变电站高压电气设备局部放电检测方法研究

包士杰

摘   要：在变电站系统中，高压电气设备是否正常运行关系到整个电力系统的安全性、可靠性。针对电压电气设备局部放电的问题，提出了实时检测局部放电的方法，并设计出整套电气设备局部放电检测系统。采用监控系统监测变电站现场检测状况，通过旋转摄像头实时变换立体空间实现变电站检测的视频、图像采集，并基于结合 Sobel 算子的四帧差分法算法对所采集到的视频、图像分析。根据存在的不同问题，选择比如红外线检测单元、超声波检测单元和特高频检测单元的不同检测单元，从而实现电气设备局部放电的高精度、实时检测。通过试验，比起不采用旋转摄像头检测的情况，设计的技术方案检测精度更高，大大提高了设备的安全性，降低了维修成本，提高了企业的经济效益。

关键词：变电站;局部放电;检测单元;旋转摄像头;四帧差分法算法

中图分类号：TP24                                           文献标识码：A

Research on Partial Discharge Detection Method

for High Voltage Electrical Equipment in Substation

BAO Shi-jie

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology，Huainan， Anhui 232001， China）

Abstract：In the substation system，whether the high-voltage electrical equipment is in normal operation or not is related to the safety and reliability of the entire power system. A method for detecting partial discharge in real time is proposed for the problem of partial discharge of voltage electrical equipment，and a complete partial discharge detection system for electrical equipment is designed. This paper monitors the on-site detection status of the substation by using the monitoring system，and realizes the video and image acquisition of the substation detection by rotating the camera in real time to transform the three-dimensional space，and the collected videos and images are analyzed based on the four-frame difference method algorithm combined with Sobel operator，according to different problems，different detection units such as an infrared detecting unit，an ultrasonic detecting unit and an ultra high frequency detecting unit are selected，thereby the detection of partial discharge of electrical equipment is achieved with high precision and real-time. Through experiments，compared with the case of not using the rotating camera detection，the technical scheme designed has higher detection accuracy，which greatly improves the safety of the equipment，and the maintenance cost is reduced，the economic benefits of the enterprise is improved.

Key words：substation;partial discharge;detection unit;rotating camera;four-frame difference method

在變电站系统中，局部放电是高压电力设备绝缘劣化的主要原因之一[1-4]，在高压电场的作用下设备缺陷处发生局部的、重复的放电通常叫做局部放电[5-8]。局部放电对变电站高压电气设备的绝缘体具有致命性的破坏，通常表现为：

1.由于局部放电携带高能量的带电粒子飞速

四散，带电粒子将猛烈冲撞电气设备的绝缘材料，长期冲撞将使绝缘材料内部的分子结构变异，绝缘材料劣蜕，绝缘性能降低;

2.引起电气设备绝缘材料局部温度过高，局部升高过快，导致绝缘材料碳化、氧化;

3.造成工作现在的潜在危害，由于是高压放

电，工作人员长期在高压漏电的环境下工作，无法保证自身安全，严重时会危及生命。

因此如果不加强避免高压电气设备局部放电现象，将导致加速劣化绝缘材料，进而使局部放电现象更加恶化，造成不可预测的潜在危险[9-13]。局部放电主要表现为材料表面放电、电晕放电和悬浮放电[14]。由于放电类型不同，就需要选择合适的检测方式，提高检测精度，这对提高电力系统的可靠性和经济性具有较高的理论意义和实用价值[15]。

