丁 邺 付冬梅 李志平 倪 森

(北京科技大学自动化学院，北京 100083)

变压器故障的红外诊断方法与软件设计

丁 邺 付冬梅 李志平 倪 森

(北京科技大学自动化学院，北京 100083)

提出了一种基于Visual C#语言的变压器故障红外诊断软件。介绍变压器故障的红外诊断方法，设计变压器故障红外诊断软件的功能。该软件采用SQL技术实现对处理后图像和分析数据的结构化储存，并通过多诊断方法综合评估的方式，实现红外图像导入、温度分析及故障诊断等功能。该软件能够较好地实现变压器故障的诊断，提高红外技术检测的工作效率，满足企业的实际应用需求。

故障诊断 变压器 红外图像 软件设计

传统的变压器故障诊断方法主要是根据变压器的故障类型与变压器油中溶解气体组分之间的明显对应关系来进行诊断的，包括特征气体法、罗杰斯比值法及三比值法等。特征气体法通过与正常变压器油中溶解气体含量限值的比较、总炔含量和产气速度来判定变压器是否故障[1]。罗杰斯比值法在特征气体法的基础上结合了气体的相对含量，提出利用CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6、C2H2/C2H4进行判别的四比值法[2]。三比值法选取两种溶解度和扩散系数相近的气体组分组成比值(C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6)，以不同的编码表示，然后根据己知的编码规则和分类方法，查表确定故障性质[3]。然而，传统的变压器故障诊断方法需要专业人员定期对变压器内部绝缘油等采样并进行油色谱分析，不仅诊断周期长、实时性较差，而且安全性不能保证。相比之下，红外诊断方法对操作人员专业程度要求不高，对运行中的变压器进行非接触无损检测，不受现场高压电场的干扰，同时对带电部位可保持足够的安全距离，因此红外诊断方法被广泛应用于变压器故障检测中。

2008年，国家电网公司220kV变压器共发生35次故障，其中套管故障34.29%，匝间故障31.43%，分接开关故障22.86%，相间接地故障8.57%，铁芯故障2.85%[4]。从红外诊断角度，可将这些故障分为外部故障和内部故障两大类。外部故障是由变压器暴露在大气中的部位因接触不良、表面污秽等原因引起的，这类故障包括套管故障、分接开关故障等；利用红外图像诊断外部故障非常方便、直观，且能够准确地计算出故障部位的温度值。内部故障是由封闭在绝缘材料、外壳内部的电气故障和绝缘介质劣化引起的，这类故障包括铁芯故障、匝间故障等；由于红外图像反映的是设备表面的热辐射分布，所以在分析内部故障时，需要注意温度场的分布和与同类设备的比较。因此，单一的红外诊断方法很难满足不同故障的诊断需求，而且多数情况下，检测人员仅运用红外仪器对设备进行观测，或是人工地对现场拍摄的红外图像信息进行分析，不能对变压器设备进行系统的故障诊断，也不能对数据进行存储。

针对上述问题，笔者设计了一个基于红外图像诊断方法的变压器故障诊断软件，对现场采集到的变压器红外图像数据进行导入与分析处理，采用多诊断方法综合评估方法给出设备运行状态的评估方案和故障诊断结果，并结合SQL技术实现相关数据的存储和调用。

1 变压器故障的红外诊断方法

红外诊断方法是变压器故障诊断软件的核心。在红外故障诊断中，根据过热缺陷对电气设备运行的影响程度，缺陷可分为一般缺陷、严重缺陷和危急缺陷[5]。最常用的红外故障诊断方法有表面温度判别法、同类比较法和相对温差法。

表面温度判别法是根据测得的变压器设备表面温度值，对照设备各部位材料的温度和温升极限，结合环境气候条件和负荷对变压器故障进行分析判断的。

同类比较法是根据同组三相设备、同相设备和同类设备之间对应部位的温差对变压器故障进行比较分析的。假设相似的设备为A、B、C，3个设备的最高温度为TA、TB、TC，3个最高温度中的最大值Tmax=max(TA，TB，TC)，最小值Tmin=min(TA，TB，TC)，温差ΔT=Tmax-Tmin，则根据温差即可确定变压器故障等级。

