姚 磊

（國網(wǎng)北京市電力公司）

0 引言

高壓電氣設(shè)備常用的放電缺陷檢測方法有：肉眼觀察法、超聲波檢測、泄漏電流在線監(jiān)測、紅外成像儀觀測、紫外成像儀檢測等，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都有各自的適用范圍。紫外成像技術(shù)能夠檢測到電暈放電和表面局部閃絡(luò)的現(xiàn)象，可以更靈敏、更直接地觀察運(yùn)行中輸變電設(shè)備的放電情況，為設(shè)備外絕緣的缺陷診斷提供依據(jù)。隨著日盲型紫外成像技術(shù)的日趨成熟，我國在2000年以后開始將紫外成像技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備檢測，國內(nèi)省級(jí)以上的電力試驗(yàn)和研究機(jī)構(gòu)開始大量應(yīng)用紫外成像儀，取得了一定的研究成果。雖然國內(nèi)的實(shí)踐工作量大，且有較多的基礎(chǔ)，但是紫外圖像、測量數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)間的關(guān)系還不清晰，沒有形成完善的相關(guān)檢測和判別標(biāo)準(zhǔn)。

1 紫外成像技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

紫外成像技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研究和應(yīng)用，但當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，所以各國對(duì)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用都進(jìn)行了嚴(yán)格的保密。1981年，前蘇聯(lián)電力專家最早將該技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)。1984年，西伯利亞電力科學(xué)院利用紫外成像技術(shù)開發(fā)了紫外電子光學(xué)探傷儀，并將其應(yīng)用于交流高壓輸變電線路和設(shè)備外部絕緣狀態(tài)的遠(yuǎn)距離檢測，但它只能用于夜間檢測。俄羅斯在最近二十多年不斷應(yīng)用和完善紫外成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了一套成熟的針對(duì)各類設(shè)備缺陷的檢測指導(dǎo)方法。

在俄羅斯的帶動(dòng)下，20世紀(jì)90年代末期，紫外成像技術(shù)在美國、南非、以色列等國家的民用市場得到了迅速地普及和推廣，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)了紫外成像技術(shù)的研究和生產(chǎn)。特別是近年來，由以色列OFIL公司和美國電力科學(xué)研究院（EPRI）共同研發(fā)而成的Daycor紫外電暈成像儀以及由南非CSIR（Centre for IntegratedSensing Systems）和南非最大的供電機(jī)構(gòu)ESKOM 合作研發(fā)的CoroCAM系列紫外成像儀，都克服了俄羅斯紫外電子光學(xué)探傷儀只能用于夜間檢測的缺點(diǎn)，它們可以在明亮的日光下觀測到電暈現(xiàn)象，即目前最為流行的日盲型檢測技術(shù)。日盲型檢測的核心部件是濾光片，濾光片的通帶范圍設(shè)計(jì)在240～280nm的范圍，在這一波長范圍內(nèi)，太陽光中的紫外成分基本被大氣吸收，而空氣放電產(chǎn)生紫外線波長范圍在230～400nm之間，利用這一窗口就能夠達(dá)到日盲紫外探測的目的，圖1為OFIL的產(chǎn)品組成示意圖。

圖1 常見的日盲型成像儀組成結(jié)構(gòu)示意圖

20世紀(jì)90年代初，隨著世界上其他國家民用紫外成像檢測技術(shù)的快速發(fā)展，相應(yīng)的一些檢測設(shè)備開始進(jìn)入我國市場。以長春光機(jī)所為代表的一些研究所和企業(yè)在紫外檢測領(lǐng)域開展了研究工作，取得了長足的進(jìn)步，通過改進(jìn)紫外透鏡組使定位的準(zhǔn)確程度得到了提升。由于我國大部分紫外成像設(shè)備的制造廠家都來自光電領(lǐng)域，因而在紫外光路設(shè)計(jì)方面較為保守，光路通常較為復(fù)雜，光損耗較大，產(chǎn)品制造難度大，價(jià)格昂貴，不易推廣。近年來隨著紫外成像設(shè)備的使用，積累的數(shù)據(jù)越來越多，紫外檢測結(jié)果的人工判別的工作量突增，急需研究智能的圖像識(shí)別和自動(dòng)診斷技術(shù)。由于紫外成像儀價(jià)格昂貴，至今用戶配置紫外檢測設(shè)備還較少，這一方面限制了推廣應(yīng)用，而且進(jìn)一步限制了紫外檢測數(shù)據(jù)的廣泛收集，也限制了相關(guān)診斷技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此，積極開展研究工作，實(shí)現(xiàn)紫外檢測設(shè)備的國產(chǎn)化，降低價(jià)格，擴(kuò)大應(yīng)用范圍是目前技術(shù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

