电力金具图像故障状态评估

陆 旭，罗汉武，李文震，张海龙，吴启瑞，雷 丞

（1.国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020； 2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074；3.武汉三江中电科技有限责任公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

电力金具在电、热、力等作用下，会受到一定的磨损，在输变电工程强电磁环境的影响下，表现为磨损部位电场分布不均匀，最终发生电晕放电的现象，为线路的安全运行带来隐患。传统放电检测方法分为超声波法、脉冲电流法、红外成像法，但由于受到电力工程自身强电磁环境的干扰，以上方法均无法精确定位放电故障位置。

紫外成像技术的出现，为输变电工程电气设备电晕放电故障定位提供了一种可靠的方案。国内外电力工作机构、高校相继开展了紫外成像图谱诊断研究，取得了一定的成效[1-3]。文献[4-5]开展了光斑面积与放电强度内在规律的研究，验证了紫外成像技术用于电晕放电强度的合理性。基于紫外图谱，文献[6-9]进一步研究了环境因素与高压电气设备电晕放电强度之间的关系，为输变电工程前期规划设计提供了一定的参考。刘云鹏[10]采用聚类分析的方法，实现了一种优化后的紫外光斑面积提取方法。

目前，紫外图谱用于电气设备放电强度的状态评估较少，一般局限于绝缘子。文献[11-13]针对气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated Transmission line，GIL）绝缘子、盘式绝缘子，依据污秽放电不同阶段的特征，划分了不同层级放电的严重程度。文献[14]开展了金具在强风沙尘环境下电晕放电特性的研究，研究了沙粒粒径与放电强度的宏观和微观关系。为此，本文以电力金具为研究对象，搭建了电晕放电观测平台，基于紫外成像技术和图像处理技术，开展了其不同放电阶段的紫外图谱特征研究。

1 图像识别

电力金具放电不明显，肉眼难以观测，紫外成像仪可形象直观地捕捉到放电信号。为了实现其精准的图像识别，需要结合图像融合技术和图像处理技术。

1.1 图像融合

如图1 所示，紫外成像仪镜头由两部分组成，分别可以实现设备反射后的可见光和故障点放电后的辐射光捕捉，然后经过光电耦合器（Charge-coupled Device，CCD）和增强型光电耦合器（Intensified Charge-Coupled Device，ICCD）的光电转换作用[15]，最终完整实现电气设备本体上放电光斑的显示。

图1 紫外图像融合技术Fig.1 Image fusion of UV

1.2 图像处理

紫外成像仪采集到的图像为视频流，为了定量实现光斑面积的计算，主要包含背景差分、噪声抑制和特征提取3 部分。

主成分分析法适用于背景图像提取，电气设备为静止图像，放电光斑为运动图像，利用这一特点，可基于背景差分原理进行帧差法计算：

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

然后进行阈值判断：

式中：ε为背景差分的阈值。

噪声抑制主要基于中值滤波、阈值分割和形态学方法实现放电光斑轮廓提取。形态学处理主要包含开闭运算，即腐蚀与膨胀运算。

最终，统计所有边界区域内的像素数，从而计算其光斑面积。若将放电区域灰度值为255 的点定义为1，则光斑面积为A区域中1 的总数S为：

2 试验方案

2.1 试验平台搭建

依据GB/T 2317.2，搭建悬垂式电力金具电晕试验布置图，如图2 所示。为完整模拟现场环境，需配置模拟横担和模拟导线。试验电源逐步升高电压，直至达到试验金具的测试电压，待产生稳定的电晕放电，通过紫外成像仪记录放电视频。

图2 电力金具电晕试验布置图Fig.2 Corona test layout of electric power fittings

2.2 试验方案

均压环常用于330 kV 线路中，因为导线的端部效应，两端电场分布不均匀，容易产生电晕现象，均压环起到均压屏蔽的作用，同时也可能造成自身闪络的风险，为此，本文以均压环作为电力金具的典型部件，进行电晕试验。

试验中采用330 kV 复合绝缘子，内侧弯曲半径为220 mm、管径为32 mm 的均压环，系统额定电压为330 kV，紫外成像仪采用南非的CoroCAM504。由于均压环经过抛光处理，表面光滑，干燥情况下改变电压仅能发生微弱的电晕放电，为此可通过改变均压环表面的湿度，达到强烈放电的目的。

2.3 光斑面积归一化研究

光斑面积可用于设备放电强度的定量分析，较光子数分析更精确[2]。由紫外成像仪的内部结构以及光学原理可知，当增益固定不变时，基于三角形相似定理，光斑面积So与内部ICCD的成像面积Si呈现正比例关系，见式(6)。

式中：v为像距；k为比例系数；d为观测距离。当增益和电压等级一定时，v值固定不变，此时，光斑面积与观测距离成幂指数关系。

电压等级分别取200 kV、250 kV、300 kV、330 kV，增益设置为70%，为此，开展5m、10 m、15m、20m下不同观测距离的研究，对捕捉到的放电图像进行定量计算，并绘制不同电压的光斑面积曲线，如图3所示。