相对温差法[6]是根据两个测试点之间的相对温差来确定变压器故障等级的。相对温差δt为：

式中T0——环境温度；

T1——发热点的温度；

T2——正常对应点的温度。

当变压器负荷或环境温度不同时，尤其是负载电流过小时，设备的温度值虽未超过国家标准规定值，但是随着负荷的增加或环境温度的上升，仍旧会引发设备故障，在这种情况下表面温度判别法并不适用。当三相设备或者同类设备同时产生热故障时，会导致同类比较法和相对温差法产生误判。因此仅运用单一的红外诊断方法进行变压器故障诊断，会产生诊断误差。

为此，笔者设计了一种多诊断方法综合评估方法对红外图像中的重点区域进行故障诊断，以减少由单一诊断方法引起的诊断误差。首先，通过上述3种诊断方法得到故障区域的3个等级指标L1、L2、L3，再对3个等级指标按照综合评估方法进行评估，最终确定变压器的故障等级。综合评估方法的具体步骤如下：

a. 取等级指标中的最大值和最小值，即Dmax=max(L1,L2,L3)，Dmin=min(L1,L2,L3)。

当由3种故障诊断方法分别得出的故障等级不同时，取级别最高的作为最终故障等级；当3种故障诊断方法得出的故障等级相同时，则故障等级上升一级。采用这种准则进行综合评估，结合了多种方法的优点，使得故障诊断的精度更高。

图1为某变电所220kV主变压器低负荷运行时的三相套管红外图像。可以看出，左侧套管的发热情况明显不同于同类套管，但是由表面温度判别法测得的最高温度仅为32.4℃，为正常状态，由另外两种红外诊断方法诊断的结果为一般缺陷，采用综合评估方法得出的诊断结果也为一般缺陷，此状况需要进行记录，利用停电机会进行检修。

图1 变压器三相套管红外图像

2 软件设计

变压器故障红外诊断软件的功能结构框图如图2所示。该软件通过人工导入的方式，将现场拍摄的变压器相关红外图像和温度数据批量导入软件中；然后，针对处理的目标图像，通过设计画点和框的功能实现对重点区域的选取，以得到相关部位的温度信息，并将数据存入数据库中；最终，结合多种故障诊断方法，对温度信息进行分析和判断，实现故障诊断、故障诊断报告自动生成的功能。

图2 变压器故障红外诊断软件的功能结构框图

2.1重点区域选取

在根据红外图像和温度数据进行故障诊断之前，需要对图像中的重点关注区域进行选择。因此，笔者根据变压器的实际情况，设计了一套红外图像重点区域人工选择算法，该算法主要包括以下7个模块：

a. 绘制点。调用鼠标钩子事件，获取鼠标点击时坐标点在红外图像中的相对位置数据，获取该字段后，调用窗体绘制函数，在红外图像上绘制点。

b. 绘制框。调用鼠标钩子事件，获取鼠标按下、移动和按起时的坐标，然后实时地调用窗体绘制函数，在红外图像上动态绘制框。

c. 选中重点区域。调用鼠标钩子事件，获取鼠标按下时的坐标，并搜索该坐标是否存在于已经绘制的区域中。为方便选中重点区域，点和框的搜索区域为点位置与边框位置的外延数个坐标点内的区域。

d. 移动重点区域。调用鼠标钩子事件，获取鼠标按下、移动和按起时的坐标，并计算鼠标移动的一个矢量数据。然后把该矢量数据实时地与重点区域的所有坐标点做向量加法，实现动态移动重点区域。

e. 重点区域变形。调用鼠标钩子事件，获取鼠标按下、移动和按起时的坐标。首先搜索鼠标按下时所对应的重点区域的位置信息，确定需要变形的方位。然后在该方位上根据鼠标移动的矢量数据做相应的加法或减法，实现对重点区域的变形。

f. 删除重点区域。查找正在做操作的重点区域，把该重点区域从内存中删除，然后调用窗体的重新绘制函数。

g. 撤销上一步操作。在每一次动作操作之前，需要把当前的状态信息保存。操作之后，如果要撤销此操作，则采用之前的状态信息覆盖当前状态信息。

重点区域选取界面如图3所示，可以运用软件中的工具栏模块，实现在图像上画点、画框的功能，并对重点区域进行温度分析。例如，对变压器三相套管做故障诊断时，只需在三相套管关注区域内画3个矩形框，则相关矩形区域内的最高温度、最低温度和平均温度就能在矩形区域子模块中显示。

