電力金具圖像故障狀態評估

陸 旭，羅漢武，李文震，張海龍，吳啟瑞，雷 丞

（1.國網內蒙古東部電力有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020； 2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074；3.武漢三江中電科技有限責任公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

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

紫外成像技術的出現，為輸變電工程電氣設備電暈放電故障定位提供了一種可靠的方案。國內外電力工作機構、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[4-5]開展了光斑面積與放電強度內在規律的研究，驗證了紫外成像技術用于電暈放電強度的合理性?；谧贤鈭D譜，文獻[6-9]進一步研究了環境因素與高壓電氣設備電暈放電強度之間的關系，為輸變電工程前期規劃設計提供了一定的參考。劉云鵬[10]采用聚類分析的方法，實現了一種優化后的紫外光斑面積提取方法。

目前，紫外圖譜用于電氣設備放電強度的狀態評估較少，一般局限于絕緣子。文獻[11-13]針對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，依據污穢放電不同階段的特征，劃分了不同層級放電的嚴重程度。文獻[14]開展了金具在強風沙塵環境下電暈放電特性的研究，研究了沙粒粒徑與放電強度的宏觀和微觀關系。為此，本文以電力金具為研究對象，搭建了電暈放電觀測平臺，基于紫外成像技術和圖像處理技術，開展了其不同放電階段的紫外圖譜特征研究。

1 圖像識別

電力金具放電不明顯，肉眼難以觀測，紫外成像儀可形象直觀地捕捉到放電信號。為了實現其精準的圖像識別，需要結合圖像融合技術和圖像處理技術。

1.1 圖像融合

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

圖1 紫外圖像融合技術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，為了定量實現光斑面積的計算，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，電氣設備為靜止圖像，放電光斑為運動圖像，利用這一特點，可基于背景差分原理進行幀差法計算：

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

然后進行閾值判斷：

式中：ε為背景差分的閾值。

噪聲抑制主要基于中值濾波、閾值分割和形態學方法實現放電光斑輪廓提取。形態學處理主要包含開閉運算，即腐蝕與膨脹運算。

最終，統計所有邊界區域內的像素數，從而計算其光斑面積。若將放電區域灰度值為255 的點定義為1，則光斑面積為A區域中1 的總數S為：

2 試驗方案

2.1 試驗平臺搭建

依據GB/T 2317.2，搭建懸垂式電力金具電暈試驗布置圖，如圖2 所示。為完整模擬現場環境，需配置模擬橫擔和模擬導線。試驗電源逐步升高電壓，直至達到試驗金具的測試電壓，待產生穩定的電暈放電，通過紫外成像儀記錄放電視頻。

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

2.2 試驗方案

均壓環常用于330 kV 線路中，因為導線的端部效應，兩端電場分布不均勻，容易產生電暈現象，均壓環起到均壓屏蔽的作用，同時也可能造成自身閃絡的風險，為此，本文以均壓環作為電力金具的典型部件，進行電暈試驗。

試驗中采用330 kV 復合絕緣子，內側彎曲半徑為220 mm、管徑為32 mm 的均壓環，系統額定電壓為330 kV，紫外成像儀采用南非的CoroCAM504。由于均壓環經過拋光處理，表面光滑，干燥情況下改變電壓僅能發生微弱的電暈放電，為此可通過改變均壓環表面的濕度，達到強烈放電的目的。

2.3 光斑面積歸一化研究

光斑面積可用于設備放電強度的定量分析，較光子數分析更精確[2]。由紫外成像儀的內部結構以及光學原理可知，當增益固定不變時，基于三角形相似定理，光斑面積So與內部ICCD的成像面積Si呈現正比例關系，見式(6)。

式中：v為像距；k為比例系數；d為觀測距離。當增益和電壓等級一定時，v值固定不變，此時，光斑面積與觀測距離成冪指數關系。

電壓等級分別取200 kV、250 kV、300 kV、330 kV，增益設置為70%，為此，開展5m、10 m、15m、20m下不同觀測距離的研究，對捕捉到的放電圖像進行定量計算，并繪制不同電壓的光斑面積曲線，如圖3所示。

