基于红外传感器的干式变压器温度在线监测方法

苏州市轨道交通集团有限公司运营二分公司 代宝山 石光翔 丁 远 罗经纬

上海欣影电力科技股份有限公司 高如枝

干式变压器的绝缘特性对其使用寿命、安全、稳定性的影响较大，而温度则是影响其绝缘状况的重要因素，如干式变压器负荷损失、漏磁场所产生的额外损失等，都会导致出现运行发热问题，如绕组温升过高极易造成绝缘干式变压器击穿，严重情况下，还会诱发爆炸、火灾等大型安全事故。随着干式变压器容量的增加，负载的漏磁场也会同步增加，在长时间的使用中，如干式变压器局部温度超出绝缘承受范围，会出现加速绝缘材料老化速度现象。因此，需实时监控、在线评估干式变压器的运行温度，掌握装置的运行工况以避免事故的发生。

现阶段，监测干式变压器运行温度已成为电力企业安全运维管理重点，提出针对干式变压器温度的热传感监控、采用热电阻等传感器件（包括Pt-100型热电阻器等），但在110kV高电压下的干式变压器，由于高压端运行会产生较为强烈的感应电动势，极易造成铂电阻环与温度控制电路发生故障，从而对监控工作和干式变压器安全运行构成威胁。

为了实现对干式变压器温度的在线监测，将红外传感器作为设计核心，采集变压器的温度数据（图1）[1]。利用红外传感器可实现对监测目标温差的感知，在此过程中使用红外线过滤器过滤采集信号，此时目标对象的红外线辐射会被感应器内的黑体所吸收，从而使热源加热到热电堆的热端产生一个温差电位，电位代表了目标对象和热电堆的冷端间的温度差异。为避免红外传感器监测占用过多空间，增设调谐放大器放大输出端电压信号，并使用数码温度计测量干式变压器在运行中的周围环境温度。通过上述方式即可实现对变压器温度数据的采集。

图1 基于红外传感器的变压器运行温度数据采集

1 基于LM-BP算法的温度数据处理与抗干扰通信传输

考虑到通过上述方式采集的温度数据可能携带噪声或冗余信息，此部分信息会对干式变压器温度在线监测预警造成影响，因此需对温度数据采取措施处理。处理过程中引进LM-BP算法训练数据[2]，引进LM-BP算法中的激活函数，在每个为0的数据后增加一个“-1”值。函数表达式为f(x)=1/(1+e-x)，式中：f(x)表示激活函数；e表示数据激活值；x表示连接层。

在此基础上，利用该算法中的神经网络建立各个隐藏层之间的数据连接，计算神经元输入值与隐藏网络层中的输出值[3]：NET=W1×X、Oi1=f(n×eti)，式中：NET表示神经元输入值；W1表示输入值的连接权；X表示温度数据矩阵；O表示隐藏网络层中的输出值；n表示中间层阈值；i表示输出层；t表示输出向量。

在此基础上，利用隐藏网络层中的输出值计算输入样本信号的误差项[4]：L=W2×Oi1，式中：L表示输入样本信号的误差项；W2表示误差对权。通过对前端反馈数据各个权值偏导系数的计算，将数值录入矩阵中开始训练，直到所有数据完成输入后对数据进行抗干扰通信传输。为避免数据中的冗余值影响传输过程，按下述计算公式归一化处理数据格式：K′=(K-Kmin)/(Kmax-Kmin)。式中：K′表示归一化处理数据格式；K表示数据原格式；Kmin表示数据集合中的最小值；Kmax表示数据集合中的最大值。

在此基础上，考虑到基于红外传感器的数据采集过程是在强磁场环境下实施，此时数据的传输与通信过程会受到外界条件的干扰。因此需在完成对数据的处理后，采取必要的措施与手段对数据传输过程进行抗干扰处理。处理时，先对红外传感器外部封装，使用金属屏蔽处理红外传感器外壳，对应的通信连接线使用屏蔽线设计，通过此种方式避免信号的传输受到外部环境的直接干扰与影响。除上述提出内容，可根据红外传感器的实际作业环境，将片机装置罩在接地金属屏蔽壳中，仅将通信天线预留在外部用于接收或发送温度感知信号。

