运行状态，并确定出设备故障出现的根本原因。（4）通过变压器的故障进行科学分类，并在充分结合温差的前提下，总结变压器故障处理相关结论。（5）针对变压器故障缺陷问题，精确地找出异常部位发热的根本原因;变压器故障诊断技术流程如图3所示。
4.2变压器故障诊断系统
4.2.1上位机软件系统开发环境的建立
通过借助VisualBasic6.0，完成对上位机软件系统开发环境的科学搭建，不仅可以保证用户界面开发效率，还能提高图像处理效果[1417]。因此，技术人员要借助这一开发工具，在科学设置程序接口的基础上，通过编写相关程序，科学建立相应开发环境。该系统主要包含以下3大功能，分别是文件管理功能、故障诊断功能和数据管理功能。
4.2.2红外图像数据库的建立
为了保证变压器故障诊断结果的精确性和真实性，在进行变压器故障诊断期间，技术人员要根据变压器故障类型以及相关温度信息，构建相应的数据库，并完成对红外图像相关数据的存储。同时，还要采用档案分析法，完成对相关资料信息的精确化分析。系统数据库所运用的开发工具主要以“Access”橹鳎以数据类别为划分标准，数据库主要包含2种类型的信息，一种是图像信息[1820];另一种是辅助信息。此外，以数据功能为划分标准，可以将该数据库内部数据划分为以下2种类型，一种是标准图像信息库;另一种是典型故障图像信息库。在此基础上，为了确保文字和图像能够有效地分离开来，需要借助分离保存方案，将文字和图像分别保存于数据表、文件夹中;然后，借助数据表单，将这2种存储位置进行有效地连接，方便相关工作人员通过查找路径或者文件名，实现对图像的快速检索。
4.2.3变压器故障诊断
对于红外图像而言，故障检测与诊断系统在实际的运用中，主要借助了红外图像，并将该图像信息进行直接转化，使其转化为设备温度信息。同时，还要在综合考虑异常部件温度值变化情况的基础上，对变压器当前运行状态进行科学预测和诊断。其次，在正式进入故障处理之前，需要为每个故障部位进行科学命名[21]，这是由于变压器部位不同，所对应的故障温度阈值也存在一定的差异。当变压器部位命名结束后，需要根据变压器实际运行情况，选用行之有效的诊断方法，从以下几个方面入手，保障最终诊断结果的精确性和真实性。
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（1）阈值与温度变化率结合的诊断法。当变压器出现异常故障时，需要借助红外热像仪器，先从整体入手，对变压器进行初步检测。当确定出变压器多个故障发热部位时，需要降低检测范围，对变压器进行重点检测，以保证检测操作的有效性和科学性。另外，对于变压器而言，其故障热特性不同，所采用的检测温度也存在一定的差异。经过检测发现，当变压器表面温度出现大幅度变化时，变压器故障也会出现比较明显的变化。当变压器运行一段时间后，表面温度会呈现出稳定状态，此时，变压器也会自动进入到相对比较稳定的状态，在这一时间段内，变压器表面温度在实际的变化期间，会存在一定的规律性。为此，技术人员可以针对这一规律，形象、直观地绘制出变压器表面温度变化曲线。此外，当变压器所对应的检测部位出现异常问题时，其表面温度变化曲线会有所改变，同时，其表面温度呈现出不断上升的趋势[22]。一旦出现以上情况，系统会立即呈现出相应的提示界面，并将可能出现故障的检测部位全面地显示出来，并呈现在现场作业人员的面前，以引起现场作业人员的注意;
（2）模糊温差诊断法。在对变压器红外图像进行检测期间，技术人员红外图像所对应的特征，从图像数据库中提取出需要的数据，这些数据主要包含温度数据、图像数据等。然后，采用识别对比法，对异常部位进行精确识别处理，在此基础上，通过采用“模糊温差法”，对变压器故障进行科学诊断。“模糊温差法”在具体的使用中，需要注意以下几点：首先，要对温度参数进行科学控制，这是由于检测部位不同，所对应的工作温度和故障温度阈值也存在一定的差异性。其次，在设置温度参数期间，要针对不同检测部位的特点，设置相应的温度参数。此外，系统管理员还要利用该系统，借助参数设置界面，选用合适的检测部位。此时，系统会根据所设置的温度参数，自动诊断变压器故障。总之，通过利用本文所提出的变压器故障在线检测技术，不仅可以精确地判断出设备故障可能出现的部位，同时，还能将故障原因详细地罗列出来，经过故障检测后，发现导致变压器无法正常运行的根本原因是其套管各个部位出现连接、接触不稳定。
5结语
综上所述，红外图像诊断技术作为一种新型、先进的技术，在诊断和检测变压器故障方面具有重要作用。其不仅可以实现对变压器故障问题可快速分析和解决，提高变压器的运行性能，还避免给电力系统造成不可估量的经济损失。
（1）增加红外图像诊断相关需求，全面对比和分析了图像对比度增强、图像去噪预处理2种方法，为后期保证图像消噪处理效果打下坚实的基础;
（2）通过采用相应的分割技术，可以保证红外图像最终分割操作的规范性和合理性;
（3）通过利用变压器故障诊断系统，可以根据温度变化率和温度阈值2个参数，精确地预测变压器设备当前运行状态，并在充分结合故障类型的基础上，采用在线检测的方式对变压器故障进行科学处理，从而提高变压器的运行性能。
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