图3 重点区域选取界面

2.2报告生成

报告生成是整个故障诊断过程中的最后一个环节。考虑到操作方便性和报告内容的一致性，设计了自动生成报告的功能，即根据图像的处理结果，生成具有固定模式的报告。

利用软件调用Word库函数，设计了一套专门针对变压器红外图像故障诊断报告的生成算法，其具体步骤如下：

a. 收集需要生成报告的生成数据，包括红外图像、温度矩阵、关注区域及操作人信息等；

b. 计算每个红外图像对应的关注区域的关注温度信息，包括最高温、最低温和平均温；

c. 绘制每个关注框区域的温度直方图；

d. 根据步骤b的温度信息数据使用故障诊断标准进行故障诊断；

e. 将上述数据整理成Word文案，调用Word相关的文字库函数、图片库函数、文字格式库函数及图片格式库函数等生成报告。

2.3数据库设计与管理

2.3.1数据库设计

数据库设计的目的是提高故障诊断系统各组成部分对数据库使用的方便性，实现支持数据的增加、减少和修改的功能。笔者选择常用的SQL Server 2005作为数据库系统，该数据库系统具有较好的可扩充性和维护性。根据对相关数据的分析和故障诊断系统各功能模块对数据使用的要求，可将数据库中的表分为5类:

a. 设备表。主要存储变压器设备编号、名称、额定电压、电流、功率及可见光图像等。

b. 红外图像表。存储处理过图像的编号、所属变压器编号、图像和温度矩阵的存储路径及时间等。该表为数据库导入图像模块的数据来源。

c. 点和框表。存储在图像上标注的所有点和框，主要包括所属红外图像编号、图像中的位置信息、点和框内的最高温度、最低温度及平均温度等。

d. 故障表。主要存储发生的故障，包括故障编号、发生故障的设备编号、红外图像编号、故障类型、故障详细说明及诊断时间等。

e. 诊断报告表。存储生成的诊断报告的相关信息，包括报告编号、对象设备编号及报告的存储路径等。

2.3.2数据库管理

在数据库管理模块中，用C#语言利用ADO.NET技术访问数据库实现数据的修改和查询功能，保证数据库的完备性与安全性。数据库管理主要包括基本操作和数据查询两部分。

基本操作。包括数据的添加、修改与删除。利用listView控件将数据库中的表单以表格的形式展示，并通过按钮操作实现向相关表中添加和删除数据。

数据查询。提供数据资源的访问界面，并提供多种查询方式。软件可对不同对象的故障和诊断报告分别进行查询，通过选择起止时间来查询特定时间内的故障分析结果和诊断报告，并且可以点击查看报告直接打开报告文件。

3 结束语

笔者基于Visual C#语言开发了一套安全可靠、检测速度快的变压器红外图像故障诊断软件，实现了现场拍摄图片、温度文本文件与数据库图像的导入，实现了图像及其温度矩阵重点部位的选取，实现了对重点部位的温度分析和故障诊断，能够为现场人员提供有效的指导和建议。同时，根据红外图像处理的特点，构建了高效合理的SQL数据库，能够很好地支持对图像和温度数据的存储和管理。然而，红外辐射的穿透力微弱，只能通过检测图像温度来判断故障，而且红外诊断方法很难从设备外部分析到内部的温度状态，因此若能将红外诊断技术与其他传统变压器诊断技术相结合，将会更好地诊断变压器存在的缺陷，为变压器的安全运行发挥更大的作用。

[1] 唐攀龙,周羽生,马士英,等.变压器油色谱分析及其应用的研究[J].绝缘材料,2008,41(5):65～68.

[2] 邹剑,陆瑾,周晓凡.四比值法在变压器过热性故障判断中的应用[J].变压器,2011,48(10):66～67.

[3] 张卫华,苑津莎,张铁峰,等.应用B样条理论改进的变压器三比值故障诊断方法[J].中国电机工程学报,2014,34(24):4129～4136.

[4] 沈晓凡,舒治淮,刘宇,等.2008年国家电网公司继电保护装置运行情况[J].电网技术,2010,34(3):173～177.

[5] DL/T 664-2008,带电设备红外诊断应用规范[S].北京:中华人民共和国国家发展和改革委员会,2008.

[6] 曹海洋,张玉成,朱启伟,等.基于红外成像技术的变压器热故障在线检测与诊断[J].实验室研究与探索,2012,31(2):30～32.

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

国家自然科学基金项目(61272358)

TH165+.3

A

1000-3932(2016)08-0818-05