杨 东，陈瑞斌，仝海龙，谭兴华

（河南四达检测技术有限公司，许昌461000）

变压器是电力系统内电能传输与电压等级变换的重要元件，电力系统变压器套管绝缘缺陷故障是其主要的故障，套管绝缘缺陷严重影响了电力系统的输出稳定性，需要保证变压器的运行状态稳定，提高变压器的输出稳定性，研究电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测方法受到人们的极大重视[1]。

对电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测是建立在对运行变压器套管的异常特征提取基础上，通过解体印证特征分析方法，进行电力系统变压器套管绝缘缺陷特征提取和优化分析[2-4]，传统方法中通过构建电力系统变压器套管绝缘缺陷分布模型，分析红外特征，进行电力系统变压器套管绝缘缺陷定位，但传统方法进行电力系统变压器套管绝缘缺陷检测的准确性不高，定位精度不好[5]。针对上述问题，本文提出基于红外检测技术的电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测方法。构建电力系统变压器套管绝缘缺陷的红外成像模型，实现电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测优化。展示了本文方法在提高电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测能力方面的优越性能。

1 电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像和红外缺陷检测

1.1 红外检测技术下电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像

红外检测技术是一种能有效检测变压器套管运行正常与否的检测手段，在套管发生局部放电时能有效检测到温度异常，及时采取措施，避免因套管异常产生的事故扩大。假设电力系统变压器套管绝缘缺陷激光光谱是一个缓慢时变的带宽图谱[6]，激光光谱诊断电力系统变压器套管的过程本质是激光与物质相互作用。当激光与电力系统变压器套管中存在的粒子以及自由基等发生作用时，会由于各种线性和非线性效应产生散射或者荧光等信号，这些信号携带了电力系统变压器套管的温度、密度、组分浓度等信息。激光光谱技术就是从微观上研究各种检测信号与电力系统变压器套管绝缘缺陷的参量信息之间存在的物理联系，从宏观上采用实验技术测量检测信号进而获得电力系统变压器套管参量信息的方法。通过频率相关性检测，得到电力系统变压器套管绝缘缺陷图谱[7]。

选择特定的窗函数可能会获得电力系统变压器套管绝缘缺陷的频率分辨率[8]，根据Heisenberg测不准原理，得到电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像的分辨率。

1.2 红外缺陷检测

电力系统变压器套管绝缘倒装片通过外部热激励进行非接触主动加热，消除环境噪声，同时提高被测部位的温度特性[9-10]。晶片吸收热量并传导到试件内部，晶片内部缺陷导致其产生热阻和导热异常，造成晶片内部各部件及表面温度分布不均匀。衬底材料的硅含量在大于1.1 μm 的红外波段中有很好的红外透过性，因而可以通过红外热像仪获得芯片内部的温度分布。对电力系统变压器套管绝缘缺陷进行红外热成像测量分析，可实现红外热缺陷检测和诊断。

分析电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像，通过RGB-D 图像分解方法，建立电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像虚拟现实三维重构模型。采用自适应参数融合算法进行电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像融合，结合特征点匹配方法[11]，得到电力系统变压器套管绝缘缺陷红外特征分布相位，使单分量融合，得到电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像的特征分解模型，如图1所示。

图1 电力系统变压器三维重构模型结构图Fig.1 Structure diagram of power system transformer 3D reconstruction model

在对电力系统变压器套管进行带电检测红外热像检测的过程中，发现序列为1 的主变压器管顶部温度异常，但相对温差较小。因当时负荷较大，选择进行持续跟踪和每天测温的方式进行处理。电力系统变压器套管红外图谱如图2所示。

电力系统变压器套管的顶部温度为18.5 ℃，套管顶部的温度在持续上升。变压器正常工作时，套管顶接头温差相对较小，红外热像检测整体表现比较均匀，而套管外绝缘污秽形成的发热一般是径向均匀发热，所以可以排除由污秽引起异常发热的可能性。通过对电力系统变压器套管进行多天连续观察和红外热像检测，分析表明套管内部应该有明显的局部放电点，以便在短时间内积累大量的热量，导致温度升高。采用多层小波分解的方法分析电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像的内部结构特征量，由此进行缺陷定位和故障检测[12]。导致电力系统变压器设备停电试验数据如表1所示。

图2 电力系统变压器套管红外图谱Fig.2 Infrared spectrum of transformer bushing in power system

表1 停电试验数据Tab.1 Power failure test data

2 电力系统变压器套管绝缘缺陷故障

2.1 套管绝缘缺陷故障类型

电力系统变压器套管绝缘缺陷可分为集中性缺陷和分散性缺陷。例如瓷器绝缘子瓷器开裂，发电机绝缘局部磨损，电缆绝缘气隙在电压作用下局部放电逐渐损坏绝缘，以及机械损伤、局部潮湿等集中缺陷。电机、机壳等电器设备的整体绝缘性能下降，有机材料在设备绝缘中受潮、老化、变质等分布缺陷。绝缘体内部的缺陷降低了电气设备的绝缘等级，使设备存在安全隐患。隐藏的缺陷可以通过试验检测来检验，然后采取措施加以消除。