1   系统整体设计方案

将图像处理与检测方式选择相结合，实现局部放电的精准检测，如图1所示。本系统在检测漏电时，在现场安装监控系统，通过监控系统监测变电站现场检测状况。同时在现场设置有旋转摄像头，旋转摄像头能够实现立体空间范围内的360°旋转，在配置时，使用高清工业CCD摄像头，将拍摄的图片通过Internet传递到PC，采集不同角度的电气设备图像，使用户远程操控现场检测情况。在检测现场，设置LED点阵矩阵背光源，为工作现场提供光照度，拍摄的图像更为清晰、可信。在PC端基于结合 Sobel 算子的四帧差分法算法对采集到的图像进行分析，根据存在的不同问题，选择不同类型的检测单元，比如红外线检测单元、超声波检测单元和特高频检测单元，检测单元检测到的数据通过DSP计算单元进行计算，本系统可以采用TI公司DSP芯片TMS320C6203B和ADS5422实现30 MHz，20 ms高速数据采集，将模拟信息转换成数字信号，供PC机识别、应用。计算结果传递到PC端，从而实现电气设备局部放电的高精度、实时检测。在PC端通过诊断设备诊断检测结果，显示单元将检测结果显示给用户分析、研究。检测结果也可以通过无线发射的方式传递给PDA、智能手机或者平板电脑等智能设备，实现数据的即时分享。在PC客户端的数据可以通过以太网的方式远程传递到中央控制中心，供更高一级的管理系统使用并发布指令。

2   局部放电检测方案设计

基于旋转摄像头拍摄现场图片，将拍摄图上传至PC机像分析结果，根据图像分析能够快速、精准地判断放电位置，再结合超声波检测单元、红外线检测单元和特高频检测单元“三位一体”的检测方式，有效地测出高压电气设备局部放电情况，供变电站工作人员掌握最新的放电情况，下面对检测方法做详细说明。

2.1   基于旋转摄像头的图像采集设计

采用Xilinx FPGA进行动态视频图像采集系统，其主要包括摄像头、图像采集单元、图像数据储存单元、VGA显示驱动单元。摄像头为360°旋转的OV7670摄像头，其像素为30 W，采用双口通讯的RAM进行数据存储，显示图像窗口尺寸为320x240，实施立体图像无死角图像采集。其中摄像头配置为采用SCCB协议进行数据通讯，SCCB也称为I2C总线。PC接收到摄像机收到的图片时，使用结合 Sobel 算子的四帧差分法算法步骤分析图片，以用于指导启动哪些传感器。在分析图像时，首先对采集到视频图像的序列中连续的两帧图像做差分運算，这样可以获取现场传感器（超声波检测单元、红外线检测单元或特高频检测单元中）的运动轮廓。当在监控过程中出现异常物体运动时，相邻的两帧图像之间会出现比较明显的差异，将具有差异的两帧图像相减，得出图像相应位置的像素值之差的绝对值，进一步判断该绝对值是否大于设定的阈值，从而分析所采集到传感器的运动特征。下面结合图2和算法公式进一步说明。

四帧差分算法的基本流程如下：

在进行四帧差分法运算时，它是对连续的四帧图像进行相应的差分运算，得到前景目标。四帧差分法是在三帧差分算法的基础上进行的改进。三帧差分算法对于慢速运动的物体具有较差的计算能力，而四帧差分法运算能够有效地解决这个问题。在本文应用中，通过对旋转摄像头的特征选择，可以准确地判定在哪个点具有高压放电现象，而后通过PC发布命令。

2.2   检测单元的检测、定位

图像采集完毕并利用四帧差分法运算后，通过旋转摄像头不仅仅要实现巡检的功能，还要根据巡检情况再定位传感器位置，精确检测出局部放电的位置，再根据检测单元检测放电情况，传感器检测方法如图3所示。

红外线检测单元检测主要采用红外线传感器基于红外热成像检测方法对发热部位进行的检测，由于高压放电，使设备集中放电的位置处的温度陡增，采用红外线传感器对发热位置检测，比起其他传感器对发热位置检测更准确。该检测方法不仅直观、检测灵敏度较高，使得用户能够快速从检测位置获取检测数据。其不仅能够测量高压放电，还能够基于红外测距的方式获取检测距离，即放电距离。其结构外形图如图4所示。

