張宏釗，李 勛，安韻竹, 伊仁圖太(．深圳供電局有限公司，廣東 深圳 58000；.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 4007；.深圳市同步銀星電氣有限公司，廣東 深圳 58000)

高壓輸變電設(shè)備長期在暴露的空氣中運(yùn)行，其表面污穢及空氣濕度不可避免地造成絕緣劣化和老化，導(dǎo)致電力設(shè)備出現(xiàn)局部弱放電現(xiàn)象[1,2]。長時(shí)間的局放現(xiàn)象將損壞設(shè)備的絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致絕緣擊穿。由于背景噪聲復(fù)雜，聲波檢測、超高頻檢測等常規(guī)檢測方法難以準(zhǔn)確定位放電位置[3]。而電暈弱電離初期很難直接用肉眼觀察到，其輻射出的光波波長集中于紫外光波波段(200～400 nm)[1]。因此，日盲區(qū)紫外檢測技術(shù)成為確定在線運(yùn)行設(shè)備絕緣性能的重要手段之一。

傳統(tǒng)中壓電壓等級(jí)觀念中，往往忽視中低壓設(shè)備的電暈放電現(xiàn)象，在生產(chǎn)制造、現(xiàn)場安裝等環(huán)節(jié)往往未按高電壓等級(jí)理念來對待，對開關(guān)柜的工藝要求、導(dǎo)體布局、絕緣間隙等要求明顯偏低，造成電暈放電量偏高。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，一些變電站中35 kV 開關(guān)柜、絕緣子等中低壓電氣設(shè)備放電性故障已經(jīng)占到開關(guān)柜故障總數(shù)的50%以上，對主變乃至電網(wǎng)安全構(gòu)成了潛在的威脅[4]?？梢?，充分重視變電站開關(guān)柜、絕緣子等電力設(shè)備電暈放電狀態(tài)，對保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、降低設(shè)備和人身事故率具有重要現(xiàn)實(shí)意義。紫外線波長范圍在10～400 nm，而太陽光中絕大多數(shù)小于280 nm波長的紫外線均被臭氧層吸收，很難到達(dá)地面。因此，將低于280 nm的波長區(qū)稱為太陽盲區(qū)。高壓電力設(shè)備局放輻射的紫外光波波長大多分布在280～400 nm，也有少數(shù)紫外光波分布在160～280 nm。因此，將采用特定的紫外線傳感器使儀器工作在紫外波長160～280 nm之間的太陽盲區(qū)的紫外檢測方法稱之為日盲區(qū)紫外檢測。紫外成像儀拍攝過程受背景噪聲等影響，其記錄到的紫外圖像會(huì)出現(xiàn)白色噪聲點(diǎn)，影響判斷設(shè)備局放程度的真實(shí)情況。為更準(zhǔn)確地判斷放電點(diǎn)具體位置，還原實(shí)際放電形態(tài)和定量分析設(shè)備局部放電程度，有必要對記錄的紫外圖像進(jìn)行濾波降噪等圖像處理，標(biāo)定真實(shí)的放電區(qū)域[5-7]。本文從圖像處理的角度出發(fā)，提出采用閾值分割法、數(shù)學(xué)形態(tài)與局部濾除相結(jié)合降噪等算法標(biāo)定設(shè)備日盲紫外圖像的放電區(qū)域，并通過對絕緣子串日盲圖像處理驗(yàn)證本文方法的有效性，最后將本文算法用于計(jì)算干凈和污穢條件下絕緣子放電區(qū)域圖像面積，對比分析干凈和污穢條件下玻璃絕緣子局部放電強(qiáng)度。

1 紫外圖像放電區(qū)域的標(biāo)定方法

在數(shù)據(jù)圖像處理上，紫外圖像中放電區(qū)域標(biāo)定主要包括圖像預(yù)處理及分割、圖像降噪、局部濾除及邊界提取等部分。其中，圖像降噪是標(biāo)定紫外圖像放電區(qū)域的重要環(huán)節(jié)，本節(jié)采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行背景噪聲濾波處理。

1.1 圖像預(yù)處理及分割

為了方便處理紫外圖像，首先將紫外成像儀拍攝的RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度照片。在數(shù)據(jù)處理中，灰度照片用灰度矩陣表示，每個(gè)像素對應(yīng)灰度矩陣特定位置上的灰度值。