2.2 电力系统变压器套管绝缘缺陷定位

通过关联规则挖掘，分析电力系统变压器套管绝缘红外成像超像素特征分布集，结合缺陷部位的关键特征信息点进行信息融合，建立电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像的多分辨融合模型[13]，得到固有模态函数的收敛条件。

2.3 电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测优化

建立电力系统变压器套管绝缘红外成像的红外检测分析模型，对变压器停电进行套管试验和红外成像的异常特征分析，得到灰度值[14]。通过归一化分割，提取电力系统变压器套管绝缘缺陷红外图像的边缘轮廓特征量，得到变压器套管绝缘缺陷红外异常分布空间的像素值。

建立电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像的多分辨特征检测和信息重构模型[15]，得到变压器套管绝缘缺陷定位输出，通过自适应的像素重构方法，变压器套管绝缘缺陷定位结果。通过多维像素信息分解的方法，进行图像的自适应特征重组。对变压器停电进行套管试验和红外成像的异常特征分析，结合参数优化辨识技术，实现电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测优化，得到电力系统变压器套管绝缘误差。结合参数优化辨识技术，实现电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测优化。

3 工程实例分析

为了验证本文方法在实现电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测中的应用性能，进行试验测试分析，电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像的像素集为150×150；边缘轮廓特征匹配系数为0.35；电力系统变压器套管绝缘缺陷红外特征分解的尺度为12；电力系统变压器套管绝缘缺陷特征匹配的阈值ξ 为0.45。根据上述参数设定，进行电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测，得到原始的红外图谱，变压器套管绝缘缺陷检测线路如图3所示。

图3 电力系统变压器套管绝缘缺陷检测Fig.3 Detection of insulation defects of transformer bushing in power system

通过电源连接单个交流电压，割刀开关，调节器连接绝缘导线，低电压连接线，红外成像检测。根据电力系统变压器套管绝缘缺陷检测，得到复测数据如表2所示。

表2 电力系统变压器套管绝缘缺陷复测数据Tab.2 Retest data of transformer bushing insulation defects in power system

由表2 可知，电力系统变压器套管绝缘缺陷复测数据处理前检测值与标准检测值相差较大，而本文方法检测值与标准检测值较为接近，关联统计分布结果接近是因为通过灰度像素特征重组，进行电力系统变压器套管绝缘缺陷红外特征定位，得到关联统计分布结果，一定程度上能定位到电力系统变压器套管绝缘缺陷。绝缘误差小原因是对变压器停电进行套管试验和红外成像的异常特征分析，结合参数优化辨识技术，实现电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测优化，得到电力系统变压器套管绝缘误差。套管顶部放电状态如图4所示。

图4 套管顶部放电状态图Fig.4 Discharge state diagram of top of bushing

由图4 可知，将异常套管顶部将军帽打开后，发现套管顶部连接部位有明显放电痕迹，周围内壁存在大量黑色物质，导电拉杆表面有明显烧蚀融化痕迹。并再次对套管进行介质损耗和直流电阻试验，试验数据与表1 停电试验数据所呈现结果一致，表明放电点来自套管内部，与变压器绕组内部无关。根据上述结果，进行缺陷检测，得到电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测结果如图5所示。

分析图5 得知，本文方法进行电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测的准确性较高，定位检测的精度较好，提高了缺陷故障的准确辨识能力。

图5 电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测结果Fig.5 Fault detection results of transformer bushing insulation defects in power system

为验证基于红外检测技术的电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测的精度，在绝缘故障检测过程中实现红外成像这一指标进行分析，分别在正接和反接两种情况下计算绝缘缺陷故障检测相似度准确率，结果如图6所示。

图6 绝缘缺陷故障检测相似度计算准确率结果Fig.6 Accuracy results of similarity calculation for insulation defect fault detection

根据图6 分析结果可知，在正接和反接两种情形，绝缘缺陷故障检测相似度计算精度较高，均处于80%以上，且随着检测数量的增加，检测精度值在逐渐提高，为红外检测技术下电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测的完成奠定了基础，定位精度较高。

4 结语

构建电力系统变压器套管绝缘缺陷故障的优化模型，通过分析电力系统变压器套管绝缘缺陷运行状态参数，进行故障稳态特征分析，提高电力系统变压器套管绝缘缺陷的工况运行稳定性，本文提出基于红外检测技术的电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测方法。采用多普勒频补偿方法进行电力系统变压器套管绝缘缺陷红外信息融合，结合缺陷部位的关键特征信息点进行信息融合，建立电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像的多分辨融合模型，提取电力系统变压器套管绝缘缺陷红外图像的边缘轮廓特征量，建立电力系统变压器套管绝缘缺陷红外成像的多分辨特征检测和信息重构模型

实现电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测优化。分析得知，本文方法进行电力系统变压器套管绝缘缺陷故障检测的准确性较高，缺陷定位精度较好。