乙丙橡膠電纜終端氣隙局部放電過(guò)程及特征提取

郭 蕾，曹偉東，白龍雷，邢立勐，項(xiàng)恩新，周利軍

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

乙丙橡膠（ethylene propylene rubber，EPR）電纜作為高速列車的電力傳輸媒介，其絕緣狀況與高速列車的安全、可靠運(yùn)行息息相關(guān).隨著我國(guó)高速列車的蓬勃發(fā)展，EPR 電纜終端內(nèi)部氣隙缺陷所引發(fā)的局部放電現(xiàn)象日益引起關(guān)注和重視.現(xiàn)有研究表明[1-3]，電纜終端的制作及安裝需要人工操作完成，極易因在終端內(nèi)絕緣表面劃切而造成氣隙缺陷，引發(fā)缺陷處放電現(xiàn)象，在一定程度上加劇電纜擊穿事故的發(fā)生和嚴(yán)重程度.研究和掌握EPR 電纜終端內(nèi)部氣隙缺陷的放電過(guò)程及特征，提高電纜終端的運(yùn)行可靠性迫在眉睫.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類缺陷存在情況下的交聯(lián)聚乙烯電纜局部放電問(wèn)題開(kāi)展了深入的研究，其研究結(jié)果表明電纜局部放電過(guò)程中蘊(yùn)含豐富的特征信息，可為診斷其絕緣狀態(tài)提供重要參考.Alexander等[4]研究了交聯(lián)聚乙烯絕緣與應(yīng)力管間存在氣隙情況下的放電過(guò)程，指出氣隙中的空氣在電場(chǎng)作用下不斷發(fā)生老化分解，老化分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生額外的電子和離子，該過(guò)程進(jìn)一步加快了氣隙擊穿；劉剛等[5]研究了10 kV 交聯(lián)聚乙烯電纜終端主絕緣含不同寬度氣隙時(shí)的放電特性，指出氣隙寬度越窄，該處電場(chǎng)畸變?cè)酱螅菀滓l(fā)局部放電；姜蕓等[6]研究了交聯(lián)聚乙烯電纜接頭部位含尖端缺陷時(shí)的放電特性，指出尖端處的電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，且不同電壓等級(jí)下的放電特性譜圖有明顯的差異，并根據(jù)二維小波變化提取了放電譜圖特征；常文治等[7]針對(duì)硅橡膠和交聯(lián)聚乙烯交界面處存在金屬顆粒缺陷時(shí)的沿面放電特性開(kāi)展試驗(yàn)，結(jié)果表明根據(jù)放電平均能量、總能量及放電次數(shù)可將放電過(guò)程劃分為4 個(gè)階段，且可從局部放電相位（phase resolved partial discharge，PRPD）譜圖中提取出兩個(gè)局部放電特征量.

目前，眾多學(xué)者針對(duì)交聯(lián)聚乙烯類型電纜的放電特性研究已開(kāi)展了大量的工作，但由于EPR 電纜應(yīng)用場(chǎng)所特殊，且前期的使用量較少，有關(guān)EPR 電纜及其終端內(nèi)部缺陷的局放現(xiàn)象及特征提取的研究較為匱乏，尚無(wú)文獻(xiàn)對(duì)終端內(nèi)氣隙缺陷的完整放電過(guò)程開(kāi)展研究工作，給EPR 電纜絕緣狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)帶來(lái)了困難.因此為保障包括高速列車在內(nèi)的各類重要裝備的可靠運(yùn)行，亟需圍繞EPR 電纜終端內(nèi)部氣隙缺陷的放電過(guò)程及特征提取開(kāi)展研究.