2 紫外成像關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)研究

高壓電氣設(shè)備如果出現(xiàn)外絕緣缺陷，可能引起外部場強(qiáng)的變化，當(dāng)局部場強(qiáng)達(dá)到 24～30kV/cm時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電暈或局部放電現(xiàn)象。放電將引起空氣分子電離，產(chǎn)生聲波、光波和電磁輻射等特征信號(hào)，如何準(zhǔn)確檢測到這些特征信號(hào)，并且與電氣設(shè)備各類缺陷及發(fā)展程度相對(duì)應(yīng)，是紫外成像技術(shù)目前研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

2.1 紫外檢測靈敏度和光電關(guān)系研究

2.1.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

選用目前國際先進(jìn)的紫外成像儀，針對(duì)工頻電壓作用下幾種輸變電設(shè)備外絕緣模擬缺陷進(jìn)行電極放電紫外成像試驗(yàn)，對(duì)其放電過程和放電機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)接線原理如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)接線原理圖

2.1.2 多因素對(duì)檢測靈敏度的影響特性研究

在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)針?板電極，尖?尖電極進(jìn)行加壓后，用紫外成像儀觀察并記錄數(shù)據(jù)，從而尋找放電信號(hào)和光子數(shù)、距離、設(shè)備增益、環(huán)境以及電壓等因素對(duì)紫外信號(hào)的關(guān)系。

（1）紫外光子數(shù)與距離、增益的關(guān)系

采用針?板間隙產(chǎn)生較穩(wěn)定的電暈放電，用紫外成像儀觀察，在一定的距離下改變增益，統(tǒng)計(jì)各個(gè)增益下1min內(nèi)紫外光子數(shù)的平均值。改變不同的距離，重復(fù)上述步驟，研究在穩(wěn)定的電暈和相同的增益觀測下，紫外光子數(shù)與距離的關(guān)系。

（2）紫外光子數(shù)與環(huán)境的關(guān)系

由于高壓設(shè)備電暈放電強(qiáng)度受氣壓、海拔、溫度、濕度及雨雪天氣等環(huán)境因素影響較大，其放電影像和光子數(shù)數(shù)值會(huì)隨上述因素的變化而改變。在額定運(yùn)行電壓下，研究不同污穢等級(jí)下濕度對(duì)絕緣子放電紫外成像特點(diǎn)的影響，搜集大量的電氣設(shè)備紫外缺陷圖譜，研究在不同環(huán)境下環(huán)境與放電光子數(shù)之間的關(guān)系。

（3）電暈放電與電壓的關(guān)系

針對(duì)電暈放電在紫外光子數(shù)隨放電強(qiáng)度、環(huán)境、儀器增益和觀測距離的變化特性，通過等價(jià)折算的方式將現(xiàn)場的放電強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成某一具體增益、測試距離、環(huán)境條件下的強(qiáng)度，建立具有紫外光電關(guān)系的放電光譜效應(yīng)模型。

2.1.3 絕緣子外絕緣放電紫外成像試驗(yàn)

在試驗(yàn)室內(nèi)模擬合成絕緣子、瓷絕緣子、外絕緣設(shè)備污穢、輸電導(dǎo)線等典型缺陷類型，利用紫外成像技術(shù)觀察其電暈放電現(xiàn)象，得到各種缺陷類型的紫外放電圖譜，探究設(shè)備的放電特征和特性，建立電力設(shè)備專有的外絕緣設(shè)備典型光譜模型。

