王勝輝，李 偉，姜婷玥，牛雷雷，律方成

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京 102206；2.華北電力大學電力工程系，河北 保定 071003)

0 引 言

近幾年，手持式、無人機(直升機)機載和機器人車載型日盲紫外成像儀已廣泛應用于輸變電設備放電檢測[1-3]。相對于傳統(tǒng)的放電檢測方法，日盲紫外成像檢測放電具有抗干擾能力強、探測靈敏度高和非接觸等優(yōu)點[4-5]，國內外電力系統(tǒng)運維部門和高校對紫外成像在實際中的應用進行了大量的研究。

紫外成像儀應用于現(xiàn)場放電檢測時，其外界因素會影響到氣體的電離過程，進而影響到放電時的紫外光信號輻射，導致同一缺陷在不同因素下的檢測結果存在較大差異。為實現(xiàn)對設備缺陷的定量分析和診斷，有必要研究不同因素對紫外成像量化參數(shù)[6]的影響特性。文獻[7]研究了在相同放電強度和放電類型下，光子數(shù)隨觀測距離的變化規(guī)律，并提出了修正模型。云南電科院研究了海拔高度對電暈放電的影響規(guī)律。華北電力大學研究了氣壓對棒-板間隙電暈放電紫外成像檢測光子數(shù)和圖像量化參數(shù)的影響特性[8-9]。由上述研究現(xiàn)狀可知，目前對于不同因素對紫外成像檢測放電影響特性的相關文獻較少。

基于此，筆者以典型的棒-板間隙電暈放電模型為研究對象，研究了在不同觀測距離、增益、觀測角度、溫度、濕度、風速和氣壓下的紫外成像圖像光斑面積量化參數(shù)的變化特性。其相關結論對完成紫外量化參數(shù)的歸一化，進而建立電信號量化參數(shù)和紫外量化參數(shù)映射模型實現(xiàn)放電量化分析具有一定的意義。

1 紫外圖像量化參數(shù)提取

1.1 圖像預處理

電氣設備放電電離發(fā)光區(qū)域在紫外圖像中呈現(xiàn)形式為白色光斑，大小隨放電強度而變化，為實現(xiàn)對放電檢測[10-14]的量化評估，筆者利用數(shù)字圖像處理技術等對圖像參數(shù)進行特征提取，其流程框圖如圖1所示。

圖1 圖像處理與參數(shù)計算框圖Fig.1 Image processing ¶meter calculation flowchart

將放電光斑區(qū)域的像素點的個數(shù)定義為“光斑面積”[2]。高壓設備的電暈放電強度具有隨機性，導致光斑面積值大小隨放電而波動，為降低誤差，本文在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中，提取了錄制視頻連續(xù)的100幀圖像，分別計算每100幀圖像的光斑面積平均值[15-16]。

1.2 圖像處理與參數(shù)計算實例

為便于圖像處理和參數(shù)計算，利用Matlab的GUI開發(fā)了一套紫外參數(shù)提取軟件，處理效果如圖2。

圖2 紫外圖像處理的實例Fig.2 UV image processing example

如圖2所示，經形態(tài)學的開啟和閉合運算可有效濾除噪聲，計算可得光斑面積為1 768 pixel，即該放電圖像區(qū)域有1 768個像素點。

2 距離對放電紫外檢測的影響

試驗模型如圖3所示，棒電極直徑為3.2 cm，頭部為圓錐形，半徑約1.5 mm，板電極為圓盤形，半徑為20 cm，棒-板保持21.5 cm不變。紫外成像儀型號為CoroCAM504，增益為默認值70%，其他參數(shù)全部采用默認值。

圖3 棒-板間隙試驗模型Fig.3 Rod plate gap test model

在試驗時保持增益不變，分別給棒-板間隙施加電壓為40 kV、50 kV和60 kV左右，在同一電壓下分別設置觀測距離為4 m、8 m、12 m、16.5 m、26 m和41 m。同時利用HDMI高清視頻采集卡錄制相應的紫外視頻信號并進行分析處理。

以棒板-間隙施加50 kV電壓下，距離為8 m、12 m、16.5 m和26 m時典型的紫外圖像為例。見圖4。

圖4 不同距離下的放電紫外圖像Fig.4 UV images of discharge at different distances

基于試驗數(shù)據(jù)，光斑面積隨距離的變化曲線如圖5所示。

圖5 光斑面積隨距離的變化曲線Fig.5 Curve of spot area changing with distance

由上述數(shù)據(jù)，光斑面積隨著距離的增加而減少，在此采用冪函數(shù)進行擬合，如式(1)。大量試驗數(shù)據(jù)表明當觀測距離小于5 m時，由于紫外鏡頭對光線的折射作用會導致圖像的飽和作用不能反映真實的圖像，故將距離為4 m時的數(shù)據(jù)舍去。

f(D)=A·D-n

(1)