文中采用高速列車用25 kV EPR 電纜制備了含氣隙缺陷的電纜終端試樣.通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)記錄了試樣從起始放電到絕緣擊穿全過(guò)程的放電參量，以及其PRPD 譜圖的演化過(guò)程.根據(jù)放電參量的變化趨勢(shì)將放電過(guò)程分為3 個(gè)階段，通過(guò)Gaussian 金字塔和灰度共生矩陣對(duì)放電全過(guò)程的PRPD 譜圖進(jìn)行特征提取，并分析了其有效性.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 缺陷試樣制備

試驗(yàn)樣品由高速列車用EPR 材料型號(hào)為QTOJ30G-25 kV 的熱縮型電纜制作完成.試驗(yàn)中，含缺陷試樣的制作過(guò)程如下：

步驟1剝?nèi)ル娎|傘裙、外護(hù)套80 cm；剝?nèi)ネ馄帘巍⑼獍雽?dǎo)體層75 cm，露出主絕緣；截去端部絕緣7 cm，露出纜芯.

步驟2在EPR 絕緣上制作氣隙缺陷：在絕緣表面上制作長(zhǎng)×寬×深為100 mm×0.5 mm×1 mm的凹槽，以模擬在制作接頭或終端過(guò)程中因制作人員操作不當(dāng)使得橡膠絕緣受損，導(dǎo)致熱縮管與絕緣間出現(xiàn)氣隙的現(xiàn)象.由于目前并未有氣隙缺陷制作的標(biāo)準(zhǔn)，上述氣隙缺陷是參照行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]所論述的方法進(jìn)行制作的.

步驟3按照電纜附件制作規(guī)范，將電纜終端安裝完成.需要說(shuō)明的是，文中共制作了5 個(gè)相同試樣進(jìn)行了多次試驗(yàn)，文中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析過(guò)程均是在多組試樣樣本、多次試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行的，并基于試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)頻率最多和最為典型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性及后文分析參數(shù)的普適性.

1.2 局部放電試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)中采用脈沖電流法對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行采集，試驗(yàn)接線如圖1 所示，圖中：試驗(yàn)變壓器為TQSW 無(wú)局部放電工頻試驗(yàn)變壓器，其容量為10 kV?A，額定電壓為100 kV；高壓電阻阻值為400 MΩ；分壓器的分壓比為1000∶1；耦合電容為1000 pF；采用MPD 600 測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行局部放電測(cè)試.

1.3 加壓方式

為了研究氣隙缺陷下EPR 電纜局部放電全過(guò)程的參數(shù)及特性，文中采用逐步升壓法與恒壓法結(jié)合的方式，該方式一方面是為了盡可能地模擬實(shí)際工況中EPR 電纜終端的受壓方式，另一方面也可加速試樣放電過(guò)程，起到縮減試驗(yàn)時(shí)間的作用，加壓方式如圖2 所示，其步驟如下：

步驟1緩慢升壓至電纜試樣出現(xiàn)起始放電，根據(jù)相關(guān)研究，將起始放電定義為測(cè)得的放電量高于背景放電量2 倍及以上，并維持1 min 左右[10]，由于試驗(yàn)在屏蔽大廳中進(jìn)行，背景放電量穩(wěn)定在5 pC左右，故當(dāng)測(cè)得放電量在10 pC 或以上，并維持1 min時(shí)，即認(rèn)為出現(xiàn)了局部放電活動(dòng).

步驟2在起始電壓U0下持續(xù)1 h，放電參量無(wú)明顯變化后，以2.0 kV 為升壓步長(zhǎng)繼續(xù)加壓并維持1 h，以該加壓方式加壓至37.5 kV 后，電壓維持不變，直至試樣擊穿.

步驟3對(duì)擊穿試樣進(jìn)行解剖并分析氣隙缺陷下EPR 電纜的放電過(guò)程及特征.

2 氣隙缺陷下局部放電特性分析

2.1 放電階段劃分

在整個(gè)放電過(guò)程中，對(duì)于同一放電參量，其幅值差很大，以放電量峰值Qpeak而言，在60 min 處的Qpeak值為86.493 pC，而在660 min 處的Qpeak值為340433.300 pC，增加了4 個(gè)數(shù)量級(jí).為了清晰地反應(yīng)在整個(gè)放電過(guò)程中放電參量的變化規(guī)律，文中對(duì)放電參量幅值取對(duì)數(shù)處理.圖3 為放電過(guò)程中，放電量峰值Qpeak、平均放電量Qavg、放電次數(shù)N隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖.