按照電壓等級進行光斑面積與觀測距離的冪指數擬合，匯總如表1所示。

圖3 光斑面積與觀測距離關系圖Fig.3 Relation diagram of spot area and observation distance

表1 不同電壓等級下的擬合表達式Table 1 Fitting expressionsunder different voltage level s

由表1可知，在電壓一定時，擬合度接近1，說明光斑面積與觀測距離近似成冪指數關系。由于實際測量過程中，觀測距離會有所變化，所以需要對其進行歸一化處理，設定10m 觀測距離為標準值，經過大量數據統計分析，可得出如下結論：

2.4 對比試驗

電力金具放電強度一般通過局部放電測試儀進行評估，即檢測到的放電量表征電力金具放電狀態。為此，需對放電光斑面積和放電量之間的關系進行研究，參照圖2搭建測試環境，電力金具外接取樣電阻，通過局部放電測試儀采集放電信號，對比不同電壓等級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系曲線Fig.4 Relation curve of spot area and discharge capacity

通過Matlab仿真計算工具，對光斑面積和放電量的數值進行線性擬合分析，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度是合理的。

3 數據分析

3.1 紫外圖像特征

參考高壓電氣設備放電發展過程，主要由3個階段組成，如圖5所示。

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

圖5(b)為小電弧階段，當測試電壓達到300kV時，均壓環表面會交替出現較大光斑和較小光斑，但大光斑持續的時間較短，一般僅持續1～5s左右。隨著濕度的增加，大光斑持續時間和發生幾率會相應增加，會聽到明顯的放電聲音，在黑暗情況下可以看見細絲狀電弧，同時光斑面積序列的波動較大。圖5(c)為強烈火花放電階段，當測試電壓達到320kV 時，均壓環表面會出現較大光斑，同時持續時間較長，放電現象比較穩定。該階段放電比較強烈，可以聽到明顯的嘶嘶聲，可觀測較多的放電通道。

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

3.2 狀態評估

統計不同濕度情況下，放電光斑面積隨電壓等級變化的曲線如圖6所示。濕度低一般指均壓環濕潤，但其下表面未聚成明顯的水滴，濕度高一般指均壓環內外徑表面均有水膜覆蓋，同時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，光斑面積也相應增加。在電壓等級一定的情況下，隨著濕度增加，光斑面積也相應增加。經過歸一化計算，當增益為70%，觀測距離為10m 時，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；強烈火花放電階段，放電光斑面積約為10000像素。

低電壓等級下，金具表面僅有微弱的電暈放電時，電離區域較小，屬于較安全的狀態。隨著電壓的增加，放電區域逐步擴展，電離區域擴大，發出清晰的放電聲，金具處于較危險的狀態。待進入強烈火花放電階段，放電通道增加，放電進入危險區，此時進入高危狀態。當增益為70%時，觀測距離為10m，統計不同類型的電力金具不同放電階段的光斑面積，電力金具安全狀態分為無缺陷，一般缺陷，嚴重缺陷，緊急缺陷4個狀態，對應的3個界限值匯總見表2。

表2 電力金具放電強度狀態評估Table 2 Estateevaluation for discharge intensity of elect ric power fittings

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

4 結論

針對電力金具放電強度，基于圖像識別技術，進行紫外光斑面積的特征提取，并開展了電暈放電試驗研究，結論如下：

1）光斑面積與放電量呈線性關系，光斑面積表征電力金具放電強度是合理的。

2）光斑面積隨電力金具放電強度增加而增加。當增益為70%時，觀測距離為10m時，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；強烈火花放電階段，放電光斑面積約為10000像素；

3）根據紫外圖像特征，電力金具分為無缺陷，一般缺陷，嚴重缺陷，緊急缺陷4個狀態。

本結論為電力金具提供了定量化的評估指標，為輸變電線路運維提供了技術支撐。