式(1)中，A為一常量系數(shù)；D為距離。表1為相應擬合函數(shù)表達式。

表1 光斑面積與距離擬合函數(shù)表達式Table 1 Fitting function expression of the relationship between spot area and distance

由表1可知，其相關系數(shù)均達到了0.99以上，兩者近似滿足冪函數(shù)變化特性，大量試驗表明n在1.77至1.78之間。

3 增益對放電紫外檢測的影響

采用如圖3所示的試驗模型，分別在電壓為40 kV、50 kV和60 kV時，固定觀測距離為16 m，改變增益為50%、60%、70%和80%，記錄紫外視頻并進行分析與處理。

基于試驗數(shù)據(jù)，光斑面積隨增益的變化曲線如圖6所示。

圖6 光斑面積隨距離的變化曲線Fig.6 Curve of spot area changing with gain

由上述試驗數(shù)據(jù)可知近似滿足指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，對上述數(shù)據(jù)進行擬合，其擬合函數(shù)式如表2所示。

表2 光斑面積與增益擬合函數(shù)表達式Table 2 Fitting function expression of the relationship between spot area and gain

由表2可知，相關系數(shù)大于0.97，具有較高的擬合度，兩者近似滿足指數(shù)函數(shù)變化趨勢。研究其他距離下的數(shù)據(jù)表明二者也近似滿足指數(shù)變化特性，指數(shù)系數(shù)在0.06～0.08之間。

4 觀測角度對放電紫外檢測的影響

在圖3所示的試驗模型中，利用儀器的定位功能確定放電點的正面，為0°，以正面為軸向，依次選取偏離此軸線30°、60°和90°(側面)。在距離為12 m，增益為70%下，加壓至40 kV、50 kV和60 kV左右，記錄紫外視頻并進行分析。得到光斑面積如圖7所示。

由圖7可以看出，在棒-板間隙中，隨著觀測角度的改變，光斑面積并沒有明顯的變化。

圖7 光斑面積隨觀測角度的變化曲線Fig.7 Curve of spot area changing with observation angle

5 環(huán)境因素對放電紫外檢測的影響

5.1 溫度對放電紫外檢測的影響

整個試驗在有機玻璃板箱內進行，為便于保持溫度，該箱體外包裹了厚度約為5 cm的隔熱層，試驗裝置示意圖如圖8所示。

圖8 試驗裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of test device

在圖8中，有機玻璃箱的長、寬和高分別為50 cm、50 cm和80 cm，棒板電極如圖3。為便于觀測放電，在箱體一側安裝了一塊直徑35 cm的透紫外玻璃，該玻璃在240～280 nm波段的透光率>98%[12-13]。固定觀測距離為8 m，增益為儀器默認值70%，其他參數(shù)也全部采用默認值。

結合現(xiàn)場檢測時的環(huán)境溫度條件，試驗時箱內溫度變化范圍控制為-20 ℃～60 ℃，內部溫度采用AZ8901測試儀測量。鑒于試驗時的環(huán)境溫度為21 ℃，對于低于環(huán)境溫度的試驗，先采用冷柜將上述有機玻璃箱整體降溫到-20 ℃，后置于環(huán)境溫度，隨著箱內與環(huán)境熱量交換，箱體內部會逐步升高溫度；對于高于環(huán)境溫度的試驗，采用設置在箱體底部的電加熱器進行加熱。

實驗時，棒-板間隙為20 cm，控制溫度步長約為5 ℃或10 ℃，選擇不同的溫度點進行加壓試驗，同時利用高清視頻采集卡錄制電壓分別為50 kV、60 kV 和65 kV下的紫外視頻信號。

以電壓為50 kV為例，溫度在-20 ℃、0 ℃、20 ℃ 和60 ℃的放電圖像如圖9所示。其變化曲線如圖10所示。

圖9 不同溫度下的放電紫外圖像Fig.9 Discharge UV images at different temperature

圖10 光斑面積隨溫度的變化曲線Fig.10 Variation curves of spot area with temperature

由圖10可知，變化曲線具有明顯的非線性變化特性，當溫度較低時，在本試驗中，約在-20 ℃～10 ℃范圍，光斑面積隨溫度增加而呈明顯的上升趨勢，10 ℃的光斑面積大約是-20 ℃時的3～7倍，變化較快，但溫度較高后，光斑面積隨溫度變化曲線表現(xiàn)一定的飽和趨勢，60 ℃的光斑面積大約是40 ℃時的1.5倍。

5.2 濕度對放電紫外檢測的影響

相關試驗仍然在如圖8所示的有機玻璃箱內進行，但無外部隔熱覆蓋層，采用1臺出霧量可控的工業(yè)型超聲波加濕器進行加濕，最大出霧量為3 000 mL/h，控制箱體內的濕度。

試驗時，相對濕度控制在40%～90%的范圍，濕度步長控制在10%左右。控制棒-板間隙分別為10 cm、15 cm和20 cm，然后分別在50 kV、60 kV和65 kV進行試驗，利用紫外成像儀記錄視頻。