圖3 Qpeak、Qavg、N 隨時(shí)間變化Fig.3 Changes of Qpeak，Qavg and N with time

為了定量分析各曲線隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，繪制出各曲線在10 min 內(nèi)Qpeak、Qavg、N的幅值斜率絕對(duì)值隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖，如圖4 所示.幅值斜率絕對(duì)值反映了10 min 內(nèi)幅值的變化情況，由圖中可看出：在0～280 min 內(nèi)，隨時(shí)間變化較為平緩，其值分布在0～0.02 間，而和kN隨時(shí)間變化略有波動(dòng)，其值分布在0～0.04 間；在280～620 min 內(nèi)，隨時(shí)間變化波動(dòng)均較大；在620 min 后，兩條曲線在有兩次波動(dòng)后，其余時(shí)間均近乎為直線，雖然kN的變化趨勢(shì)在620～720 min 內(nèi)與280～620 min 內(nèi)的變化趨勢(shì)類似，但在720～820 min 內(nèi)，三者隨時(shí)間間變化趨勢(shì)類似.

圖4 、、kN 隨時(shí)間變化Fig.4 Changes of ， and kN with time

基于以上分析，綜合考慮Qpeak、Qavg、N三者的斜率絕對(duì)值隨時(shí)間變化趨勢(shì)，將整個(gè)放電過(guò)程分為3 個(gè)階段，分別為放電發(fā)展階段0～280 min、放電持續(xù)階段280～620 min、臨近擊穿階段620 min～.

2.2 各階段放電量變化過(guò)程分析

圖5 為整個(gè)放電過(guò)程中各階段放電量隨時(shí)間變化的趨勢(shì).由圖中可知，在放電發(fā)展階段，放電量總體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，幅值分布在20～200 pC，在每一個(gè)加壓點(diǎn)，放電量都有不同幅度的激增，在270 min左右出現(xiàn)了幅值較為突出的脈沖放電，如圖5（a）虛線橢圓框所示.

圖5 放電量隨時(shí)間變化Fig.5 Discharge output varing with time

在放電持續(xù)階段，放電開(kāi)始出現(xiàn)“激增、抑制”現(xiàn)象，即在每一次大脈沖放電出現(xiàn)后，后續(xù)的放電量被抑制，增長(zhǎng)趨勢(shì)變得平緩，如圖5（b）虛線箭頭所示，300～360 min 內(nèi)出現(xiàn)大脈沖放電后，后續(xù)的放電變平緩，在440 min 和460 min 附近的放電量同樣有上述的變化規(guī)律.而在565 min 左右，出現(xiàn)了810 nC左右的放電脈沖，表明此時(shí)電纜絕緣性能開(kāi)始顯著下降.在后續(xù)的一小時(shí)左右，即565～ 600 min 內(nèi)，放電量變化的規(guī)律同樣出現(xiàn)了“激增、抑制”現(xiàn)象.

在臨近擊穿階段，在640、660、670 min 附近出現(xiàn)了較大脈沖放電，隨后放電量穩(wěn)定在100～300 nC間，且無(wú)放電量激增現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)終端試樣內(nèi)部發(fā)出“砰、砰······”沉悶聲，并在820 min左右發(fā)生擊穿現(xiàn)象.

2.3 各階段PRPD 譜圖變化過(guò)程分析

PRPD 譜圖是局部放電檢測(cè)手段中一個(gè)重要的工具[11-12].目前，大都只挑選了某個(gè)放電階段內(nèi)典型的PRPD 譜圖作為該階段的代表譜圖進(jìn)行分析，可以反映該放電階段PRPD 譜圖的大致形狀，但是若一個(gè)放電階段內(nèi)PRPD 譜圖變化不是規(guī)律變化，而是出現(xiàn)了多種形態(tài)，上述做法將會(huì)丟失大量放電信息.故文中通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)氣隙缺陷下EPR 電纜從起始放電至擊穿全過(guò)程的PRPD 譜圖變化情況進(jìn)行了記錄和分析.

圖6 為放電發(fā)展階段PRPD 譜圖隨時(shí)間演變圖，其施加電壓U為13.5～21.5 kV，時(shí)間t為0～280 min.圖中：紅色線為施加的正弦波電壓；綠色線為幅值為0 的電壓（圖7、8 同）.