（1）合成絕緣子外絕緣放電的紫外成像試驗(yàn)

在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)合成絕緣子施加額定運(yùn)行電壓下，模擬端部金具放電、均壓環(huán)放電、水珠放電、護(hù)套開裂放電等缺陷，利用紫外成像儀進(jìn)行紫外成像試驗(yàn)，從而研究合成絕緣子的放電特性。

（2）瓷絕緣子外絕緣放電的紫外成像試驗(yàn)

在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)瓷絕緣子施加額定運(yùn)行電壓下，模擬裂紋和破損放電、低值或零值放電、鋼腳或鐵帽銹蝕放電、閃絡(luò)痕跡放電等缺陷，利用紫外成像儀進(jìn)行紫外成像試驗(yàn)，從而研究瓷絕緣子的放電特性。

（3）污穢外絕緣設(shè)備的光電特性對(duì)比

本試驗(yàn)?zāi)M清潔和一級(jí)污穢外絕緣設(shè)備放電、一級(jí)污穢和二級(jí)污穢絕緣子放電，對(duì)比不同程度污穢和涂料影響下，外絕緣設(shè)備的放電特性。

（4）輸電導(dǎo)線放電的紫外成像試驗(yàn)

1）導(dǎo)線散股、斷股放電：局部導(dǎo)線因斷裂突起產(chǎn)生尖端，引起局部電場強(qiáng)度增加，從而產(chǎn)生放電。在試驗(yàn)室內(nèi)模擬導(dǎo)線斷股的情況，研究其放電特性。

2）導(dǎo)線劃傷、磨損和小毛刺放電：架線時(shí)托傷、運(yùn)行過程中外部損傷以及導(dǎo)線上殘留金屬突出物和小毛刺等，這些因素都可能導(dǎo)致導(dǎo)線附近電場強(qiáng)度變強(qiáng)，產(chǎn)生電暈。在試驗(yàn)室內(nèi)用銼刀將導(dǎo)線表面部分銼粗糙，用來模擬導(dǎo)線局部磨損的情況，研究其放電特性。

2.2 紫外成像的特征提取與故障診斷研究

在試驗(yàn)室內(nèi)模擬不同典型缺陷的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像處理技術(shù)提取紫外圖像的原始特征，以及脈沖電流法對(duì)放電量進(jìn)行定量描述，再利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)原始特征進(jìn)行分類判別，從而建立外絕緣設(shè)備典型缺陷故障數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)典型故障的判斷及綜合診斷。

2.2.1 外絕緣設(shè)備的紫外圖像中電暈放電特征

紫外圖像攜帶大量放電特性的信息，如放電位置、放電的大致形狀、放電點(diǎn)個(gè)數(shù)和放電區(qū)域的大小等。為了盡可能高效率地利用紫外成像圖片所攜帶的信息。提取4個(gè)特征量，分別為：光斑面積、邊界周長、長軸、短軸。此外，放電的空間分布能直觀地呈現(xiàn)放電位置和強(qiáng)度等信息，也是反映設(shè)備放電情況的重要特征參數(shù)，需對(duì)此分析。

2.2.2 外絕緣設(shè)備放電紫外圖像的原始特征的提取方法

根據(jù)上述紫外圖像的特征，通過數(shù)字圖像處理算法提取了圖像中放電光斑區(qū)域流程框圖如圖3示。

圖3 電暈放電特征提取流程

2.2.3 基于深度學(xué)習(xí)的外絕緣設(shè)備放電紫外圖像的特征提取方法

收集現(xiàn)有的紫外典型缺陷圖譜，建立外絕緣設(shè)備典型缺陷故障數(shù)據(jù)庫，利用外絕緣設(shè)備放電紫外圖像的原始特征的提取方法提取原始特征，再對(duì)紫外原始特征進(jìn)行分析與典型庫原始特征進(jìn)行匹配和比對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表征外絕緣設(shè)備的狀態(tài)檢測。