按照电压等级进行光斑面积与观测距离的幂指数拟合，汇总如表1所示。

图3 光斑面积与观测距离关系图Fig.3 Relation diagram of spot area and observation distance

表1 不同电压等级下的拟合表达式Table 1 Fitting expressionsunder different voltage level s

由表1可知，在电压一定时，拟合度接近1，说明光斑面积与观测距离近似成幂指数关系。由于实际测量过程中，观测距离会有所变化，所以需要对其进行归一化处理，设定10m 观测距离为标准值，经过大量数据统计分析，可得出如下结论：

2.4 对比试验

电力金具放电强度一般通过局部放电测试仪进行评估，即检测到的放电量表征电力金具放电状态。为此，需对放电光斑面积和放电量之间的关系进行研究，参照图2搭建测试环境，电力金具外接取样电阻，通过局部放电测试仪采集放电信号，对比不同电压等级下的放电量和光斑面积，绘制曲线如图4所示。

图4 光斑面积与放电量的关系曲线Fig.4 Relation curve of spot area and discharge capacity

通过Matlab仿真计算工具，对光斑面积和放电量的数值进行线性拟合分析，可得：

式中：q为放电量；s为光斑面积，拟合度为0.99，所以可以证明光斑面积表征电力金具的放电强度是合理的。

3 数据分析

3.1 紫外图像特征

参考高压电气设备放电发展过程，主要由3个阶段组成，如图5所示。

图5(a)为电晕放电阶段，均匀环的电晕起始电压大约为245kV，此时电晕声并不明显，紫外成像仪仅能检测到部分零星的光斑，而且放电并不稳定。通过均压环表面湿度的增加，放电强度会逐步加强，光斑路径会逐步扩展，但光斑面积序列的波动较小。

图5(b)为小电弧阶段，当测试电压达到300kV时，均压环表面会交替出现较大光斑和较小光斑，但大光斑持续的时间较短，一般仅持续1～5s左右。随着湿度的增加，大光斑持续时间和发生几率会相应增加，会听到明显的放电声音，在黑暗情况下可以看见细丝状电弧，同时光斑面积序列的波动较大。图5(c)为强烈火花放电阶段，当测试电压达到320kV 时，均压环表面会出现较大光斑，同时持续时间较长，放电现象比较稳定。该阶段放电比较强烈，可以听到明显的嘶嘶声，可观测较多的放电通道。

图5 均压环电晕放电紫外图像Fig.5 UV image of corona discharge for grading ring

3.2 状态评估

统计不同湿度情况下，放电光斑面积随电压等级变化的曲线如图6所示。湿度低一般指均压环湿润，但其下表面未聚成明显的水滴，湿度高一般指均压环内外径表面均有水膜覆盖，同时其下表面可见较大的水滴。

图6 不同湿度情况下光斑面积变化Fig.6 Spot area changesunder different humidity conditio ns

在湿度一定的情况下，随着电压增加，光斑面积也相应增加。在电压等级一定的情况下，随着湿度增加，光斑面积也相应增加。经过归一化计算，当增益为70%，观测距离为10m 时，电晕放电阶段，放电光斑面积约为1000像素；小电弧阶段，放电光斑面积约为5000像素；强烈火花放电阶段，放电光斑面积约为10000像素。

低电压等级下，金具表面仅有微弱的电晕放电时，电离区域较小，属于较安全的状态。随着电压的增加，放电区域逐步扩展，电离区域扩大，发出清晰的放电声，金具处于较危险的状态。待进入强烈火花放电阶段，放电通道增加，放电进入危险区，此时进入高危状态。当增益为70%时，观测距离为10m，统计不同类型的电力金具不同放电阶段的光斑面积，电力金具安全状态分为无缺陷，一般缺陷，严重缺陷，紧急缺陷4个状态，对应的3个界限值汇总见表2。

表2 电力金具放电强度状态评估Table 2 Estateevaluation for discharge intensity of elect ric power fittings

瓷绝缘子铁脚和均压环放电光斑面积比较大，对于紧急缺陷，需要及时更换处理，以免造成线路安全事故。

4 结论

针对电力金具放电强度，基于图像识别技术，进行紫外光斑面积的特征提取，并开展了电晕放电试验研究，结论如下：

1）光斑面积与放电量呈线性关系，光斑面积表征电力金具放电强度是合理的。

2）光斑面积随电力金具放电强度增加而增加。当增益为70%时，观测距离为10m时，电晕放电阶段，放电光斑面积约为1000像素；小电弧阶段，放电光斑面积约为5000像素；强烈火花放电阶段，放电光斑面积约为10000像素；

3）根据紫外图像特征，电力金具分为无缺陷，一般缺陷，严重缺陷，紧急缺陷4个状态。

本结论为电力金具提供了定量化的评估指标，为输变电线路运维提供了技术支撑。