圖6 放電發(fā)展階段PRPD 譜圖隨時(shí)間演變Fig.6 Time-dependent evolution of PRPD spectra in discharge development stage

從圖6（a）可以看出：在開(kāi)始加壓60 min 內(nèi)，放電量在10～133 pC，放電相位集中在[25°，133°]和[211°，295°]，正半軸的放電圖案形似“兔耳狀”，即圖案呈現(xiàn)兩邊凸，中間凹的趨勢(shì)；負(fù)半周的放電圖案形似“火焰狀”，即放電密集區(qū)域集中在低幅值區(qū)域中部，高幅值區(qū)域和低幅值區(qū)域邊界的放電較為稀疏.圖6（b）～（d）中放電量幅值、相位寬度隨電壓、時(shí)間有所增長(zhǎng)，但其正、負(fù)半周圖案形狀與圖6（a）類似.值得注意的是，在圖6（e）中，正半軸圖案不再是“兔耳狀”，而演變?yōu)椤盎鹧鏍睢保瑫r(shí)，雖然負(fù)半周圖案形似“火焰狀”，但在其上方出現(xiàn)了一小簇放電，如圖6（e）中虛線框所示，結(jié)合圖5（a）中虛線框所示推測(cè)，此處的放電是由于激增的放電脈沖導(dǎo)致，同時(shí)這也是放電進(jìn)入下一階段的信號(hào).

圖7 為放電持續(xù)階段PRPD 譜圖隨時(shí)間演變圖，其施加電壓為23.5～33.5 kV，時(shí)間段為280～620 min.對(duì)比分析圖6（e）和圖7（a）發(fā)現(xiàn)，圖6（e）中的一小簇放電發(fā)展成為“尖刺狀”放電，如圖7（a）中虛線所示.不難發(fā)現(xiàn)，在圖7（a）～（f）中都有明顯的“尖刺狀”放電現(xiàn)象，結(jié)合圖5（a）和圖5（b）中放電量變化趨勢(shì)，可推測(cè)“尖刺狀”放電是由大脈沖放電導(dǎo)致.當(dāng)加壓至33.5 kV，累計(jì)時(shí)間565 min 時(shí)，如圖7（g），PRPD 圖譜中全相位都出現(xiàn)了放電量，且最大放電量幅值為875 nC 左右，為前一階段最大放電量幅值的40 倍左右，但后續(xù)的放電量較擊穿前的放電量并未有太大變化，說(shuō)明在該電壓、時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，電纜終端試樣內(nèi)部EPR 絕緣性能已顯著降低，可能處于臨界擊穿的狀態(tài).

圖7 放電持續(xù)階段PRPD 譜圖隨時(shí)間演變Fig.7 Time-dependent evolution of PRPD spectra in discharge duration stage

圖8 為臨近擊穿階段PRPD 譜圖隨時(shí)間演變圖，其施加電壓為35.5～37.5 kV，時(shí)間段為620～820 min.需要說(shuō)明的是：由于在565 min 時(shí)發(fā)生EPR絕緣性能顯著下降，臨界擊穿后，PRPD 圖譜出現(xiàn)了全相位放電，導(dǎo)致后續(xù)的放電量變化無(wú)法在圖譜中展示，故文中將565 min 前的累計(jì)圖譜清空后，重新記錄放電信息.PRPD 譜圖的變化.

重新記錄的PRPD 譜圖如圖8（a）所示，正、負(fù)半周放電量幅值基本一致，最大放電量幅值穩(wěn)定在13 nC 左右，圖案均呈“火焰狀”分布.在640～670 min 時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了3 次大脈沖放電，如圖5（c）中矩形虛線框所示.此時(shí)的PRPD 累計(jì)圖如圖8（b）所示，放電量再次全相位出現(xiàn)，且幅值高達(dá)630 nC左右，為前一時(shí)刻放電幅值的48 倍左右.

