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        電力金具圖像故障狀態(tài)評估

        2020-07-28 06:32:08羅漢武李文震張海龍吳啟瑞
        紅外技術 2020年7期
        關鍵詞:成像儀金具電暈

        陸 旭,羅漢武,李文震,張海龍,吳啟瑞,雷 丞

        (1.國網內蒙古東部電力有限公司,內蒙古 呼和浩特 010020; 2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司,湖北 武漢 430074;3.武漢三江中電科技有限責任公司,湖北 武漢 430000)

        0 引言

        電力金具在電、熱、力等作用下,會受到一定的磨損,在輸變電工程強電磁環(huán)境的影響下,表現(xiàn)為磨損部位電場分布不均勻,最終發(fā)生電暈放電的現(xiàn)象,為線路的安全運行帶來隱患。傳統(tǒng)放電檢測方法分為超聲波法、脈沖電流法、紅外成像法,但由于受到電力工程自身強電磁環(huán)境的干擾,以上方法均無法精確定位放電故障位置。

        紫外成像技術的出現(xiàn),為輸變電工程電氣設備電暈放電故障定位提供了一種可靠的方案。國內外電力工作機構、高校相繼開展了紫外成像圖譜診斷研究,取得了一定的成效[1-3]。文獻[4-5]開展了光斑面積與放電強度內在規(guī)律的研究,驗證了紫外成像技術用于電暈放電強度的合理性。基于紫外圖譜,文獻[6-9]進一步研究了環(huán)境因素與高壓電氣設備電暈放電強度之間的關系,為輸變電工程前期規(guī)劃設計提供了一定的參考。劉云鵬[10]采用聚類分析的方法,實現(xiàn)了一種優(yōu)化后的紫外光斑面積提取方法。

        目前,紫外圖譜用于電氣設備放電強度的狀態(tài)評估較少,一般局限于絕緣子。文獻[11-13]針對氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated Transmission line,GIL)絕緣子、盤式絕緣子,依據(jù)污穢放電不同階段的特征,劃分了不同層級放電的嚴重程度。文獻[14]開展了金具在強風沙塵環(huán)境下電暈放電特性的研究,研究了沙粒粒徑與放電強度的宏觀和微觀關系。為此,本文以電力金具為研究對象,搭建了電暈放電觀測平臺,基于紫外成像技術和圖像處理技術,開展了其不同放電階段的紫外圖譜特征研究。

        1 圖像識別

        電力金具放電不明顯,肉眼難以觀測,紫外成像儀可形象直觀地捕捉到放電信號。為了實現(xiàn)其精準的圖像識別,需要結合圖像融合技術和圖像處理技術。

        1.1 圖像融合

        如圖1 所示,紫外成像儀鏡頭由兩部分組成,分別可以實現(xiàn)設備反射后的可見光和故障點放電后的輻射光捕捉,然后經過光電耦合器(Charge-coupled Device,CCD)和增強型光電耦合器(Intensified Charge-Coupled Device,ICCD)的光電轉換作用[15],最終完整實現(xiàn)電氣設備本體上放電光斑的顯示。

        圖1 紫外圖像融合技術Fig.1 Image fusion of UV

        1.2 圖像處理

        紫外成像儀采集到的圖像為視頻流,為了定量實現(xiàn)光斑面積的計算,主要包含背景差分、噪聲抑制和特征提取3 部分。

        主成分分析法適用于背景圖像提取,電氣設備為靜止圖像,放電光斑為運動圖像,利用這一特點,可基于背景差分原理進行幀差法計算:

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

        然后進行閾值判斷:

        式中:ε為背景差分的閾值。

        噪聲抑制主要基于中值濾波、閾值分割和形態(tài)學方法實現(xiàn)放電光斑輪廓提取。形態(tài)學處理主要包含開閉運算,即腐蝕與膨脹運算。

        最終,統(tǒng)計所有邊界區(qū)域內的像素數(shù),從而計算其光斑面積。若將放電區(qū)域灰度值為255 的點定義為1,則光斑面積為A區(qū)域中1 的總數(shù)S為:

        2 試驗方案

        2.1 試驗平臺搭建

        依據(jù)GB/T 2317.2,搭建懸垂式電力金具電暈試驗布置圖,如圖2 所示。為完整模擬現(xiàn)場環(huán)境,需配置模擬橫擔和模擬導線。試驗電源逐步升高電壓,直至達到試驗金具的測試電壓,待產生穩(wěn)定的電暈放電,通過紫外成像儀記錄放電視頻。

        圖2 電力金具電暈試驗布置圖Fig.2 Corona test layout of electric power fittings

        2.2 試驗方案

        均壓環(huán)常用于330 kV 線路中,因為導線的端部效應,兩端電場分布不均勻,容易產生電暈現(xiàn)象,均壓環(huán)起到均壓屏蔽的作用,同時也可能造成自身閃絡的風險,為此,本文以均壓環(huán)作為電力金具的典型部件,進行電暈試驗。

        試驗中采用330 kV 復合絕緣子,內側彎曲半徑為220 mm、管徑為32 mm 的均壓環(huán),系統(tǒng)額定電壓為330 kV,紫外成像儀采用南非的CoroCAM504。由于均壓環(huán)經過拋光處理,表面光滑,干燥情況下改變電壓僅能發(fā)生微弱的電暈放電,為此可通過改變均壓環(huán)表面的濕度,達到強烈放電的目的。

        2.3 光斑面積歸一化研究

        光斑面積可用于設備放電強度的定量分析,較光子數(shù)分析更精確[2]。由紫外成像儀的內部結構以及光學原理可知,當增益固定不變時,基于三角形相似定理,光斑面積So與內部ICCD的成像面積Si呈現(xiàn)正比例關系,見式(6)。

        式中:v為像距;k為比例系數(shù);d為觀測距離。當增益和電壓等級一定時,v值固定不變,此時,光斑面積與觀測距離成冪指數(shù)關系。

        電壓等級分別取200 kV、250 kV、300 kV、330 kV,增益設置為70%,為此,開展5m、10 m、15m、20m下不同觀測距離的研究,對捕捉到的放電圖像進行定量計算,并繪制不同電壓的光斑面積曲線,如圖3所示。

        按照電壓等級進行光斑面積與觀測距離的冪指數(shù)擬合,匯總如表1所示。

        圖3 光斑面積與觀測距離關系圖Fig.3 Relation diagram of spot area and observation distance

        表1 不同電壓等級下的擬合表達式Table 1 Fitting expressionsunder different voltage level s

        由表1可知,在電壓一定時,擬合度接近1,說明光斑面積與觀測距離近似成冪指數(shù)關系。由于實際測量過程中,觀測距離會有所變化,所以需要對其進行歸一化處理,設定10m 觀測距離為標準值,經過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,可得出如下結論:

        2.4 對比試驗

        電力金具放電強度一般通過局部放電測試儀進行評估,即檢測到的放電量表征電力金具放電狀態(tài)。為此,需對放電光斑面積和放電量之間的關系進行研究,參照圖2搭建測試環(huán)境,電力金具外接取樣電阻,通過局部放電測試儀采集放電信號,對比不同電壓等級下的放電量和光斑面積,繪制曲線如圖4所示。

        圖4 光斑面積與放電量的關系曲線Fig.4 Relation curve of spot area and discharge capacity

        通過Matlab仿真計算工具,對光斑面積和放電量的數(shù)值進行線性擬合分析,可得:

        式中:q為放電量;s為光斑面積,擬合度為0.99,所以可以證明光斑面積表征電力金具的放電強度是合理的。

        3 數(shù)據(jù)分析

        3.1 紫外圖像特征

        參考高壓電氣設備放電發(fā)展過程,主要由3個階段組成,如圖5所示。

        圖5(a)為電暈放電階段,均勻環(huán)的電暈起始電壓大約為245kV,此時電暈聲并不明顯,紫外成像儀僅能檢測到部分零星的光斑,而且放電并不穩(wěn)定。通過均壓環(huán)表面濕度的增加,放電強度會逐步加強,光斑路徑會逐步擴展,但光斑面積序列的波動較小。