在检测时，如图5所示。图5是基于一种热释电红外传感器进行红外测温的电路，其中传感器单元电路中接入有温度补偿电路，采样信号通过C1被耦合到放大信号的放大器A1，其输出端输出的信号经由有源滤波器进行不必要成分的滤除，补偿电路基于2 mV/℃的硅二极管，输入的的补偿信号通过A4进行放大，而后输出信号输出到放大器A3的输入端，并且与该信号进行相加，最后输出，在应用时，比如在200 ℃下，输出电压为4 V，放大器的输出电压为3 V，温度补偿器的输出电压为1 V。

红外线检测虽然有诸多优点，但是检测的持续性较差，难以实时检测。在此，又附加超声波检测的方法能够有效地克服上述缺点。

超声波检测单元为基于超声波传感器的检测单元。在应用时根据用户需要将超声波检测传感器设置在局部放电的位置处。在物理学中，机械波传播时，其在弹性介质传播被分类，即次声波、声波以及超声波，这是按波不同频率为进行的分类。超声波的物理特性包含声强、声压以及声阻抗。在变电站电气设备局部放电时，会产生猛烈的冲击波，当冲击波传播到超声波传感器时，超声波传感器将根据电学压电原理将超声振动信号变成数字电信号。并对收到的电信号计算（比如放大、变换等），示波器可以得到收到其信息（比如信号波形、到达时间等），根据收到的数据信息便可实现变电站高压设备内部局部放电事故进行科学分析，以备后患。但超声波在传播过程中衰减比较严重，会降低检测的灵敏度。

特高频检测单元利用特高频性能的传感器检测特高频发出的电磁波，进一步检测电气设备是否有局部放电。该传感器能够克服上述两种传感器检测单元的技术弊端，能够处理高频信息，当发生局部放电时，具有很强的抗噪能力。放电现象发出的电磁波处于500 MHz ～1500 MHz，检测现场噪声不超过 400 MHz。但是针对电晕放电时，特高频检测法的效果无法发挥最大。上述三种检测方式相得益彰。因此，用户根据使用环境来选择使用。其检测实例如图7所示。

3   测试验证及分析

在测试时，选择的操作系统为Microsoft Windows 2010，64 位。主要开发工具为Visual Studio 2015，OpenCV 3.0。运行环境硬件参数为CPU：Inter（R）Core（TM）i7;主频为2.59GHz;内存8G。实验中在 Visual Studio 2015 的环境下利用 C++来实现对异常图像的保存，opencv 中提供了 cvSaveImage（）函数保存采集的图像，将异常图像按照检测的时间或者尺寸大小保存在对应文件夹下。而后再用过 socket 在其保存的对应文件夹下获取相应的异常图像传递到用户可随时查看的智能移动设备端（包括但不限于平板电脑、智能手机或PDA）。图8为摄像头安装示意图。

图9为电气设备测试点示意图，在试验时，选择不同的4个点位置，作为高压放电试验点。

根据上述测试，对4个不同的采样点进行对比分析，检测对比图如表1所示。

图9中的电气设备中，选择测试点A、B、C、D，分别对A、B、C、D进行40次放电试验，分别用超声波检测单元、红外线检测单元和特高频检测单元在安装旋转摄像头和未安装摄像头的情况下进行测试。测试结果见表1所示。其中在未使用旋转摄像头情况下，三种不同检测方式检测到的正确率为85%以下，而在使用旋转摄像头测量放电情况，三种不同检测方式检测到的正确率为90%以上，可见，在通过旋转摄像头监控的情况下，检测效果更好。

4   结   论

将图像采集技术与传感器检测技术相结合实现变电站高压电气设备的局部放电检测，大大提高了检测的精度。无需工作人员在场，便可实现实时远程检测，电力工作人员只需通过软件分析的数据即可获取现场检测情况，并根据数据分析调整检测措施，大大提高了检测工作的安全性。比起传统方案，本方案使高压电气设备的维修费用节约了 50%～80%，设备突发事故减少 85%以上，变电站的整体工作性能稳定性提高了80%以上，具有极好的经济效益和社会效益，也为下一步高压放电的检测技术提供一定的参考价值。

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