圖8 臨近擊穿階段PRPD 譜圖隨時(shí)間演變Fig.8 Time-dependent evolution of PRPD spectra in near-breakdown stage

將670 min 時(shí)的PRPD 譜圖清零，圖8（c）為清零后20 min 內(nèi)累計(jì)的PRPD 圖像，此時(shí)圖像與628 min時(shí)的圖像形狀近似，但其圖像外圍放電增加，最大放電量幅值穩(wěn)定在30 nC 左右.

在720～820 min 時(shí)間段內(nèi)，PRPD 譜圖開(kāi)始呈現(xiàn)出特殊規(guī)律性.由圖8（d）～（g）中可看出，正、負(fù)半周圖案呈現(xiàn)略微“右傾”趨勢(shì)，且在負(fù)半周圖案下方有一缺口，如圖8（g）虛線框所示.隨著時(shí)間變化，譜圖中最大放電量基本穩(wěn)定在400 nC 左右.

820 min 時(shí)，終端試樣內(nèi)部發(fā)出“砰、砰······”聲，停止試驗(yàn)，對(duì)EPR 電纜缺陷處進(jìn)行了解剖.解剖發(fā)現(xiàn)外絕緣管上無(wú)明顯現(xiàn)象，而在內(nèi)層應(yīng)力管、氣隙缺陷附近的主絕緣區(qū)域炭化痕跡明顯，氣隙處絕緣被燒灼、炭化痕跡明顯.

2.4 終端試樣氣隙缺陷放電特點(diǎn)分析

在EPR 絕緣氣隙缺陷處發(fā)生局部放電需要兩個(gè)先決條件：1）氣隙內(nèi)存在激發(fā)電子產(chǎn)生放電；2）氣隙處場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)[13].

對(duì)于條件1），激發(fā)電子由外界光輻射或前一次局部放電遺留的空間電荷脫陷產(chǎn)生；對(duì)于條件2），氣隙處的場(chǎng)強(qiáng)Eg，主要取決于外施場(chǎng)強(qiáng)E0和氣隙內(nèi)表面電荷累計(jì)的反向場(chǎng)強(qiáng)Er，如圖9 所示，其中Eg=E0?Er.

圖9 絕緣內(nèi)部氣隙放電機(jī)理Fig.9 Mechanism of air-gap discharge in insulation

條件1）中，對(duì)于光致電離，情況較為復(fù)雜，隨機(jī)性太大，文中未做分析，而主要考慮前一次局部放電遺留的空間電荷脫陷形成激發(fā)電子的作用，電荷脫陷的概率分布服從Richardson-Schottky 定律[14]：

式中：P(t)為時(shí)刻t激發(fā)電子脫陷概率；Ne(t)為時(shí)刻t氣隙表面可脫陷的電子數(shù)；E(t)為時(shí)刻t氣隙內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度；ξ為絕緣介質(zhì)表面對(duì)電子的吸收率（ξ<1）；t0為初次電子激發(fā)時(shí)刻；q0為時(shí)刻t0的一次放電量；φ為絕緣介質(zhì)表面脫陷功函數(shù)；τ為消逝常數(shù)；e為基本電荷；ν0為光電離常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；ε0為真空介電常數(shù).

條件2）中，E0由外施電壓決定，Er由累積在氣隙內(nèi)壁的電子數(shù)量決定，而氣隙內(nèi)壁電子數(shù)量又由內(nèi)壁電子的累積速度和消散速度決定.累積速度取決于前一次放電脈沖的強(qiáng)度，放電脈沖越強(qiáng)，累積電子數(shù)量越多[15].電子消散速度取決于三方面[16-18]：1）與上一次局部放電累積的正電荷中和；2）外施交流電極性反轉(zhuǎn)時(shí)表面累積電子脫落；3）通過(guò)介質(zhì)電導(dǎo)注入電極.

