基于紫外圖譜的盤式絕緣子放電強度徑向分布研究

謝宏偉，徐國輝，呂通發，李祥杰，牟鑫，辛鵬

（國網內蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內蒙古 興安盟 137400）

0 引言

輸電線路運行環境復雜，霧凇、覆冰、污穢等惡劣環境可能會加劇外絕緣放電的現象[1-4]，長期運行下，可能發生電力事故，嚴重影響線路的安全穩定運行，因此，有必要開展輸電線路的異常狀態監測。絕緣子是輸電線路的重要部件，國內外學者[5-9]針對其異常放電開展了大量的研究。監測方法主要包括紅外測溫、泄露電流或紫外圖譜等。泄露電流為接觸式測量方法，并不適應于野外環境監測；紅外測溫和紫外圖譜為非接觸式測量方法，但前者受環境影響較大，易受干擾，而紫外成像相對較穩定。

紫外成像主要基于光子數或者光斑面積進行放電強度的定量計算，實現絕緣子故障狀態的評估。艾建勇[10]等采用光斑面積的方法，研究了污穢放電和濕度之間的關系。文獻[11-12]統計了不同放電階段的光斑面積，開展了絕緣子污穢放電嚴重程度的評估。目前紫外圖譜分析主要以絕緣子軸向放電路徑[13-14]開展的，徑向放電路徑較少，尤其對直徑較大的盤式絕緣子。為此，本文以盤式絕緣子為研究對象，基于圖像處理技術，開展不同電阻率、風速情況下積污絕緣子的紫外圖譜特征研究。

1 紫外圖像特征提取

盤式絕緣子在生產制造中的機械擠壓，或者帶電運行過程中操作過電壓引起的電弧作用下，外形結構可能會產生表面凸起或凹陷等缺陷，以至于邊緣不連續，Chan-Vese（C-V）模型可解決這類問題，具有良好的圖形分割效果，同時具有抗干擾能力強的優點，因此，筆者采用C-V 模型對盤式絕緣子的紫外圖像進行特征提取。

1.1 圖像分割

I(x,y)定義為以盤式絕緣子中心為圓心，半徑小于R的圖像區域，對應的定義域為Ω；C表示該區域的閉合輪廓；Ci和Co分別表示以C為界限的圖像內部區域和圖像外部區域，定義C-V 模型的能量函數：

式中：LC是輪廓C的周長；是Ci面積，系數μ、η≥0，λ1、λ2＞0；Gi、Go分別是Ci和Co的平均灰度值。

引入水平集函數Φ(x,y)，輪廓曲線C可表示為：

引入函數H(z)和δ(z)：

所以能量函數可變化為：

設Φ(t,x,y)是Φ(x,y)在t時刻的數值，利用歐拉-拉格朗日方法推導可得：

能量函數的最優解采用正則化函數實現：

式中：ε為較小的正數。

1.2 徑向分析

為便于分析，令盤式絕緣子中心點(0,0)光斑面積設為0，即ΦR=0(x,y)=0。

半徑為R的區域光斑面積為：

為研究盤式絕緣子徑向電暈放電強度的分布規律，計算半徑為R的光斑面積增加量為：

2 現場測試

搭建工頻高壓試驗平臺，對污穢盤式絕緣子施加電壓，采用CoroCAM504 型的紫外成像儀，捕捉放電圖像，進行灰度處理后，僅保留放電光斑，未進行C-V 模型處理的紫外圖像如圖1 所示。