3 新型智能化國產(chǎn)紫外成像儀開發(fā)研究

在外絕緣設(shè)備典型缺陷故障數(shù)據(jù)庫和紫外光電響應(yīng)模型對(duì)紫外圖譜進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷的基礎(chǔ)上，研制一款小型化、低成本、智能化以及可靠的電力專用紫外成像儀，實(shí)現(xiàn)外絕緣設(shè)備的實(shí)時(shí)判斷分析和智能輔助決策。

3.1 研制基于人體工學(xué)的紫外成像裝置

研究紫外成像裝置短光路、小型化、抗震動(dòng)技術(shù)，針對(duì)特殊天氣環(huán)境下設(shè)備的適應(yīng)性開展相關(guān)測試研究。局部放電產(chǎn)生的光主要集中在紫外光譜波段，紫外成像模塊由日盲濾光鏡、紫外鏡頭、紫外ICCD等模塊組成，可以在全天內(nèi)對(duì)局部放電產(chǎn)生紫外信號(hào)進(jìn)行檢測。日盲型紫外成像模塊示意圖如圖4所示。

圖4 紫外成像模塊示意圖

智能紫外成像儀主要包括：顯示屏、ARM板、紫外成像模塊、可見模塊、電源系統(tǒng)和通訊模塊等六部分，如圖5所示。

圖5 智能紫外成像儀硬件邏輯圖

3.2 紫外檢測的實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)研究

3.2.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加速與實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)

對(duì)于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來講為了提高模型的性能，一般采用的方法是增加模型的層數(shù)，用較大的模型來訓(xùn)練并應(yīng)用。對(duì)于采用定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算所帶來的精度損失問題，可以對(duì)算法所用的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量化壓縮，在不損失精度的前提下，把原模型中雙精度浮點(diǎn)的權(quán)重、數(shù)據(jù)以及偏置量通過量化的方法以更少位數(shù)的定點(diǎn)數(shù)來表示。

3.2.2 設(shè)備狀態(tài)分析、缺陷判斷及預(yù)警系統(tǒng)

研究與小型紫外成像裝置相配套的、具有實(shí)時(shí)放電強(qiáng)度量化和缺陷等級(jí)判斷功能的外絕緣設(shè)備狀態(tài)分析和預(yù)警軟件系統(tǒng)。利用具有紫外光電關(guān)系的設(shè)備放電量綜合校正模型對(duì)紫外信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，同時(shí)利用基于深度學(xué)習(xí)的外絕緣設(shè)備典型缺陷故障數(shù)據(jù)庫對(duì)紫外圖譜進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，實(shí)現(xiàn)外絕緣設(shè)備的實(shí)時(shí)絕緣評(píng)級(jí)、缺陷分類診斷、狀態(tài)預(yù)警。

3.2.3 自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)化檢測報(bào)告

研究滿足高壓電氣設(shè)備巡檢業(yè)務(wù)需求的巡檢報(bào)告自動(dòng)生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生成紫外成像檢測報(bào)告的功能。根據(jù)巡檢業(yè)務(wù)實(shí)際需求，制定紫外成像帶電檢測作業(yè)規(guī)范化流程和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)模板，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)生成檢測報(bào)告，便于檢查作業(yè)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，提高了現(xiàn)場工作人員的檢測效率和質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文通過對(duì)紫外成像關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，分析了紫外成像檢測方法對(duì)外絕緣設(shè)備表面典型放電檢測的科學(xué)性，提出了基于智能圖像處理的外絕緣設(shè)備特征識(shí)別技術(shù)體系及典型缺陷故障數(shù)據(jù)庫建設(shè)方案，為新型低成本國產(chǎn)紫外成像儀的開發(fā)研制提供了思路。紫外成像技術(shù)應(yīng)用于電氣設(shè)備放電檢測，從而進(jìn)行缺陷及故障診斷是一種非?？茖W(xué)、先進(jìn)、實(shí)用的技術(shù)手段，為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障。