試驗(yàn)過(guò)程中，隨著開(kāi)始加壓至15.0 kV，在施加電壓的正半周，E0逐漸增大，放電量幅值隨之增大；Er逐漸增大，Eg逐漸減小.根據(jù)式（1），電子從氣隙表面脫陷概率減小，此時(shí)減緩了放電的產(chǎn)生；而當(dāng)?shù)竭_(dá)電壓正半周峰值附近時(shí)，Er相對(duì)于E0可忽略，放電量幅值又有了新的增長(zhǎng)，故在放電正半周，圖譜呈現(xiàn)“兔耳狀”.在施加電壓的負(fù)半周，由于施加電壓極性反轉(zhuǎn)，使得累計(jì)在氣隙內(nèi)部的電荷脫落，增加了激發(fā)電子的數(shù)量，故在放電負(fù)半周，圖譜呈現(xiàn)放電較為密集的“火焰狀”.當(dāng)加壓至23.0 kV 時(shí)，正半周的Er相對(duì)于E0可忽略，故“兔耳狀”放電逐漸演變?yōu)椤盎鹧鏍睢狈烹?

在加壓25.0～37.0 kV 時(shí)，原本分布密集的小幅值脈沖放電活動(dòng)增強(qiáng)，放電幅值增加并有分布稀疏的大幅值脈沖放電出現(xiàn)，使得譜圖在形式上出現(xiàn)“尖刺狀”的放電特征，同時(shí)放電過(guò)程中在氣隙內(nèi)壁積累了較多的電荷，增大了Er，減小了Eg，根據(jù)式（1），Eg減小導(dǎo)致激發(fā)電子脫陷概率減少，抑制了下一次放電過(guò)程中放電量的增長(zhǎng)，從而出現(xiàn)了2.2 節(jié)中所顯示的“激發(fā)、抑制”現(xiàn)象.

3 圖像金字塔的GLCM 特征提取

3.1 圖像金字塔GLCM 方法分析

通過(guò)以上分析可以看出，PRPD 譜圖在各個(gè)放電階段不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的形狀都有一定的特征，因此如何正確地提取出這些特征信息，并如何準(zhǔn)確反映電纜終端內(nèi)部絕緣狀態(tài)，成為了提高EPR 電纜運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵.

目前，針對(duì)圖像特征提取的方法主要通過(guò)顏色、紋理、形狀、空間關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)，而紋理特征由于其既包含了圖像表面結(jié)構(gòu)組織排列信息，又包含了單個(gè)像素與周圍環(huán)境的聯(lián)系被廣泛應(yīng)用.灰度共生矩陣（gray-level co-occurrence matrix，GLCM）作為紋理特征提取中一個(gè)重要的方法，反映了圖像在方向、間隔、變化幅度及快慢上的綜合信息，但GLCM 方法忽略了局部特征之間的空間排列信息[19]，本文中為了彌補(bǔ)這一不足，在GLCM 方法上結(jié)合多尺度分析，構(gòu)建了基于圖像金字塔的GLCM 特征提取方法.

本文中所使用的圖像金字塔為Gaussian 金字塔，建立Gaussian 金字塔圖像序列的方法如下[20]：

設(shè)原圖像為G0，以G0作為Gaussian 金字塔的零層（底層），Gaussian 金字塔的k層Gk中各元素可用式（3）表示，首先將k?1 層圖像與低通窗口wm×n進(jìn)行卷積，再把卷積的結(jié)果作隔行隔列的降采樣.

式中：wmn為wm×n的元素，wm×n為5×5 的窗口函數(shù)，如 式（4）所 示；Gk?1,(2i+m)(2j+n)為Gk?1的元素；L為Gaussian 金字塔頂層的層號(hào)；Cl為Gaussian金字塔第l層圖像的列數(shù)；Rl為Gaussian 金字塔第l層圖像的行數(shù).

3.2 特征提取流程

為進(jìn)一步清楚說(shuō)明圖像金字塔GLCM 方法的原理及應(yīng)用效果，本節(jié)以圖8（g）為例，給出基于圖像金字塔的GLCM 特征提取步驟如下：

步驟1將PRPD 譜圖幅值進(jìn)行歸一化處理，其歸一化值如式（5）.