圖1 未處理的紫外光斑圖像Fig.1 Raw image of ultraviolet flare area

實際測試中，由于自由電子與正離子的復合和反激勵，主放電區域外圍會存在大量的噪聲點，結合C-V 模型和設置閾值的方法，能夠準確地分割出有效的光斑，如圖2 所示。

圖2 C-V 處理后的紫外光斑圖像Fig.2 Ultraviolet flare area processed by C-V

為進一步驗證C-V 方法的適應性，結合紅外圖像和紫外圖像的方法，進行盤式絕緣子積污放電徑向對比研究。試驗對象為XP-70 盤形懸式瓷絕緣子，其平均厚度約為0.016 m，公稱盤徑為255 mm，環境溫度設置為20℃，施加電壓等級為10 kV。一段時間后，繪制污穢絕緣子徑向紅外實測溫度隨半徑變化的分布曲線和徑向紫外光斑面積隨半徑變化的分布曲線，如圖3 所示。

圖3 盤式絕緣子徑向分布曲線Fig.3 Radial distribution curves of disk-shaped insulator

由圖可知，紫外光斑面積分布曲線和紅外實測溫度分布曲線整體趨勢一致，均呈現先增大后減小的趨勢，溫度和光斑面積最大值均在30 mm 附近，即主放電區域，絕緣子邊緣溫度和光斑面積最小，即弱發電區域。由此說明，基于C-V 模型的紫外圖譜分析方法適用于盤式絕緣子放電的徑向分布研究。

3 數據分析

盤式絕緣子積污放電的強度會受環境因素的影響，為此重點開展表面電阻率和風速等因素的研究。

3.1 表面電阻率的影響

隨著環境濕度、溫度及染污程度的變化，盤式絕緣子的表面電阻率也會發生相應變化，直接影響其放電強度。采用NaCl 作為污穢中導電物質，改變盤式絕緣子的表面電阻率，從5MΩ·m、15 M Ω·m 到30 MΩ·m，統計紫外光斑面積的徑向變化值，繪制曲線見圖4。

圖4 不同電阻率下的光斑面積徑向變化Fig.4 Radial variation of ultraviolet flare area under different resistivities

由于盤式絕緣子的光斑面積隨半徑呈先增大后下降的趨勢，為便于分析研究，這里僅考慮下降部分，以主放電區域30 mm 為起點。

由圖可知，隨著表面電阻率的下降，主放電區域的光斑面積會增加，這是因為當積污嚴重，或者濕度較大時，盤式絕緣子的表面電阻率會降低，泄漏電流會增加，放電強度會增加，所以紫外光斑面積會增大。隨著半徑的增加，紫外光斑面積的變化會呈現減小的趨勢，這說明表面電阻率對主放電區域的影響較大，弱放電區域的影響較小。

3.2 風速影響

盤式絕緣子實際安裝于室外空曠的環境，通過小型風洞模擬風速的變化，也會引起積污放電強度的變化。從無風到有風（2～8 m/s），改變風速大小，統計紫外光斑面積的變化值，繪制曲線見圖5。R＝30 mm，表示盤式絕緣子主放電區域；R＝105 mm，表示盤式絕緣子邊緣放電較弱的區域。

圖5 光斑面積隨風速的變化關系Fig.5 Variation of ultraviolet flare area with wind speed

由圖可知，隨著風速的增加，紫外光斑面積會減小，由此說明，風對積污放電具有明顯的削弱作用，所以同等條件下有風時光斑面積比無風時的小，風速大小對積污放電有著明顯的影響，這是因為放電形成的帶電質點在氣流的作用下會加速擴散，弱化了帶電質點的復合過程，最終降低了放電光輻射。

主放電區域的曲線斜率大于弱放電區域，由此說明，風速對主放電區域的放電強度影響大于弱放電區域。所以在實際工程測試時，應盡量選擇無風或者微風的環境。

4 結論

本文基于C-V 模型開展了盤式絕緣子徑向放電強度的分布規律研究，驗證了該方法的適應性，取得了一定的結論：

1）隨著表面電阻率的下降，盤式絕緣子積污放電的強度會增加，主放電區域增加的程度大于弱放電區域；

2）隨著風速的增加，盤式絕緣子積污放電的強度會降低，主放電區域變化的程度大于弱放電區域。