基于拉曼光譜相似度比對(duì)的油紙絕緣老化階段診斷

張騰翼,古亮，陳新崗，楊定坤

(1.重慶理工大學(xué)，重慶市 400054；2.重慶大學(xué)，重慶市 400044)

1 引言

電力變壓器由絕緣、繞組、通風(fēng)散熱等多個(gè)部分組成，其中絕緣作為一個(gè)關(guān)鍵部分，對(duì)電力變壓器的正常運(yùn)行有至關(guān)重要的作用[1-4]。油浸式變壓器的絕緣部分由絕緣礦物油和絕緣紙板組成，在絕緣系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行以后，會(huì)產(chǎn)生一系列的老化，由于變壓器運(yùn)行中產(chǎn)生的熱、電和機(jī)械振動(dòng)等因素，影響變壓器絕緣性能，對(duì)變壓器的正常運(yùn)行造成影響。所以能夠?qū)ψ儔浩鞯挠图埥^緣系統(tǒng)進(jìn)行快速而又準(zhǔn)確的老化診斷能夠保證變壓器的正常運(yùn)行，并為變壓器設(shè)備的維護(hù)管理提供依據(jù)[5-7]。

目前針對(duì)電力變壓器絕緣老化的檢測(cè)方法主要有絕緣紙聚合度(DP)的檢測(cè)，彭磊等人使用基于變壓器油中甲醇含量檢測(cè)絕緣紙聚合度，得到變壓器絕緣紙聚合度能有效反映油紙絕緣老化程度[8]，但是對(duì)聚合度(DP)的檢測(cè)需要在變壓器停電放油后才能進(jìn)行，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)存在一定的困難。所以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)中，主要通過檢測(cè)變壓器油中溶解氣體以及變壓器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的老化特征物，比如糠醛、甲烷、氫氣等能夠反映變壓器老化狀態(tài)的物質(zhì)[9-10]。李清泉等人使用局部放電測(cè)試法，評(píng)估油紙絕緣局放特性[11]，但此方法容易受到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁、噪音等環(huán)境因素影響，不利于油紙絕緣系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)診斷。

拉曼光譜法作為一種能夠?qū)ξ镔|(zhì)進(jìn)行定量與定性的方法，已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品、物質(zhì)鑒定等多個(gè)領(lǐng)域。魯智云等人使用拉曼光譜尋找出不同瑪瑙礦石的特征峰實(shí)現(xiàn)對(duì)北紅和南紅瑪瑙的分類與鑒定[12]。拉曼光譜作為變壓器氣體故障診斷的手段已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)并用于應(yīng)用，陳新崗等人使用拉曼光譜對(duì)變壓器油中溶解氣體進(jìn)行定量和定性分析，診斷變壓器故障類型[13]，但對(duì)于變壓器老化診斷的應(yīng)用鮮有報(bào)道。顧朝亮等人基于拉曼光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了油紙絕緣微量老化特征物的檢測(cè)[14]，陳偉根等人基于PCA算法從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度證實(shí)了油紙絕緣老化拉曼光譜診斷的可行性[15-17]。拉曼光譜能夠?qū)腆w、液體和氣體進(jìn)行分析，將拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用到變壓器油的分析中，能夠判斷變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的故障類型，同時(shí)能夠反映變壓器油在不同老化階段中不同物質(zhì)的含量以及老化特點(diǎn)[18-19]。本文使用拉曼光譜分析法作為變壓器油紙絕緣系統(tǒng)老化階段的診斷，探索拉曼光譜對(duì)變壓器油的診斷效果可靠性與穩(wěn)定性。

本文提出了一種基于光譜相似度判別的油紙絕緣老化拉曼光譜診斷方法，取得了較好的效果。該方法首先通過合理的加速老化實(shí)驗(yàn)獲取大量油紙絕緣老化樣本，這些樣本覆蓋油紙絕緣老化的全壽命周期；其次，利用拉曼光譜技術(shù)建立油紙絕緣老化拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，挖掘不同老化狀態(tài)樣本譜圖之間的差異；按老化程度不同對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖譜進(jìn)行分類，同時(shí)找到各老化階段的類別中心譜線；在進(jìn)行診斷時(shí)，將待評(píng)估樣本的拉曼譜線與各老化階段的類別中心譜線進(jìn)行相似度比對(duì)，選取最為接近的類別作為待評(píng)估樣本的預(yù)測(cè)診斷結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)

