基于紫外成像的污秽绝缘子放电特性研究

第 37卷第3期 2010年5月 华 北 电 力 大 学 学 报 Journal of North China Electric Power University Vo1．37．No．3 May，2010 基于紫外成像的污秽绝缘子放电特性研究 李和明，王胜辉，律方成，刘云鹏 (华北电力大学 电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室 ，河北 保定 071003) 摘要：污秽绝缘子在一定的湿度下会形成放电并辐射 出紫外光信号，日盲紫外成像是一种有效的放电检测方 法，首先在人工气候室中研究了几种不同污秽度的绝缘子在不同湿度下的放 电现象，根据放电紫外图像特征 将放电分为两个典型阶段，通过对放电视频信号的分析并结合图像处理算法提取了平稳紫外光斑面积、间歇 性紫外光斑面积以及间歇性紫外光斑重复次数三个特征参数来征其放电，得到了上述参数与湿度和污秽度 之间的关系曲线，研究结果将为基于紫外成像法评估污秽状态奠定基础。 关键词：绝缘子；污秽放电；紫外成像；图像处理；污秽状态 中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1007—2691(2010)03—0001—06 Study on insulator contaminant discharge characteristics based on ultraviolet imaging U He—ming，WANG Sheng-hui，LU Fang—cheng，LIU Yun—peng (Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Contrry of Ministry of Education， North China Electric Power University，Baoding 07 1003，China) Abstract：Discharge will occur along the polluted insulator surface and it will radiate the ultraviolet，in this paper，a method for contamination condition evaluation based on the solar—blind ultraviolet imaging Was proposed．Firstly，the discharge phenomenon of different pollution degrees insulators under different humidity had been observed and re— searched in the artificial climate chamber，according to the UV images character，the discharge was separated into two typical stages，then，three parameters were extracted with video analysis and image processing algorithm to characterize the discharge，and the three parameters were as follows：the area of stable and intermittent UV facula，the repetition of intermittent UV facula，and the correlation curves of the param eters with the humidity and contamination were ob— tained，the research results will provide experiment basis for the contamination condition evaluation． Key words：insulator；contaminant discharge；ultraviolet imaging；image processing；contamination condition 0 引 言 绝缘子的污闪可导致电网大面积的停电，对 绝缘子的污秽状态进行评估，可在污闪发生前采 取相应从而避免污闪事故的发生。现有的评 估绝缘子污秽度的方法主要有：等值附盐密度法 (ESDD)、污层电导率法、局部表面电导率法、污 闪电压与污闪梯度法 ¨ 、泄漏电流法 、红 外成像法 副和紫外光信号检测法 等。 