基于紅外熱像采集技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及診斷研究

李長(zhǎng)彧, 劉　林, 張立穎

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司客戶服務(wù)中心，遼寧　沈陽(yáng)　110006；2.沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，遼寧　沈陽(yáng)　110035; 3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧　沈陽(yáng)　110006)

變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向的重要電力設(shè)施，通過(guò)變壓器將各級(jí)電壓的電網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)[1-2]。

變電站通常分為兩種形式：一種是將發(fā)電站發(fā)出的電進(jìn)行升壓，實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)降低電能在傳輸過(guò)程中由電線產(chǎn)生的損耗；另一種是將原有的高壓進(jìn)行降壓，經(jīng)過(guò)降壓后的電進(jìn)入用戶或其他用電單位。

變電站中的高壓設(shè)備較多，由于變電站在輸電過(guò)程中處于重要環(huán)節(jié)，變電站各高壓設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是保障電力穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾A(chǔ)，而變壓器是變電站的主要高壓工作設(shè)備，因此實(shí)現(xiàn)變電站變壓器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)保證變電站的穩(wěn)定工作具有重要意義[3]。

變壓器在正常運(yùn)行過(guò)程中，一般都伴有正常的溫升和均勻的溫度場(chǎng)分布。而當(dāng)變壓器某部件或連接處出現(xiàn)故障和缺陷時(shí)，會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生明顯異常溫升。因此，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行過(guò)程中各部位溫度變化，能夠?qū)崿F(xiàn)其故障的有效監(jiān)控和早期預(yù)警。

1　紅外測(cè)試原理與數(shù)據(jù)傳輸

1.1　基本原理

采用紅外熱像系統(tǒng)對(duì)變壓器進(jìn)行連續(xù)在線檢測(cè)，其測(cè)試與分析原理如圖1所示。變壓器在工作過(guò)程中，其自身表面不斷產(chǎn)生紅外輻射能量，紅外熱像系統(tǒng)利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接收來(lái)自變壓器輻射的紅外能量，并將其分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，形成紅外熱圖像[4-5]。

1.2　數(shù)據(jù)傳輸

紅外熱像儀有專用的與上位機(jī)通信的接口，如圖1所示，與上位機(jī)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線相連，利用數(shù)據(jù)線將實(shí)時(shí)紅外熱圖像同步上傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)，上位機(jī)采用專業(yè)的紅外熱圖像分析軟件對(duì)監(jiān)測(cè)到的變壓器紅外熱圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，得到紅外熱圖像溫度-頻率分布曲線，獲取實(shí)時(shí)的最高溫度、最低溫度及溫度場(chǎng)分布，最終輸出數(shù)據(jù)結(jié)果為監(jiān)測(cè)人員提供重要的分析依據(jù)[6-7]。

圖1　變壓器紅外測(cè)試、分析原理

2　變電站變壓器紅外特征提取與分析

2.1　變壓器紅外熱像監(jiān)測(cè)

本文監(jiān)測(cè)的對(duì)象為某10 kV變電站變壓器，其主要監(jiān)測(cè)位置為柱上隔離開(kāi)關(guān)線夾和配電變壓器低壓側(cè)接線夾。

通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)變電站變壓器進(jìn)行紅外熱像監(jiān)測(cè)，得到柱上隔離開(kāi)關(guān)線夾的紅外熱圖像，如圖2所示。通過(guò)圖像分割及特征提取得到紅外熱圖像的溫度-頻率曲線，如圖3所示。配電變壓器低壓側(cè)接線夾的紅外熱圖像如圖4所示，其溫度-頻率曲線如圖5所示。

(a)正常工況

(b)連接不良圖2　柱上隔離開(kāi)關(guān)線夾監(jiān)測(cè)紅外熱圖像

由圖2和圖3可知，柱上隔離開(kāi)關(guān)線夾在正常運(yùn)行工作情況下，其溫度場(chǎng)的分布比較均勻，溫度總體分布在9.4～13.8 ℃，而當(dāng)開(kāi)關(guān)線夾連接不良時(shí)，其溫度場(chǎng)出現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象，在接觸不良處出現(xiàn)顯著的高溫區(qū)，最高溫度達(dá)到61.6 ℃。

由圖4和圖5可知，配電變壓器低壓側(cè)接線夾在正常工作時(shí)，接線夾接觸良好，其紅外熱像的溫度場(chǎng)分布均勻且集中，主要分布在17.8～20.3 ℃，而當(dāng)開(kāi)關(guān)線夾連接不良時(shí)，最高溫度達(dá)到76.4 ℃，產(chǎn)生明顯的局部高溫。

(a)正常工況

(b)連接不良圖3　柱上隔離開(kāi)關(guān)線夾溫度-頻率曲線

(a)正常工況

(b)連接不良圖4　配電變壓器低壓側(cè)接線夾監(jiān)測(cè)紅外熱圖像

(a)正常工況

(b)連接不良圖5　配電變壓器低壓側(cè)接線夾溫度-頻率曲線

2.2　故障特性分析

通過(guò)上位機(jī)存儲(chǔ)和調(diào)用連續(xù)監(jiān)測(cè)的變壓器溫度特征，得到的配電變壓器低壓側(cè)接線夾的溫度監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示。可以看出，接線夾的連接不良造成局部溫度顯著升高，但由于連接不良故障并不是一瞬間形成的，溫度的變化是不斷變化交替升高，在接線夾出現(xiàn)松動(dòng)從而造成接觸不良的初期，局部溫度有所升高，但不是瞬間升到故障時(shí)的最高溫度。由圖6可知，在故障出現(xiàn)初期，前7天最高溫度尚未達(dá)到40 ℃，之后隨著接線夾連接不良的加劇，溫度逐漸升高，最后達(dá)到高溫76.4 ℃，并保持連續(xù)高溫狀態(tài)。

圖6　變壓器低壓側(cè)接線夾的溫度監(jiān)測(cè)曲線

2.3　故障早期預(yù)警

為了實(shí)現(xiàn)變壓器故障的早期預(yù)警，考慮到變壓器出現(xiàn)故障時(shí)的溫度變化特征，采用閥值設(shè)定方法。根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，設(shè)置變壓器低壓側(cè)接線夾的故障溫度預(yù)警線為40 ℃，一旦變壓器低壓側(cè)接線夾的紅外熱圖像最高溫度超過(guò)40 ℃，系統(tǒng)便會(huì)產(chǎn)生故障預(yù)警，提示維護(hù)人員對(duì)該故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維修和處理，保證變電站變壓器的安全、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于紅外熱像連續(xù)監(jiān)測(cè)的變壓器故障預(yù)警及診斷方法，通過(guò)對(duì)變壓器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，提取溫度場(chǎng)及局部高溫信息，建立紅外熱圖像的溫度-頻率曲線，采用閥值預(yù)警方法實(shí)現(xiàn)變壓器故障的早期預(yù)警和診斷，為變壓器的故障提供最佳的維護(hù)時(shí)間，大大提高了變電站變壓器

運(yùn)行的穩(wěn)定性，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)35 kV、220 kV等級(jí)變電站變壓器的監(jiān)測(cè)與故障診斷提供一種有效的技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)：

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