變壓器油的檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室搭建的拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)上進(jìn)行，如圖1所示。激光器選用Cobolt公司生產(chǎn)的低噪聲全固態(tài)半導(dǎo)體連續(xù)激光器，激光功率通過電流穩(wěn)定器和功率控制器穩(wěn)定11.2 mV，光譜的掃描范圍設(shè)置在770～3200 cm-1。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建Semrock出品Edge Filter型濾光模組。為了減小強(qiáng)激光信號(hào)對(duì)油樣產(chǎn)生的影響，檢測(cè)積分時(shí)間設(shè)定為1 s、積分次數(shù)100次，激發(fā)光源波長(zhǎng)為785 nm。激光通過共聚焦顯微鏡聚焦在檢測(cè)點(diǎn)，顯微鏡選用德國(guó)Leica DM2700研究級(jí)顯微鏡，在聚焦點(diǎn)的油樣發(fā)生拉曼散射，通過顯微鏡收集拉曼信號(hào)，之后通過陷波濾波器、光譜儀以及電耦合元件(CCD)進(jìn)行油樣的光譜的實(shí)時(shí)采集，將光譜儲(chǔ)存進(jìn)行后續(xù)分析。平臺(tái)使用ANDOR公司的iDus-416拉曼專用電耦合探測(cè)器，具有較高的靈敏度。

圖1 拉曼檢測(cè)平臺(tái)示意圖Fig.1 Raman spectroscopy ageing characteristic detection platform

2.2 油紙絕緣系統(tǒng)加速熱老化實(shí)驗(yàn)

本文制備老化樣本的方法依據(jù)IEEE導(dǎo)則[20]，在模擬真實(shí)變壓器運(yùn)行情況的密閉設(shè)備中進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)。在變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中包含兩個(gè)組成部分，分別是絕緣油和絕緣紙，在老化實(shí)驗(yàn)中使用的絕緣油型號(hào)為克拉瑪依25號(hào)礦物油，絕緣紙使用厚度為0.2 mm的絕緣牛皮紙。在熱老化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，先對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行干燥處理，處理過程如下：1、將牛皮紙裁剪為5 cm×3 cm大小，絕緣油置入廣口瓶中，并將油和紙置于真空環(huán)境中，溫度控制在90℃，干燥時(shí)間為48h，干燥完成后油和紙的水分含量應(yīng)該控制在10 mg·kg-1和0.5%以下。2、將干燥完成的牛皮紙浸入干燥完成后的絕緣油中，在真空、溫度60 ℃條件下再次干燥24 h，油紙樣本比例控制為10∶1左右。3、在廣口瓶中放入適量銅條以模擬真實(shí)變壓器中銅繞組，再次將樣本放入真空環(huán)境中，90 ℃干燥48 h，充入氮?dú)獠⑶颐芊狻?/p>

實(shí)驗(yàn)樣本干燥完成后，將所有樣本置入老化箱中，進(jìn)行熱老化加速實(shí)驗(yàn)，溫度控制在130 ℃，在老化進(jìn)行的3 d，7 d，12 d，19 d，25 d等時(shí)間點(diǎn)取出油和紙樣本，并對(duì)絕緣紙的聚合度、絕緣油的拉曼光譜進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，拉曼光譜信號(hào)1300～1600 cm-1波峰逐漸上升，如圖2所示。

圖2 不同老化階段油樣拉曼光譜Fig.2 The Raman spectrum of different oil

拉曼原始信號(hào)中由于存在背景噪聲，基線等干擾因素，所以需要對(duì)原始拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行基線修正，平滑等預(yù)處理操作，預(yù)處理使用savitzky-golay濾波法對(duì)原始光譜進(jìn)行濾波[21-22]，絕緣油拉曼光譜預(yù)處理效果如圖3所示。

圖3 油樣濾波效果圖Fig.3 Pretreatment result of Raman spectroscopy

2.3 分析方法

本文構(gòu)建了如圖4所示的診斷思路。對(duì)于未知老化狀態(tài)的油紙絕緣樣本，首先獲取其拉曼光譜圖，然后分別計(jì)算其拉曼譜線與老化初期類別中心譜線、老化中期類別中心譜線、老化末期類別中心譜線的距離，根據(jù)未知樣本拉曼譜線距各類別中心譜線的相似度來確定其更接近于哪一類別的樣本。

圖4 譜圖相似度分析方法Fig.4 Raman spectrum similarity analysis method

在光譜分析領(lǐng)域，光譜相似度的計(jì)算通常采用光譜距離信息計(jì)算和匹配。一條油紙絕緣拉曼譜線由上千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，對(duì)于這種多特征、高維度的數(shù)據(jù)形式，本文在計(jì)算兩條拉曼譜線的距離時(shí)考慮了兩種距離的計(jì)算方法：歐氏距離與卡方距離。

特征向量是圖像檢索中最普遍使用的特征組織形式，歐幾里得距離，簡(jiǎn)稱歐氏距離，是在向量空間中廣泛使用的相似性測(cè)度。將一張油紙絕緣拉曼光譜看作一個(gè)由上千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的特征向量，兩張譜圖的歐式距離可以表示為：