        圖5(b)為小電弧階段,當測試電壓達到300kV時,均壓環(huán)表面會交替出現(xiàn)較大光斑和較小光斑,但大光斑持續(xù)的時間較短,一般僅持續(xù)1~5s左右。隨著濕度的增加,大光斑持續(xù)時間和發(fā)生幾率會相應增加,會聽到明顯的放電聲音,在黑暗情況下可以看見細絲狀電弧,同時光斑面積序列的波動較大。圖5(c)為強烈火花放電階段,當測試電壓達到320kV 時,均壓環(huán)表面會出現(xiàn)較大光斑,同時持續(xù)時間較長,放電現(xiàn)象比較穩(wěn)定。該階段放電比較強烈,可以聽到明顯的嘶嘶聲,可觀測較多的放電通道。

        圖5 均壓環(huán)電暈放電紫外圖像Fig.5 UV image of corona discharge for grading ring

        3.2 狀態(tài)評估

        統(tǒng)計不同濕度情況下,放電光斑面積隨電壓等級變化的曲線如圖6所示。濕度低一般指均壓環(huán)濕潤,但其下表面未聚成明顯的水滴,濕度高一般指均壓環(huán)內外徑表面均有水膜覆蓋,同時其下表面可見較大的水滴。

        圖6 不同濕度情況下光斑面積變化Fig.6 Spot area changesunder different humidity conditio ns

        在濕度一定的情況下,隨著電壓增加,光斑面積也相應增加。在電壓等級一定的情況下,隨著濕度增加,光斑面積也相應增加。經過歸一化計算,當增益為70%,觀測距離為10m 時,電暈放電階段,放電光斑面積約為1000像素;小電弧階段,放電光斑面積約為5000像素;強烈火花放電階段,放電光斑面積約為10000像素。

        低電壓等級下,金具表面僅有微弱的電暈放電時,電離區(qū)域較小,屬于較安全的狀態(tài)。隨著電壓的增加,放電區(qū)域逐步擴展,電離區(qū)域擴大,發(fā)出清晰的放電聲,金具處于較危險的狀態(tài)。待進入強烈火花放電階段,放電通道增加,放電進入危險區(qū),此時進入高危狀態(tài)。當增益為70%時,觀測距離為10m,統(tǒng)計不同類型的電力金具不同放電階段的光斑面積,電力金具安全狀態(tài)分為無缺陷,一般缺陷,嚴重缺陷,緊急缺陷4個狀態(tài),對應的3個界限值匯總見表2。

        表2 電力金具放電強度狀態(tài)評估Table 2 Estateevaluation for discharge intensity of elect ric power fittings

        瓷絕緣子鐵腳和均壓環(huán)放電光斑面積比較大,對于緊急缺陷,需要及時更換處理,以免造成線路安全事故。

        4 結論

        針對電力金具放電強度,基于圖像識別技術,進行紫外光斑面積的特征提取,并開展了電暈放電試驗研究,結論如下:

        1)光斑面積與放電量呈線性關系,光斑面積表征電力金具放電強度是合理的。

        2)光斑面積隨電力金具放電強度增加而增加。當增益為70%時,觀測距離為10m時,電暈放電階段,放電光斑面積約為1000像素;小電弧階段,放電光斑面積約為5000像素;強烈火花放電階段,放電光斑面積約為10000像素;

        3)根據(jù)紫外圖像特征,電力金具分為無缺陷,一般缺陷,嚴重缺陷,緊急缺陷4個狀態(tài)。

        本結論為電力金具提供了定量化的評估指標,為輸變電線路運維提供了技術支撐。

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