收稿日期：2009—12—22 污秽放电是表征绝缘子的污秽状态的重要特 征信号，日盲紫外成像法 (240～280 nm的紫外 波段称为日盲波段)是近些年发展起来的一种可 视化的放电检测方法，也是目前非接触式检测放 电的研究热点，其检测放电的基本原理是探测放 电辐射出的240～280 am波段的紫外光信号并对 放电区域进行成像 ¨。相对于传统的放电检测方 法，紫外成像法探测的灵敏度高，可直接定位放 电位置，观察到放电的动态过程和大致轮廓，形 象直观，为带电、非接触检测放电提供了一种新 的方法。目前国内外已采用紫外成像法对绝缘子 的表面的放电进行了相关研究⋯一 ，但多以定性 2 华 北 电 力 大 学 学 报 2010年 研究为主，对不同污秽度和湿度下的放电紫外图 像的特征、特征参数的提取以及污秽状态评估方 法的研究还有待深入。 本文利用人工气候室研究了不同污秽度和湿 度下瓷绝缘子串放电时的紫外视频和图像特征， 采用视频和数字图像处理算法对放电现象进行了 量化分析，得到了这些参数与湿度和污秽度之间 的关系曲线，为后续研究基于紫外成像法评估绝 缘子的污秽状态提供了试验依据。 l 基于紫外成像的污秽放电的试验 研究 1．1 试验装置 污秽绝缘子放电与环境湿度的关系明显，因 此整个试验在人工气候室中进行，试验系统的接 线原理如图1所示。 外成像仪 P 图 1 试验接线原理 图 Fig．1 Schematic diagram of testing circuit 人工气候室的直径为2．3 m、高4 m，通过热 雾加湿法控制气候室湿度，相对湿度可调范围为 0％ ～100％，湿度采用数字湿度计监测。试验变 压器型号为 YDTW一1 200／300污秽试验变压器。 试品为3片 XWP2-70／110组成的瓷绝缘子串，在 绝缘子串的低压侧串接了档位可调的无感电阻提 取泄漏电流，泄漏电流采用了 PCI9812数据采集 卡进行 采集，紫外 成像 仪 型号 为 南非 Coro。 CAM504。 1．2 试验方法 绝缘子的污秽采用了人工染污法，ESDD分 别为 0．03 mg／ClIl ，0．05 mg／cm ，0．1 mg／cm ， 0．15 mg／em ，0．2 nlg／cm ，0．25 mg／cm ，0．3 mg／cm ，NSDD均设置为 1．0 mg／cm 。染污绝缘 子待自然晾干 48 h后放人人工气候室进行试验。 为了尽可能的模拟绝缘子的实际运行情况，试验 采用了恒压加湿法，即在加湿的整个过程中给绝 缘子串施加 30 kV的电压 (模拟 110 kV绝缘子串 每片绝缘子承受电压 10 kV)。由于人工气候室的 湿度难以精确控制，试验中认为湿度的误差在 ± 2％以内都算合格，相对湿度的调节步长为 5％， 分别为 60％，65％，70％，75％，80％，85％， 90％，95％ ～100％。试验通过断续加湿法控制湿 度尽可能的稳定，并在该湿度下维持时间60 min， 以便绝缘子充分受潮。 试验中，紫外成像仪的观察距离为 7 m，观 察角度设置为仰角约20。，成像仪的灵敏度一般设 置为60％，其他参数为默认设置。紫外视频采用 了视频记录设备进行存储，且视频信号的存储与 泄漏电流的采集尽可能保持同步。 1．3 污秽绝缘子放电紫外成像特点 随着湿度的增加，根据紫外视频和图像，污 秽绝缘子的表面的放电一般可分为两个阶段：平 稳紫外光斑阶段和间歇性的紫外光斑阶段，图2 为ESDD=0．05 mg／cm 的瓷绝缘子串随湿度增加 的4张典型的紫外图像，(a)、(b)为平稳放电 阶段的放电图像，(C)局部电弧时的放电紫外图 像，(d)为局部电弧熄灭后的紫外图像。 一 一 (a)起晕阶段放电 (b)放电增强放电 一 一 (C)局部电弧时放电 (d)局部电弧熄灭后的放电 图2 污秽绝缘子放电的紫外图像 Fig．2 UV images of contamination insulator discharge (1)平稳紫外光斑阶段 本文所谓 “平稳紫外光斑”，是指紫外光斑 面积较小，同时光斑大小较稳定。研究表明在放 电的起始阶段，放电的光斑大小较稳定，放电一 般位于绝缘子的铁脚和铁帽四周，可听到较均匀 的 “磁嵫”放电声，电场分析表明此时在绝缘子 的铁帽和铁脚周围的场强较为集中，因此首先在 这些区域形成放电，但高场强的区域仅集中于铁 一频 一 第3期 李和明，等：基于紫外成像的污秽绝缘子放电特性研究 3 脚和铁帽附近的较小区域，同时绝缘子的表面的 泄漏电流较小，因此放电一般为电晕或辉光形式 的放电，放电辐射出的光信号位于紫外波段，肉 眼不能直接观察到放电，与此阶段相对应的泄漏 电流的典型波形如图3所示。 图 3 电晕和辉光放 电阶段 的泄漏 电流的 波形 图 Fig．