(1)

其中，x表示待評(píng)估的光譜曲線，y表示參考光譜曲線，xi與yi分別為x與y上的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，n為光譜數(shù)據(jù)維度。

卡方距離則是利用列聯(lián)表分析的方法得到一個(gè)卡方統(tǒng)計(jì)量來衡量?jī)蓚€(gè)體之間的差異性，將每張光譜看作一個(gè)個(gè)體就可以引入了卡方距離來進(jìn)行油紙絕緣拉曼光譜相似度的測(cè)定。

卡方距離：

(2)

其中，x表示待評(píng)估的光譜曲線，y表示參考光譜曲線，xi與yi分別為x與y上的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，n為光譜數(shù)據(jù)維度。

此外，簡(jiǎn)森仙農(nóng)散度對(duì)于特征向量為直方圖的情況也是一種常用的相似性測(cè)度，本文也嘗試將它引入到油紙絕緣老化拉曼光譜相似度的測(cè)定中來。

簡(jiǎn)森仙農(nóng)散度：

(3)

其中，x表示待評(píng)估的光譜曲線，y表示參考光譜曲線，xi與yi分別為x與y上的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，n光譜數(shù)據(jù)維度。

從式(1)-(3)可以看出，以上3種相似度判定方式都是在兩張譜圖越相似的情況下數(shù)值(D1、D2、D3)最小，在極端情況下(兩種譜圖完全一樣)D1、D2、D3全部為0。因此在計(jì)算待測(cè)樣本與各老化階段類別中心相似度時(shí)，本文將與待測(cè)樣本拉曼譜線距離最近的類別中心譜線的老化階段認(rèn)定為待測(cè)樣本的老化階段。

3 結(jié)果與討論

3.1 老化階段判定

根據(jù)IEEE的導(dǎo)則，本文設(shè)計(jì)了加速熱老化實(shí)驗(yàn)來獲取不同老化程度的油紙絕緣樣本。而后對(duì)不同老化程度的油紙絕緣樣本進(jìn)行了拉曼光譜檢測(cè)，獲取了它們的拉曼譜圖，最終建立了覆蓋不同老化程度的油紙絕緣拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，具體流程如圖5所示。譜圖庫(kù)中每張譜圖具有兩類信息，一是拉曼譜圖信息，二是老化程度信息。其中拉曼譜圖信息是使用前文所述的拉曼光譜檢測(cè)裝置所獲取的拉曼譜圖，老化程度則是根據(jù)絕緣紙聚合度信息來確定的。

圖5 建立油紙絕緣老化拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.5 Establish the Raman spectral database

絕緣紙的聚合度是目前認(rèn)可度較高的一種反映油紙絕緣老化程度的指標(biāo)，然而在實(shí)際工程中，從運(yùn)行的變壓器采集絕緣紙樣本是不合理的，這也是限制這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。但在加速老化實(shí)驗(yàn)中，絕緣紙樣本的采集比較容易，因此本文選擇它作為評(píng)判老化程度的重要指標(biāo)。參考中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 984-2005[23]，本文根據(jù)聚合度劃分了油紙絕緣樣本的3個(gè)老化階段，如圖6所示。即DP>500為老化初期，此時(shí)油紙絕緣老化較少，絕緣性能較為優(yōu)異；250

圖6 油紙絕緣樣本老化階段的劃分Fig.6 Relationship between average DP and ageing time

通過加速熱老化實(shí)驗(yàn)，本文獲取了50個(gè)老化初期的油紙絕緣樣本、50個(gè)老化中期的油紙絕緣樣本以及50個(gè)老化末期的油紙絕緣樣本。在調(diào)整、固定好儀器參數(shù)后，分別對(duì)這些樣本進(jìn)行了拉曼光譜檢測(cè)，獲取了它們的拉曼譜圖信息，建立了油紙絕緣老化拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 各老化階段拉曼譜線類別中心的建立

對(duì)油紙絕緣老化拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)油紙絕緣拉曼譜圖的基線隨老化程度的不斷加深呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但并非譜線的整體向上平移，前半部分基線上升的幅度要大于后半部分。這種基線的上升主要來源于油紙絕緣老化過程中熒光物質(zhì)的產(chǎn)生，反映在拉曼譜圖中的主要特點(diǎn)為基線的上升。不同老化程度油紙絕緣樣本拉曼譜圖如圖7所示。

圖7 不同老化程度油紙絕緣樣本拉曼譜圖Fig.7 Raman spectra of samples with different aging degrees

本文求取了每個(gè)老化階段的50張拉曼光譜的平均光譜作為相應(yīng)老化階段的拉曼光譜類別中心，如圖8所示。除譜線末端一小部分以外，它們之間具有明顯界限，獨(dú)立可分。因此考慮將它作為老化階段判別的重要參照依據(jù)。