閾值法是灰度圖像分割的常用算法。閾值法的基本原理：結(jié)合圖像自身特點(diǎn)及其灰度直方圖確定閾值α，若照片上像素點(diǎn)的灰度超過該閾值，將該像素點(diǎn)灰度設(shè)為“1”；其他情況對應(yīng)像素點(diǎn)灰度設(shè)為“0”?；叶葓D像經(jīng)過閾值法處理后，轉(zhuǎn)換為黑白二值圖像，并可粗略地將放電區(qū)域提取出來，將不需要的背景用黑色填充。

1.2 圖像數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)降噪

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)作為一種數(shù)學(xué)方法，其關(guān)鍵參數(shù)為起“探針”作用的結(jié)構(gòu)元素，結(jié)構(gòu)元素收集信息并不斷移動(dòng)獲得在其在信號(hào)中的位置并檢測信號(hào)內(nèi)部之間的關(guān)系，以獲取有用信息用于分析信號(hào)特性[8]。在形態(tài)操作過程中，結(jié)構(gòu)元素實(shí)際是自定義的特定的鄰域矩陣。該矩陣具有任意維數(shù)和大小，內(nèi)部元素僅為0和1。其中，矩陣元素值為1的位置對應(yīng)灰度圖的像素，形態(tài)學(xué)相關(guān)運(yùn)算均在元素值為1的區(qū)域展開。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)以集合形式進(jìn)行運(yùn)算，其中腐蝕運(yùn)算(Erosion)和膨脹運(yùn)算(Dilation)屬于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的兩種基本數(shù)學(xué)運(yùn)算。而開啟運(yùn)算和閉合運(yùn)算均是腐蝕運(yùn)算和膨脹運(yùn)算的組合運(yùn)算。具體定義如式(1)、(2)所示：

A°B=(AΘB)⊕B

(1)

A·B=(A⊕B)ΘB

(2)

式中：A為待處理圖像灰度矩陣；B為選定的結(jié)構(gòu)元素矩陣；“Θ”表示腐蝕運(yùn)算；“⊕”表示膨脹運(yùn)算；“°”表示形態(tài)學(xué)開啟運(yùn)算；“·”表示形態(tài)學(xué)閉合運(yùn)算。

開啟運(yùn)算實(shí)際是對圖像灰度矩陣先腐蝕后膨脹，達(dá)到濾除二值圖像中像素尺寸較小的散點(diǎn)并使圖像邊界平滑的效果；閉合運(yùn)算則是對灰度圖像先進(jìn)行膨脹運(yùn)算再腐蝕運(yùn)算，從而消除圖像孔洞，保持圖像邊界平滑。

盡管放電區(qū)域可以從紫外二值圖像中被粗略提取出來，但二值圖像中依然存在大量干擾噪聲點(diǎn)。為了滿足降噪需求，本文采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)降噪算法對紫外二值圖像進(jìn)行初步降噪處理。而結(jié)構(gòu)元素是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)，其選擇的合理性直接決定紫外圖像形態(tài)學(xué)運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而紫外成像檢測到放電圖像大多呈圓形[9]，因此本文中，結(jié)構(gòu)元素形狀選取圓盤形，其半徑由具體圖像特性確定。為了盡量減少降噪引起的放電區(qū)域形狀畸變，本文對二值圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開啟運(yùn)算和閉合運(yùn)算進(jìn)行濾波降噪處理。

1.3 圖像局部濾除及放電邊界提取

二值圖像經(jīng)過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波降噪處理后，可能依然存在部分干擾噪聲點(diǎn)。此時(shí)，可采用局部濾除的方法，進(jìn)一步進(jìn)行二值圖像降噪處理。首先標(biāo)記二值圖像的連通區(qū)域，連通區(qū)域內(nèi)部均賦予該連通區(qū)域的序號(hào)值；然后，計(jì)算灰度矩陣中各連通域?qū)?yīng)的元素?cái)?shù)目；最后結(jié)合實(shí)際圖像和各連通區(qū)域?qū)?yīng)的元素?cái)?shù)目設(shè)定閾值，當(dāng)連通域?qū)?yīng)元素?cái)?shù)目低于該閾值時(shí)，該連通域?qū)?yīng)灰度矩陣中的部分元素均設(shè)置為“0”。經(jīng)過局部濾除處理后，二值圖像中白色區(qū)域即為待標(biāo)定的真實(shí)局部放電區(qū)域。本文采用“4-”連接邊沿方式[10]確定圖像中相鄰像素是否連接，以標(biāo)定電暈放電區(qū)域的邊界。