3 Leakage waveform of corona and glow discharge 分析泄漏电流信号可知，在电晕或辉光放电 阶段，在外施电压的正负半周峰值处的脉冲群幅 值和脉冲数一般相差不大，因此在每个峰值时段 放电辐射出的紫外光子数也较为接近。由于成像 仪内部的电 一光转换荧光屏存在余辉效应 ¨，因 此输出图像的光斑大小比较稳定。 (2)间歇性的紫光斑阶段 本文中 “间歇性紫外光斑”是指湿度增加到 一 定程度后，光斑的面积突然增大，但图像不稳 定，时大时小。间歇性紫外光斑实际上是局部电 弧 (火花)放电与电晕或辉光放电并存的放电阶 段，肉眼可见铁脚 、铁帽周 围 (有时伞腰上也 有)存在蓝紫色或橘黄色电弧，局部电弧熄灭和 重燃交替出现。这是因为随着湿度的增加，绝缘 子的表面泄漏电流也相应增加，电流的烘干效应 增强，在铁脚和铁帽周围形成明显的干燥带，大 部分的电压分布于干燥带上，根据干燥带的宽度 的不同和泄漏电流的大小的差异，其放电可表现 为火花或局部电弧放电，在交流电压的作用下， 其电弧或火花放电存在熄灭和重燃现象，放电不 稳定，因此光斑的大小交替变化，图4为此阶段 的泄漏电流波形图。 《 50 嚣。 照 裂 一 50 图4 局部电弧放电阶段的泄漏电流波形图 Fig．4 Leakage waveform of partial arc discharge 从上图可知，与电晕或者辉光放电存在明显 不同的是：局部电弧放电的脉冲宽度较宽，可达 ms级，且脉冲的幅值较高，相应辐射出的光子数 也将急剧增加，紫外光斑的面积显著增大，当电 弧熄灭后，将仅存辉光形式的放电，光斑的面积 将急剧减少。 基于上述试验研究可知，随着湿度上升，放 电强度也逐渐增加，紫外光斑会经历一个从无到 有，从弱到强，从平稳放电的光斑阶段突变到间 歇性紫外光斑阶段。 2 放电紫外成像特征参数的提取 利用紫外成像法检测污秽放电，必须提取相 关特征量，根据紫外光斑与放电强度具有良好的 相关性 ¨，且紫外视频可很好地反映放电的动态 过程，本文采用了基于视频分析和图像处理的方 法提取了三个特征参量，分别为：“平稳紫外光斑 面积”、“间歇性紫外光斑面积”以及 “间歇性紫 外光斑重复次数”。其中， “平稳紫外光斑面积” 对应于电晕或辉光形式的放电，“间歇性紫外光斑 面积”对应于局部电弧 (火花)放电，而 “间歇 性紫外光斑重复次数”为一定时间内提取的连续 紫外图像帧中大光斑面积出现的次数，相关参数 提取流程如图5所示。 紫 。 图像分割 形 放电 外 < 态 面积 滤 计算 图 ＼ 统 计特征量分析 波 像 图5 紫外图像特征参数提取流程 Fig．5 UV images character parameters extracts process 2．1 连续紫外图像帧的提取 分析紫外成像仪采集到的视频信号可获得放 电的动态信息。视频实际上是由间隔时间很短的 连续多帧图像构成，将紫外成像仪采集到的视频 (avi格式)输入计算机后，编写软件可连续地捕 捉指定帧数的紫外图像 (bmp格式)，本文将图 像大小设置为500×376像素，研究表明相邻帧的 时间间隔大约为40 ms。 2．2 紫外图像处理和光斑面积计算 紫外图像处理的目的是从背景图像中分割出 放电区域，以便分析放电区域的大小，从而量化 放电强度。 本文采用 了数字图像处理算法对紫外图像进 4 华 北 电 力 大 学 学 报 2010矩 行了处理 。根据放电光斑区域的像素灰度值一 般大于背景图像，论文采用阈值分割算法实现了 放电区域的提取，利用数学形态学的方法对图像 进行滤波处理。紫外图像经上述处理后为二值图 像，放电区域像素在矩阵中以 “1”表示，其它 为 “0”，统计 “1”的个数可量化光斑区域的大 小，本文将其定义为 “光斑面积”。利用 Matlab 编程实现了相关的算法，图6为其中的一个实例。 其中图 (d)为采用多区域轮廓跟踪算法提取的 两个区域，区域 1的面积为 1 416，区域2的面积 为 1 560，因此总面积为2 976。 一 一 ●圈一 (a)原始图像 (b)二值图像 一 一 (e)形态滤波后的图像 (d)提取的区域 ● 图6 紫外图像处理结果 Fig．6 UV image processing result 2．3 面积的归一化处理 紫外成像仪的观测距离和增益是影响检测光 斑面积的两个主要参数，增加距离光斑面积相应 减小，但增加增益光斑面积变大，因此只有将不 同的距离和增益下的结果归一到某个统一的距离 和增益下，其检测的结果才具有可对比性。本文 引入了自适应神经模糊网络 (ANFIS)算法完成 了上述归一化计算，其原理框图如图7所示。 归一化后的 光斑面积 图7 检测光斑 面积的归一化 Fig．