圖8 不同老化階段油紙絕緣拉曼譜線類別中心Fig.8 Center of Raman spectrum in different aging stages

3.3 相似度判別

為了驗(yàn)證前文所提出的油紙絕緣老化拉曼光譜診斷方法，本文利用加速熱老化實(shí)驗(yàn)又獲取了10個(gè)不同老化程度的油紙絕緣樣本來進(jìn)行測(cè)試。

首先通過本文提出的拉曼光譜診斷法來預(yù)測(cè)這10個(gè)樣本的老化階段，然后通過聚合度測(cè)試獲取了這10個(gè)樣本的實(shí)際老化階段進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，其結(jié)果如表1-表3所示。表中的距離都是根據(jù)光譜曲線的光譜特征向量直接計(jì)算而來。

表3 根據(jù)簡(jiǎn)森仙農(nóng)散度的相似度判別結(jié)果Table 3 Confusion matrix for the jensen-sinon divergence

表1 根據(jù)歐式距離的相似度判別結(jié)果Table 1 Confusion matrix for the Euclidean distance

根據(jù)歐式距離的計(jì)算結(jié)果表明，老化初期樣本的拉曼譜線距離老化初期類別中心譜線距離最近，距離老化中期類別中心譜線距離次之，距離老化末期類別中心譜線距離最遠(yuǎn)。老化末期樣本的拉曼譜線則恰恰相反。而老化中期樣本的拉曼譜線則距老化中期類別中心譜線距離最近。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)中的10個(gè)測(cè)試樣本，其老化判別結(jié)果全部正確。

表2 根據(jù)卡方距離的相似度判別結(jié)果Table 2 Confusion matrix for the chi-square distance

根據(jù)卡方距離、簡(jiǎn)森仙農(nóng)散度的計(jì)算判別結(jié)果與根據(jù)歐式距離的計(jì)算結(jié)果都較為相似。不同的是，根據(jù)卡方距離的判別準(zhǔn)確率在本次實(shí)驗(yàn)中要稍稍遜色與其他兩種方式。

從表4中可以看出，對(duì)于油紙絕緣樣本的拉曼光譜診斷而言，基于以上3種方法的相似度判別都具有較好的效果，尤其是利用歐氏距離和簡(jiǎn)森仙農(nóng)散度進(jìn)行相似度判別分析時(shí)，判別正確率達(dá)100%。

表4 三種相似度判別方法結(jié)果對(duì)比Table 4 The compared results of the three methods

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)油紙絕緣老化診斷的不足，本文建立了油紙絕緣老化拉曼光譜半定量診斷模型，以求實(shí)現(xiàn)油紙絕緣老化的快速、準(zhǔn)確診斷，同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)診斷、在線監(jiān)測(cè)提供可能性。

本次實(shí)驗(yàn)中利用基于相似度的拉曼光譜法進(jìn)行油紙絕緣老化診斷具有較高的準(zhǔn)確率，其原因主要在于：

1.建立了合適的各老化階段的3個(gè)類別中心譜線，各類別中心之間具有較高的區(qū)分度。

2.本文利用的是判別對(duì)象和不同老化階段油紙絕緣拉曼譜線類別中心的逐點(diǎn)對(duì)比分析方式，能夠?qū)崿F(xiàn)兩條譜線特征向量的準(zhǔn)確對(duì)比分析。

3.本文獲取的10個(gè)測(cè)試樣本基本都在劃分的老化階段內(nèi)部，對(duì)處于本文所規(guī)定的老化階段分界點(diǎn)附近的樣本(DP=500或DP=250附近)，其診斷效果可能將有所降低。但實(shí)際上，在加速老化實(shí)驗(yàn)中，老化程度的精確控制并不容易，難以通過老化實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)獲取DP等于特定數(shù)值的老化樣本，現(xiàn)有技術(shù)僅能滿足本文實(shí)現(xiàn)大致的老化程度控制。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)油紙絕緣系統(tǒng)的熱老化實(shí)驗(yàn)，本文獲取到不同階段的老化樣本，初步建立了油紙絕緣老化拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，共150個(gè)樣本。

(2)根據(jù)不同老化階段油紙絕緣樣本的拉曼譜圖特點(diǎn)分別建立了老化初期、老化中期、老化末期三個(gè)類別的中心譜線。

(3)根據(jù)待測(cè)樣本拉曼譜線距各類別中心譜線的相似度實(shí)現(xiàn)了基于相似度判別的油紙絕緣老化拉曼光譜診斷，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)中的10個(gè)測(cè)試樣本，診斷準(zhǔn)確率最高達(dá)100%。