1.4 放電區(qū)域二維面積的求取

將二值圖像與原灰度圖像結(jié)合，在原灰度圖像中標(biāo)定電暈放電區(qū)域及其邊界。具體方法為記錄二值圖像素矩陣中的放電區(qū)域及其邊界的坐標(biāo)位置，并將原灰度圖中對應(yīng)位置處的灰度值設(shè)為“255”和“0”。放電區(qū)域二維面積的求取公式如式(3)所示：

S=N1s

(3)

式中：S為放電區(qū)域面積比例；N1為放電區(qū)域總像素個(gè)數(shù)；s為每個(gè)像素的實(shí)際面積。

本文后續(xù)計(jì)算中未考慮像素點(diǎn)面積，保持紫外拍攝過程中空間相對位置及拍攝參數(shù)不變，達(dá)到不同實(shí)驗(yàn)條件下的紫外圖像像素點(diǎn)對應(yīng)實(shí)際面積相同的目的。

2 電暈放電區(qū)域標(biāo)定實(shí)例分析

2.1 放電區(qū)域標(biāo)定圖像處理

采用以色列OFIL紫外成像儀-SuperB對絕緣子串的局部電暈放電情況開展紫外成像拍攝。圖1為某變電站35kV低壓側(cè)拍攝的絕緣子串周圍局放紫外RGB彩色圖像。采用第一節(jié)中所述算法對該照片進(jìn)行處理，成像結(jié)果如圖2所示。

圖1 絕緣子紫外彩色圖像

圖2 紫外RGB彩色圖像處理流程

圖3 灰度圖象的灰度值曲線

首先將圖1轉(zhuǎn)換為灰度圖像后，繪制其灰度值分布曲線如圖3所示。結(jié)合圖1圖像和圖3所示灰度值雙峰分布曲線，可以確定電暈放電區(qū)域的灰度值集中分布于240～250，絕大部分背景灰度值低于200，故確定圖像分割閾值α取240。經(jīng)多次嘗試發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)元素選取采用半徑r=1的圓盤時(shí)，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)降噪效果最佳。圖像處理過程，每一步處理效果如圖4所示。

圖4 圖像處理過程

2.2 不同污穢條件放電區(qū)域面積分析

放電區(qū)域面積定義為放電區(qū)域內(nèi)的像素總數(shù)與像素代表實(shí)際面積的乘積。由于實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備及拍攝參數(shù)保持不變，每種實(shí)驗(yàn)條件下拍攝照片的像素點(diǎn)代表的實(shí)際面積相同。假設(shè)像素點(diǎn)代表實(shí)際面積為1，則放電區(qū)域面積即為其像素總數(shù)，單位為pixel。對干凈和污穢條件下的玻璃絕緣子分別施加35、45、50、54、58、60、62、64 kV工頻電壓，利用紫外攝像儀記錄不同實(shí)驗(yàn)條件下絕緣子局部電暈放電圖像。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，本組試驗(yàn)在同一實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)完成，觀測距離均為7 m。試驗(yàn)過程中，溫度為31 ℃，相對濕度為65%。采用本文圖像處理算法，計(jì)算得到不同電壓下絕緣子串局部放電區(qū)域面積對比如圖5所示。

圖5 絕緣子局部放電區(qū)域面積與電壓關(guān)系曲線圖

如圖5所示，隨著外施工頻電壓幅值的增加，絕緣子串的局部放電區(qū)域的面積增強(qiáng)；污穢絕緣子的局部放電區(qū)域的面積大于干凈絕緣子的局部放電區(qū)域面積。這說明污穢條件下玻璃絕緣子的局部放電強(qiáng)度明顯增大。該結(jié)論與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了本文紫外圖像局部放電區(qū)域標(biāo)定方法的有效性。

3 結(jié) 語

(1)本文采用閾值分割法將圖像進(jìn)行日盲紫外圖像二值化處理，并采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和局部濾除相結(jié)合進(jìn)行圖像降噪濾波，最后采用四鄰域連接算法提取放電區(qū)域邊界。該方法簡單實(shí)用，對實(shí)際電站巡檢工作具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

(2)采用本文方法對絕緣子串的紫外圖像中的局部放電區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的放電區(qū)域與實(shí)際局部放電區(qū)域相符，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

(3)開展不同電壓下對干凈絕緣子和污穢絕緣子的放電紫外觀測試驗(yàn)，并采用本文算法提取不同情況下放電區(qū)域面積。相同電壓作用下，污穢絕緣子的局部放電區(qū)域面積大于干凈絕緣子的局部放電面積，說明污穢條件下玻璃絕緣子的局部放電強(qiáng)度較大。

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