7 Normalization of detected UV Faeula area 通过试验获得不同距离和增益下的光斑面积 的样本数据共 650组，将样本数据输入到 ANFIS 网络进行训练，训练好的网络可将不同距离和增 益下的检测结果归一化到距离 7 m，增益 60％的 情况下的光斑面积，其归一化值与真实值的相对 误差可控制在5％以内。 2．4 间歇性紫外光斑重复次数统计 在间隙性紫外光斑阶段，紫外图像的光斑面 积大小随局部电弧的熄灭和重燃而出现明显变化。 图8为连续 200帧图像 (ESDD=0．1 mg／cm ，相 对湿度 85％)的光斑面积随图像帧的变化曲线。 ×10 图8 连续的图像 帧的光斑 面积 变 Fig．8 Facula area change of continuous UV images 图中，面积较大值对应于局部电弧放电，较 小值对应于局部电弧熄灭后的辉光放电。选取阈 值可分离出局部电弧或火花放电所应用的光斑面 积，统计其图像帧数即可得到本文定义的光斑面 积的重复次数，该参数可表征局部电弧或火花放 电的频率。 3 不同污秽和湿度下的参数变化 基于污秽放电的紫外图像特征，本文选择平 稳紫外光斑、间歇性紫外光斑面积以及间歇性紫 外光斑重复次数三个特征参数用于量化污秽放电， 得到了上述参数与污秽度以及湿度之间的关系曲 面，插值后的拟合结果如图9(a)、(b)和 (c) 所示。 分析上述曲面图可知不同污秽等级的绝缘子 的放电的紫外成像特征参数的变化具有如下特征： (1)污秽等级不同的绝缘子，不仅起始放电 的湿度存在较大差异，放电从 “平稳的紫外光斑 阶段”突变到 “间歇性紫外光斑阶段”的湿度也 存在较大差异。 (2)随着湿度的增加，绝缘子放电的平稳光斑 面积整体呈上升趋势。开始放电后，湿度较低时不 同污秽等级的绝缘子光斑面积的上升都较平缓，当 湿度达到比起始放电湿度高5％一10％时，其光斑的 面积有一个较为快速的上升阶段。但出现间歇性紫 外光斑后，平稳光斑面积的上升速度减慢。 第 3期 李和明，等：基于紫外成像的污秽绝缘子放电特性研究 5 (3)当污秽绝缘 了表面开始出现局部电弧， 间歇性紫外光斑面积随污秽等级的提高而增加， 放电频率也逐渐上升，但污秽度不同时，存在一 定的差异。污秽等级越高的绝缘子，一旦出现间 歇性放电，其间歇性的紫外光斑面积也越大，也 即光斑面积存在一个较大的跃变，而污秽等级为 中等以下的绝缘子，其间歇性的紫外光斑面积的 上升则比较平缓。当湿度达到 90％以上，严重污 秽的绝缘子，光斑面积又存在一个突增过程，且 放电频率也急剧增加，肉眼可见电弧接近于瓷件 的边缘，绝缘子接近闪络。 ．-= 口 ● 七 亘 餐 臻 去 埴 (a)平稳紫外光斑面积与湿度和污秽度的关系 m 、 (c)间歇性紫外光斑重复次数与湿度和污秽度的关系 图9 特征参数与湿度和污秽度的关系 Fig．9 Correlation chives of charaeter parameters with humidity and pollution degree 根据上述的分析可知，不同污秽和不同湿度 下的绝缘子的放电紫外成像参数存在较大的差异， 根据这些差异可以实现对绝缘子的污秽状态的评 估。但与常规的脉冲电流法相比，基于视频和图 像处理获得的相关参数并不是十分精确，且放电 存在随机性，使得提取的参数具有一定的模糊性， 可考虑采用模糊数学处理方法，如糊逻辑推理、 模糊多分类支持向量机的方法实现对污秽状态的 评估。 4 结 论 本文基于紫外成像法，利用人工气候室研究 了几种典型污秽等级绝缘子串的放电，通过分析 得出以下结论： (1)采用基于视频信号分析和数字图像处理 相结合的方法可以有效表征污秽放电强弱、放电 的不同形态和放电阶段； (2)通过分析不同污秽绝缘子的放电特征， 提出利用 “平稳紫外光斑面积”、“问歇性紫外光 斑面积”以及 “问歇性紫外光斑重复次数”芝个 参数来表征污秽绝缘子的放电，获得 典型污秽 等级的绝缘子的t述三个参数与湿度干¨污秽度的 关系曲线； (3)不同污秽等级的绝缘子起始放电湿度和 出现间歇性紫外光斑的起始湿度存在较大差异， 相同湿度下不同污秽状态绝缘子的光斑面积大小 和问歇性紫外光斑重复次数也存在较大差异。 参考文献 ： [1]关志成 ，刘瑛岩，周远翔，等．绝缘子及输变电设备 外绝缘 [M]．北京 ：清华大学出版社，2006． [2]张仁豫．绝缘污秽放电 [M]．北京 ：水利水电出皈 社 ，1994． [3]江秀臣，安玲，韩振东．等值盐密现场测量方法的研 究 [J]． 中 国 电 机 工 程 学 报，2000，20 (4)： 4O—43． 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