基于試驗數(shù)據(jù)得出光斑面積與相對濕度的關系如圖11所示。

圖11 光斑面積隨相對濕度的變化曲線Fig.11 Curves of spot area with relative humidity

由圖11可知，在電壓50 kV、60 kV和65 kV下，相對濕度從40%增加到90%，光斑面積分別下降了52.4%、60.1%和70.2%。由上述變化趨勢，在此采用冪函數(shù)進行擬合，擬合函數(shù)如表3所示。

表3 光斑面積與濕度擬合函數(shù)表達式Table 3 Fitting function expressions for the relationship between spot area and humidity

由表3可知，其擬合相關系數(shù)均達到了0.96以上，也即兩者近似滿足冪函數(shù)變化特性，隨著電壓增加，其冪指數(shù)逐步增大，濕度在40%～90%的范圍內，冪指數(shù)約在1.6～2.6之間變化。

對棒-板間隙為10 cm和15 cm進行了驗證，光斑面積隨相對濕度的變化特性與20 cm具有類似的變化特性，限于論文篇幅，在此不再贅述。

5.3 風速對放電紫外檢測的影響

試驗仍然采用與圖3相同的棒-板間隙，但相關試驗在開放式的試驗空間進行，采用一大功率電風機模擬不同的風速，風機葉片面與棒電極軸向垂直[17-18]，且與棒電極端部位于同一水平面。通過調整風機功率以及風機與棒電極的距離，來改變棒電極端部處的風速。受試驗條件的限制，試驗時的最大風速約為12 m/s，對應于自然界中的大風天氣[19-20]，風速采用HT-9829風速儀測量棒電極端部風速。

分別給棒電極施加電壓50 kV、60 kV和65 kV，然后分別在無風和風速為4 m/s、8 m/s和12 m/s的情況下采集其放電的紫外視頻信號。基于試驗數(shù)據(jù)可得二者關系曲線如圖12所示。

由圖12可知，風速對光斑面積具有明顯的削弱作用，在電壓50 kV、60 kV和65 kV下，風速從0 m/s 增加12 m/s時，光斑面積分別減少76.7%、65.1%和41.7%。其原因可能是由于氣流加速了放電形成的帶電質點的擴散，相應放電光輻射強度和發(fā)光區(qū)域減少[16-17]。

圖12 光斑面積隨風速的變化曲線Fig.12 Curves of spot area with wind speed

5.4 氣壓對放電紫外檢測的影響

試驗在如圖13所示氣壓可調的封閉金屬罐內進行，棒板間隙如圖3。由抽氣機控制罐體內的氣壓，范圍為40 kPa～101.5 kPa，模擬從平原到高海拔地區(qū)(海拔約6 500 m)氣壓對放電的影響特性。

圖13 試驗裝置示意圖Fig.13 Experimental device schematic

由試驗數(shù)據(jù)可得到光斑面積與氣壓的關系曲線如圖14所示。

圖14 光斑面積隨氣壓的變化曲線Fig.14 Curves of spot area with air pressure

分析上述試驗數(shù)據(jù)可知隨著氣壓的增加光斑面積明顯變小，采用冪函數(shù)進行擬合分析，見式(2)。

f(p)=A·p-n

(2)

式(2)中，A為一常量系數(shù)；p為氣壓。表4為部分電壓下的擬合函數(shù)表達式。

表4 光斑面積與氣壓擬合函數(shù)表達式Tabal 4 Fitting function expression of spot area with air pressure

分析可知，采用冪函數(shù)擬合其可決系數(shù)均接近于1，也即光斑面積與氣壓之間近似滿足冪函數(shù)變化特性，但不同氣壓下其冪指數(shù)并不相同，氣壓在28 kPa～101.5 kPa的范圍內，冪指數(shù)約在1.0～1.6之間變化。對棒-板間隙為10 cm和15 cm進行了重復試驗，光斑面積隨氣壓的變化特性與20 cm具有類似的變化特性，限于篇幅有限，在此不再贅述。

6 結 論

1)光斑面積隨著距離的增加逐漸減小，二者近似滿足冪函數(shù)變化特性。

2)光斑面積隨著增益的增加明顯而增加，二者近似滿足指數(shù)函數(shù)變化趨勢。

3)隨著觀測角度的改變，放電光斑面積基本不變。

4)隨著溫度的增加，放電光斑面積表現(xiàn)為非線性上升，并呈現(xiàn)一定的飽和趨勢。

5)光斑面積隨著相對濕度的增加而減小，二者近似滿足冪函數(shù)變化特性，但不同氣壓下其冪指數(shù)并不相同，隨著電壓增加，其冪指數(shù)有逐步增大的趨勢。

6)風速對電暈放電具有一定的削弱作用，光斑面積隨風速增加而降低。

7)氣壓對紫外成像有明顯的影響，氣壓越高，光斑面積越小，二者近似滿足冪函數(shù)關系。