電力金具圖像故障狀態(tài)評(píng)估

陸 旭，羅漢武，李文震，張海龍，吳啟瑞，雷 丞

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；3.武漢三江中電科技有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

電力金具在電、熱、力等作用下，會(huì)受到一定的磨損，在輸變電工程強(qiáng)電磁環(huán)境的影響下，表現(xiàn)為磨損部位電場(chǎng)分布不均勻，最終發(fā)生電暈放電的現(xiàn)象，為線路的安全運(yùn)行帶來隱患。傳統(tǒng)放電檢測(cè)方法分為超聲波法、脈沖電流法、紅外成像法，但由于受到電力工程自身強(qiáng)電磁環(huán)境的干擾，以上方法均無法精確定位放電故障位置。

紫外成像技術(shù)的出現(xiàn)，為輸變電工程電氣設(shè)備電暈放電故障定位提供了一種可靠的方案。國(guó)內(nèi)外電力工作機(jī)構(gòu)、高校相繼開展了紫外成像圖譜診斷研究，取得了一定的成效[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]開展了光斑面積與放電強(qiáng)度內(nèi)在規(guī)律的研究，驗(yàn)證了紫外成像技術(shù)用于電暈放電強(qiáng)度的合理性?；谧贤鈭D譜，文獻(xiàn)[6-9]進(jìn)一步研究了環(huán)境因素與高壓電氣設(shè)備電暈放電強(qiáng)度之間的關(guān)系，為輸變電工程前期規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了一定的參考。劉云鵬[10]采用聚類分析的方法，實(shí)現(xiàn)了一種優(yōu)化后的紫外光斑面積提取方法。

目前，紫外圖譜用于電氣設(shè)備放電強(qiáng)度的狀態(tài)評(píng)估較少，一般局限于絕緣子。文獻(xiàn)[11-13]針對(duì)氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated Transmission line，GIL）絕緣子、盤式絕緣子，依據(jù)污穢放電不同階段的特征，劃分了不同層級(jí)放電的嚴(yán)重程度。文獻(xiàn)[14]開展了金具在強(qiáng)風(fēng)沙塵環(huán)境下電暈放電特性的研究，研究了沙粒粒徑與放電強(qiáng)度的宏觀和微觀關(guān)系。為此，本文以電力金具為研究對(duì)象，搭建了電暈放電觀測(cè)平臺(tái)，基于紫外成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)，開展了其不同放電階段的紫外圖譜特征研究。

1 圖像識(shí)別

電力金具放電不明顯，肉眼難以觀測(cè)，紫外成像儀可形象直觀地捕捉到放電信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)的圖像識(shí)別，需要結(jié)合圖像融合技術(shù)和圖像處理技術(shù)。

1.1 圖像融合

如圖1 所示，紫外成像儀鏡頭由兩部分組成，分別可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備反射后的可見光和故障點(diǎn)放電后的輻射光捕捉，然后經(jīng)過光電耦合器（Charge-coupled Device，CCD）和增強(qiáng)型光電耦合器（Intensified Charge-Coupled Device，ICCD）的光電轉(zhuǎn)換作用[15]，最終完整實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備本體上放電光斑的顯示。

圖1 紫外圖像融合技術(shù)Fig.1 Image fusion of UV

1.2 圖像處理

紫外成像儀采集到的圖像為視頻流，為了定量實(shí)現(xiàn)光斑面積的計(jì)算，主要包含背景差分、噪聲抑制和特征提取3 部分。

主成分分析法適用于背景圖像提取，電氣設(shè)備為靜止圖像，放電光斑為運(yùn)動(dòng)圖像，利用這一特點(diǎn)，可基于背景差分原理進(jìn)行幀差法計(jì)算：

式中：B(x,y,t)表示t時(shí)刻像素點(diǎn)(x,y)的灰度值；ΔBt(x,y)表示t時(shí)刻灰度差值。

然后進(jìn)行閾值判斷：

式中：ε為背景差分的閾值。

噪聲抑制主要基于中值濾波、閾值分割和形態(tài)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)放電光斑輪廓提取。形態(tài)學(xué)處理主要包含開閉運(yùn)算，即腐蝕與膨脹運(yùn)算。

最終，統(tǒng)計(jì)所有邊界區(qū)域內(nèi)的像素?cái)?shù)，從而計(jì)算其光斑面積。若將放電區(qū)域灰度值為255 的點(diǎn)定義為1，則光斑面積為A區(qū)域中1 的總數(shù)S為：

