红外检测技术在变压器绕组温度监测中的数据处理方法

变压器绕组温度是反映设备运行状态的核心参数，直接关系到绝缘寿命与运行安全。红外检测技术因非接触、实时性强的特点，在绕组温度监测中广泛应用，但红外数据易受环境辐射、镜头污染、被测目标发射率波动等干扰，需通过专业数据处理方法还原真实温度信息。本文聚焦红外检测在变压器绕组温度监测中的数据处理关键环节，从原始数据预处理、发射率修正、环境干扰补偿到温度场重构等维度，拆解具体方法与实际应用逻辑。

原始红外数据的预处理：降噪与异常值剔除

红外检测的原始数据从传感器输出时，会携带热噪声（元件温度波动）、量子噪声（光子计数波动）、电路噪声（放大器电流噪声），表现为图像“雪花点”或温度值跳变。常用降噪方法中，均值滤波适合均匀噪声但易模糊边缘，中值滤波对椒盐噪声（镜头瞬间遮挡）效果更好，小波变换通过多尺度分解保留边缘细节——某电网系统用db4小波基对绕组红外图像做3层分解，信噪比从25dB提升至38dB，清晰保留了匝间缝隙的温度梯度。

异常值多由电磁干扰（附近母线电流变化）或传感器误触发引起，表现为单像素点温度骤升骤降。3σ原则是常用剔除方法：计算数据均值μ和标准差σ，超出[μ-3σ, μ+3σ]的视为异常；箱线图法则通过四分位数（Q1、Q3）计算上下限（Q1-1.5IQR、Q3+1.5IQR），更适合非正态分布数据。某110kV变压器监测中，电磁干扰导致多个200℃异常值，箱线图法剔除后数据回归60-80℃的正常范围。

预处理需避免“过度”：过度降噪会丢失温度梯度细节，过度剔除可能漏掉真实过热点。需结合设备历史数据——比如满负荷时绕组温度比轻载高20-30℃，预处理时要保留这种正常波动，防止误删有效数据。

发射率修正：解决目标辐射特性的不确定性

红外测温的核心公式是斯特藩-玻尔兹曼定律：M=εσT⁴（M为辐射出射度，ε为发射率，σ为常数，T为绝对温度）。若ε不准确，温度计算偏差极大——铜绕组ε从0.7误算为0.6，温度会高估约10℃。变压器绕组的ε受材质（铜0.6-0.7、铝0.7-0.8）、表面状态（氧化后上升0.1-0.2、油污后下降0.05-0.1）影响，必须定期修正。

直接测量法是将绕组样本放入黑体炉，设置已知温度T0，用红外相机测辐射量M，代入ε=M/(σT0⁴)计算；间接法则在现场放已知ε的参考目标（如ε=0.95的高温漆块），对比参考目标与绕组的辐射量反推ε。某变压器厂试验中，铜绕组样本经黑体炉校准得ε=0.68，现场氧化后ε升至0.75，修正后温度误差从±8℃降至±2℃。

无法现场测量时，可采用“动态调整法”：结合负荷电流与热路模型算理论温度，对比红外测量值反推ε。比如负荷80%时热路模型算得75℃，红外测82℃，则ε需从0.68调至0.72，修正后温度匹配理论值。

环境干扰补偿：消除背景辐射与大气衰减的影响

红外相机接收的辐射量含背景辐射（周围开关柜、墙壁的热辐射）和大气衰减（水蒸气、CO₂吸收）。背景辐射用“背景扣除法”补偿：拍背景区域算平均辐射量Mb，从原始辐射量M中减去Mb×(1-τ)（τ为大气透射率）。某户外变电站夏季中午墙壁温度40℃，不扣除背景时绕组温度高估15℃，扣除后恢复正常。

大气衰减需算透射率τ，常用MODTRAN模型（中等分辨率大气透过率模型），输入测量距离（1-5米）、环境温度、湿度。比如距离3米、30℃、湿度60%时，τ≈0.98（衰减2%）；距离10米时τ≈0.95（衰减5%）。现场可预建τ查找表，根据实时环境参数快速调用补偿。

镜头污染会降低透射率，需定期校准：用标准黑体测镜头透过率，低于0.95则清洁。某变电站相机因积灰，透过率降至0.85，温度测值偏低12℃，清洁后恢复正常。

温度场空间配准：实现绕组区域的精准定位

红外图像是二维的，绕组是三维结构（高压在外、低压在内的圆筒状），需将像素点对应到具体部位（如高压外层第3匝）才能准确判断过热位置。空间配准的核心是“特征匹配”：先获取绕组CAD模型或高清照片，提取特征点（上端部、接线端子、绝缘边缘）；再在红外图像中找对应点，用透视变换将图像与模型对齐。

某变压器监测系统中，标记5个特征点（高压上端左右角、低压上端中心、高压下端左右角），在红外图像中找对应位置后做透视变换，实现像素点与绕组部位的精准对应。配准后能明确“高压外层第3匝”温度，而非笼统的“绕组上部”。

配准精度需控制在2mm内——若误差超5mm，可能将“低压过热”误判为“高压过热”。定期用激光测距仪验证特征点位置，确保配准准确性。

多源数据融合：提升温度监测的可靠性

红外是区域监测但易受干扰，热电偶是定点监测但覆盖小，多源融合能互补优势。加权平均法按误差方差分配权重：红外误差σ₁²=4℃²，热电偶σ₂²=1℃²，权重w₁=0.2、w₂=0.8，融合后误差降至±0.9℃。某220kV变压器用此方法，融合后温度与温升试验结果误差±1℃内。

贝叶斯融合通过概率模型处理不确定性：先验概率是历史温度分布，似然概率是当前测量可信度，后验概率是融合结果。比如红外测75℃（可信度0.8）、热电偶测78℃（可信度0.9），历史均值76℃，融合后得77℃（可信度0.92）。

还可结合油色谱数据（如H₂浓度）：若H₂从10ppm升至50ppm（说明过热），增加红外中过热区域的权重。某变压器油色谱异常时，红外显示高压区域85℃，融合后将该区域监测等级从“正常”提至“预警”，检修发现匝间绝缘老化。

温度场重构：从二维图像到三维绕组温度分布

红外仅能测表面温度，内部匝间温度才是绝缘老化关键（表面70℃，内部可能因绝缘热阻升至90℃）。温度场重构通过表面数据算内部分布，常用插值法和有限元法。

插值法适合简单绕组：线性插值用表面点算内部点，三次样条插值拟合更平滑。某低压变压器用10个表面点做三次样条插值，得匝间温差5℃，与实际一致。

有限元法（FEM）适合复杂高压绕组：建三维模型（绕组、绝缘、油路），设材料参数（铜导热398W/(m·K)、绝缘纸0.12W/(m·K)），用红外表面温度做边界条件，求解热传导方程得内部分布。某110kV变压器模型中，表面75℃，内部匝间88℃，检修发现绝缘纸聚合度下降，验证了重构准确性。

模型准确性是关键——绝缘层厚度误算为2mm（实际1mm），内部温度会低估10℃。需结合出厂数据和检修记录定期更新模型，确保重构精度。