2 实时温度展示与温升预警

完成上述设计后，建立监控界面与红外传感器之间的通信连接，预设干式变压器温度在线监测预警值，在此过程中应注意的是，预警值一旦选定将会自动存储以备下次使用。

监测过程中，操作界面点击温度在线监测与感知功能键，此时界面将弹出视窗，终端PC机会在同一时间产生一份文件，路径是红外传感器下的目录文件。点击进入文件后，终端将主动获取红外传感器录入的数据，并将其存储到文件中。下次启动时文件将自动打开并展示数据，终端监测人员可主动选择是否删除上次监测记录，并再次创建一个空白文件用于此次温度监测结果的展示。在监测过程中，如前端反馈数据超出温度预警安全值时，将触发终端对干式变压器温度监测的预警。

图2 干式变压器运行温度监测结果对比（温度45℃为预警线）

3 对比实验

本次算例所选用的干式变压器型号为PSCD-500，此设备符合我国CB/T.3528-93操作使用标准。此变压器的核心部分是铁芯、绕组、绝缘材料、外壳。铁芯由高品质的硅钢片晶粒构成，线圈由铜材质制成。绝缘材料为B级树脂，此种材料具有无毒、耐潮等优势，不仅在工作环境中不会产生有害气体，且在电弧热的作用下也不会散发出携带气味的气体。外壳结构整体由钢材制成，具有IP00防护等级。变压器需要在-25℃～+45℃、湿度＜95%的环境下才能正常工作。此装置的最大的摆动角为24.5°、最大倾角为2.5°，变压器具有防凝露、防油雾、防霉菌三防功能。为确保针对此变压器温度监测工作的顺利实施，在开展相关研究前，采集其PSCD-500干式变压器的运行技术参数。

PSCD-500干式变压器运行技术参数：额定容量450kVA、空载损耗330kW、空载电流2.5%、铁芯半径125mm、联接组别Yyn0、负载损耗850kW、电抗电压3.8%、铁芯高度1025mm、额定相电压（低压/高压）380V/3350V、分段数（低压/高压）（1/3）、线圈内半径128mm、线圈外半径156mm。

使用本文设计方法对干式变压器温度展开在线监测，监测过程中引进红外传感器采集变压器温度数据。通过对采集的数据实时处理，实现对信号的抗干扰通信传输，同时建立监测终端与传感器之间的通信连接，通过对变压器温度数据的实时展示，实现对干式变压器温升的预警。在此基础上，引进基于BIM与可视化技术的温度监测方法与基于AC-GAN数据重构的温度监测方法，将提出的两种方法作为此次对比实验中的传统方法。使用三种方法对干式变压器运行温度展开监测，监测过程中使用巡检仪人工测量干式变压器运行温度。对比三种方法的监测结果，截取部分时段下的温升变化曲线。

图2中：（1）表示使用巡检仪人工测量干式变压器运行温度；（2）表示本文方法监测得到的干式变压器运行温度；（3）表示基于BIM与可视化技术监测方法监测得到的干式变压器运行温度（传统方法1）；（4）表示基于AC-GAN数据重构监测方法监测得到的干式变压器运行温度（传统方法2）。

将曲线（1）作为参照，分析曲线（2）、（3）与（4）。可看出，曲线（2）与曲线（1）的变化基本重合，且监测反馈值与输出结果连续。在干式变压器运行到第5s时触发终端温度预警；曲线（3）的变化趋势与曲线（1）的变化趋势差异性较大，即监测结果与实际结果差异较大，说明传统方法1的温度监测结果精准度较低，且预期温度预警时间为5s，而该方法的温度预警时间为1s、6s～8s，与期望输出不匹配；曲线（4）的变化趋势与曲线（1）的变化趋势基本一致，说明传统方法2的监测结果较为准确。但在深入此方法的研究中发现，该方法在3s～4s、8s～10s的温度反馈中存在通信中断，即该方法未能达到实时在线监测目的。

通过上述对实验结果的分析证明，本文设计的基于红外传感器的干式变压器温度在线监测方法在实际应用中的效果良好，可实现对干式变压器温度的实时、连续监测与温升预警，且监测结果与实测结果的偏差较小。