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

依據(jù)GB/T 2317.2，搭建懸垂式電力金具電暈試驗(yàn)布置圖，如圖2 所示。為完整模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，需配置模擬橫擔(dān)和模擬導(dǎo)線。試驗(yàn)電源逐步升高電壓，直至達(dá)到試驗(yàn)金具的測(cè)試電壓，待產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電，通過紫外成像儀記錄放電視頻。

圖2 電力金具電暈試驗(yàn)布置圖Fig.2 Corona test layout of electric power fittings

2.2 試驗(yàn)方案

均壓環(huán)常用于330 kV 線路中，因?yàn)閷?dǎo)線的端部效應(yīng)，兩端電場(chǎng)分布不均勻，容易產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，均壓環(huán)起到均壓屏蔽的作用，同時(shí)也可能造成自身閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)，為此，本文以均壓環(huán)作為電力金具的典型部件，進(jìn)行電暈試驗(yàn)。

試驗(yàn)中采用330 kV 復(fù)合絕緣子，內(nèi)側(cè)彎曲半徑為220 mm、管徑為32 mm 的均壓環(huán)，系統(tǒng)額定電壓為330 kV，紫外成像儀采用南非的CoroCAM504。由于均壓環(huán)經(jīng)過拋光處理，表面光滑，干燥情況下改變電壓僅能發(fā)生微弱的電暈放電，為此可通過改變均壓環(huán)表面的濕度，達(dá)到強(qiáng)烈放電的目的。

2.3 光斑面積歸一化研究

光斑面積可用于設(shè)備放電強(qiáng)度的定量分析，較光子數(shù)分析更精確[2]。由紫外成像儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及光學(xué)原理可知，當(dāng)增益固定不變時(shí)，基于三角形相似定理，光斑面積So與內(nèi)部ICCD的成像面積Si呈現(xiàn)正比例關(guān)系，見式(6)。

式中：v為像距；k為比例系數(shù)；d為觀測(cè)距離。當(dāng)增益和電壓等級(jí)一定時(shí)，v值固定不變，此時(shí)，光斑面積與觀測(cè)距離成冪指數(shù)關(guān)系。

電壓等級(jí)分別取200 kV、250 kV、300 kV、330 kV，增益設(shè)置為70%，為此，開展5m、10 m、15m、20m下不同觀測(cè)距離的研究，對(duì)捕捉到的放電圖像進(jìn)行定量計(jì)算，并繪制不同電壓的光斑面積曲線，如圖3所示。

按照電壓等級(jí)進(jìn)行光斑面積與觀測(cè)距離的冪指數(shù)擬合，匯總?cè)绫?所示。

圖3 光斑面積與觀測(cè)距離關(guān)系圖Fig.3 Relation diagram of spot area and observation distance

表1 不同電壓等級(jí)下的擬合表達(dá)式Table 1 Fitting expressionsunder different voltage level s

由表1可知，在電壓一定時(shí)，擬合度接近1，說明光斑面積與觀測(cè)距離近似成冪指數(shù)關(guān)系。由于實(shí)際測(cè)量過程中，觀測(cè)距離會(huì)有所變化，所以需要對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，設(shè)定10m 觀測(cè)距離為標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可得出如下結(jié)論：

2.4 對(duì)比試驗(yàn)

電力金具放電強(qiáng)度一般通過局部放電測(cè)試儀進(jìn)行評(píng)估，即檢測(cè)到的放電量表征電力金具放電狀態(tài)。為此，需對(duì)放電光斑面積和放電量之間的關(guān)系進(jìn)行研究，參照?qǐng)D2搭建測(cè)試環(huán)境，電力金具外接取樣電阻，通過局部放電測(cè)試儀采集放電信號(hào)，對(duì)比不同電壓等級(jí)下的放電量和光斑面積，繪制曲線如圖4所示。

圖4 光斑面積與放電量的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of spot area and discharge capacity

通過Matlab仿真計(jì)算工具，對(duì)光斑面積和放電量的數(shù)值進(jìn)行線性擬合分析，可得：

式中：q為放電量；s為光斑面積，擬合度為0.99，所以可以證明光斑面積表征電力金具的放電強(qiáng)度是合理的。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 紫外圖像特征

參考高壓電氣設(shè)備放電發(fā)展過程，主要由3個(gè)階段組成，如圖5所示。

圖5(a)為電暈放電階段，均勻環(huán)的電暈起始電壓大約為245kV，此時(shí)電暈聲并不明顯，紫外成像儀僅能檢測(cè)到部分零星的光斑，而且放電并不穩(wěn)定。通過均壓環(huán)表面濕度的增加，放電強(qiáng)度會(huì)逐步加強(qiáng)，光斑路徑會(huì)逐步擴(kuò)展，但光斑面積序列的波動(dòng)較小。