式中：q為放電量；qmin為放電量最小值；qmax為放電量最大值；

步驟2輸入原始圖像level0，原始圖像經(jīng)高斯低通濾波和下采樣后構(gòu)建Gaussian 金字塔圖像序列，圖像序列中接近底層的圖像（對(duì)應(yīng)細(xì)的尺度）可以給出圖像中的許多小尺度的細(xì)節(jié)，而接近頂層的圖像（對(duì)應(yīng)粗的尺度）可能僅表達(dá)了圖像中主要目標(biāo)的特點(diǎn)，通常選取金字塔的層數(shù)為4 層.圖10 為所構(gòu)造的金字塔圖像序列，其中：圖像level0、level1、level2、level3的大小分別為1024×1024、512×512、256×256、128×128 像素.

圖10 Gaussian 金字塔構(gòu)建過(guò)程Fig.10 Gaussian pyramid formation process

步驟3將金字塔圖像序列中單張圖片壓縮為16 個(gè)灰度級(jí)；計(jì)算出在間隔d=1，角度θ=0，45°，90°，135°方向上的共生矩陣Q；將共生矩陣Q歸一化后求取特征參數(shù).

在基于GLCM 的14 個(gè)紋理特征中，有3 個(gè)特征量——角二階矩（angular second moment，ASM）、熵（entropy，ENT）、對(duì)比度（contrast ratio，CON）——是不相關(guān)的[20]，故文中將這3 個(gè)紋理參數(shù)作為選取的特征量.表1 所示即為通過(guò)Gaussian 金字塔圖像系列所提取得到的部分特征參數(shù).

表1 Gaussian 金字塔圖像系列特征Tab.1 Characteristics of Gaussian pyramid image series

3.3 特征量隨時(shí)間變化

基于3.1 節(jié)所述的特征提取方法，對(duì)氣隙缺陷下EPR 電纜放電全過(guò)程的PRPD 譜圖進(jìn)行了特征提取與分析，繪制出多尺度PRPD 譜圖的各特征量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，如圖11 中所示.

圖11 多尺度下特征量隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.11 Change tendency of features with time in multi-scale

由圖11 可以看出：

1）整個(gè)放電過(guò)程中，對(duì)于level0，從中提取的各特征量隨時(shí)間增長(zhǎng)并無(wú)太大變化，近乎為直線，故對(duì)level0進(jìn)行GLCM特征提取并不可取.

2）對(duì)于level1和level2，從中提取的特征量在放電前兩個(gè)階段的變化不明顯，而在臨近擊穿階段，各特征量隨時(shí)間變化明顯，ASM隨時(shí)間增長(zhǎng)而下降，ENT 和CON 隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，故對(duì)于level1和level2，從中提取的特征量可用來(lái)表征臨近擊穿階段.

3）對(duì)于level3，從中提取的特征量隨時(shí)間變化明顯，ASM 隨時(shí)間增長(zhǎng)而下降，ENT 和CON隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng).綜合對(duì)比上述4 種特征參量與電纜終端試樣放電過(guò)程的映射聯(lián)系可知，對(duì)于level3，從中提取的特征量可較為準(zhǔn)確地反映出試樣放電的狀態(tài)，因此使用level3進(jìn)行特征參量的提取，能夠準(zhǔn)確、有效地表征出放電階段的變化.

4 結(jié) 論

1）氣隙缺陷下，EPR 電纜試樣的放電過(guò)程可以根據(jù)放電量峰值、平均放電量、放電次數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)分為3 個(gè)階段：放電發(fā)展階段、放電持續(xù)階段、臨近擊穿階段.

2）在放電發(fā)展階段，PRPR 譜圖呈現(xiàn)出“兔耳狀”和“火焰狀”；在放電持續(xù)階段，PRPR 譜圖呈現(xiàn)出“尖刺狀”；在臨近擊穿階段，PRPR 譜圖正、負(fù)半周圖案呈現(xiàn)略微“右傾”趨勢(shì)，且在負(fù)半周圖案下方有一缺口.

3）對(duì)于Gaussian 金字塔圖像序列，從原始圖像中提取的特征量不適合用來(lái)表征放電階段；從第1 層圖像和第2 層圖像提取的特征量?jī)H適用于表征臨近擊穿階段；從第3 層圖像提取的特征量適合用來(lái)表征整個(gè)放電階段.