圖5(b)為小電弧階段，當(dāng)測(cè)試電壓達(dá)到300kV時(shí)，均壓環(huán)表面會(huì)交替出現(xiàn)較大光斑和較小光斑，但大光斑持續(xù)的時(shí)間較短，一般僅持續(xù)1～5s左右。隨著濕度的增加，大光斑持續(xù)時(shí)間和發(fā)生幾率會(huì)相應(yīng)增加，會(huì)聽到明顯的放電聲音，在黑暗情況下可以看見細(xì)絲狀電弧，同時(shí)光斑面積序列的波動(dòng)較大。圖5(c)為強(qiáng)烈火花放電階段，當(dāng)測(cè)試電壓達(dá)到320kV 時(shí)，均壓環(huán)表面會(huì)出現(xiàn)較大光斑，同時(shí)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，放電現(xiàn)象比較穩(wěn)定。該階段放電比較強(qiáng)烈，可以聽到明顯的嘶嘶聲，可觀測(cè)較多的放電通道。

圖5 均壓環(huán)電暈放電紫外圖像Fig.5 UV image of corona discharge for grading ring

3.2 狀態(tài)評(píng)估

統(tǒng)計(jì)不同濕度情況下，放電光斑面積隨電壓等級(jí)變化的曲線如圖6所示。濕度低一般指均壓環(huán)濕潤(rùn)，但其下表面未聚成明顯的水滴，濕度高一般指均壓環(huán)內(nèi)外徑表面均有水膜覆蓋，同時(shí)其下表面可見較大的水滴。

圖6 不同濕度情況下光斑面積變化Fig.6 Spot area changesunder different humidity conditio ns

在濕度一定的情況下，隨著電壓增加，光斑面積也相應(yīng)增加。在電壓等級(jí)一定的情況下，隨著濕度增加，光斑面積也相應(yīng)增加。經(jīng)過歸一化計(jì)算，當(dāng)增益為70%，觀測(cè)距離為10m 時(shí)，電暈放電階段，放電光斑面積約為1000像素；小電弧階段，放電光斑面積約為5000像素；強(qiáng)烈火花放電階段，放電光斑面積約為10000像素。

低電壓等級(jí)下，金具表面僅有微弱的電暈放電時(shí)，電離區(qū)域較小，屬于較安全的狀態(tài)。隨著電壓的增加，放電區(qū)域逐步擴(kuò)展，電離區(qū)域擴(kuò)大，發(fā)出清晰的放電聲，金具處于較危險(xiǎn)的狀態(tài)。待進(jìn)入強(qiáng)烈火花放電階段，放電通道增加，放電進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，此時(shí)進(jìn)入高危狀態(tài)。當(dāng)增益為70%時(shí)，觀測(cè)距離為10m，統(tǒng)計(jì)不同類型的電力金具不同放電階段的光斑面積，電力金具安全狀態(tài)分為無缺陷，一般缺陷，嚴(yán)重缺陷，緊急缺陷4個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的3個(gè)界限值匯總見表2。

表2 電力金具放電強(qiáng)度狀態(tài)評(píng)估Table 2 Estateevaluation for discharge intensity of elect ric power fittings

瓷絕緣子鐵腳和均壓環(huán)放電光斑面積比較大，對(duì)于緊急缺陷，需要及時(shí)更換處理，以免造成線路安全事故。

4 結(jié)論

針對(duì)電力金具放電強(qiáng)度，基于圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行紫外光斑面積的特征提取，并開展了電暈放電試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

1）光斑面積與放電量呈線性關(guān)系，光斑面積表征電力金具放電強(qiáng)度是合理的。

2）光斑面積隨電力金具放電強(qiáng)度增加而增加。當(dāng)增益為70%時(shí)，觀測(cè)距離為10m時(shí)，電暈放電階段，放電光斑面積約為1000像素；小電弧階段，放電光斑面積約為5000像素；強(qiáng)烈火花放電階段，放電光斑面積約為10000像素；

3）根據(jù)紫外圖像特征，電力金具分為無缺陷，一般缺陷，嚴(yán)重缺陷，緊急缺陷4個(gè)狀態(tài)。

本結(jié)論為電力金具提供了定量化的評(píng)估指標(biāo)，為輸變電線路運(yùn)維提供了技術(shù)支撐。