謝宏偉，徐國輝，呂通發(fā)，李祥杰，牟鑫，辛鵬

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內(nèi)蒙古 興安盟 137400）

0 引言

輸電線路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，霧凇、覆冰、污穢等惡劣環(huán)境可能會加劇外絕緣放電的現(xiàn)象[1-4]，長期運(yùn)行下，可能發(fā)生電力事故，嚴(yán)重影響線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，有必要開展輸電線路的異常狀態(tài)監(jiān)測。絕緣子是輸電線路的重要部件，國內(nèi)外學(xué)者[5-9]針對其異常放電開展了大量的研究。監(jiān)測方法主要包括紅外測溫、泄露電流或紫外圖譜等。泄露電流為接觸式測量方法，并不適應(yīng)于野外環(huán)境監(jiān)測；紅外測溫和紫外圖譜為非接觸式測量方法，但前者受環(huán)境影響較大，易受干擾，而紫外成像相對較穩(wěn)定。

紫外成像主要基于光子數(shù)或者光斑面積進(jìn)行放電強(qiáng)度的定量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)絕緣子故障狀態(tài)的評估。艾建勇[10]等采用光斑面積的方法，研究了污穢放電和濕度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[11-12]統(tǒng)計(jì)了不同放電階段的光斑面積，開展了絕緣子污穢放電嚴(yán)重程度的評估。目前紫外圖譜分析主要以絕緣子軸向放電路徑[13-14]開展的，徑向放電路徑較少，尤其對直徑較大的盤式絕緣子。為此，本文以盤式絕緣子為研究對象，基于圖像處理技術(shù)，開展不同電阻率、風(fēng)速情況下積污絕緣子的紫外圖譜特征研究。

1 紫外圖像特征提取

盤式絕緣子在生產(chǎn)制造中的機(jī)械擠壓，或者帶電運(yùn)行過程中操作過電壓引起的電弧作用下，外形結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生表面凸起或凹陷等缺陷，以至于邊緣不連續(xù)，Chan-Vese（C-V）模型可解決這類問題，具有良好的圖形分割效果，同時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此，筆者采用C-V 模型對盤式絕緣子的紫外圖像進(jìn)行特征提取。

1.1 圖像分割

I(x,y)定義為以盤式絕緣子中心為圓心，半徑小于R的圖像區(qū)域，對應(yīng)的定義域?yàn)棣福籆表示該區(qū)域的閉合輪廓；Ci和Co分別表示以C為界限的圖像內(nèi)部區(qū)域和圖像外部區(qū)域，定義C-V 模型的能量函數(shù)：

式中：LC是輪廓C的周長；是Ci面積，系數(shù)μ、η≥0，λ1、λ2＞0；Gi、Go分別是Ci和Co的平均灰度值。

引入水平集函數(shù)Φ(x,y)，輪廓曲線C可表示為：

引入函數(shù)H(z)和δ(z)：

所以能量函數(shù)可變化為：

設(shè)Φ(t,x,y)是Φ(x,y)在t時(shí)刻的數(shù)值，利用歐拉-拉格朗日方法推導(dǎo)可得：

能量函數(shù)的最優(yōu)解采用正則化函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

式中：ε為較小的正數(shù)。

1.2 徑向分析

為便于分析，令盤式絕緣子中心點(diǎn)(0,0)光斑面積設(shè)為0，即ΦR=0(x,y)=0。

半徑為R的區(qū)域光斑面積為：

為研究盤式絕緣子徑向電暈放電強(qiáng)度的分布規(guī)律，計(jì)算半徑為R的光斑面積增加量為：

2 現(xiàn)場測試

搭建工頻高壓試驗(yàn)平臺，對污穢盤式絕緣子施加電壓，采用CoroCAM504 型的紫外成像儀，捕捉放電圖像，進(jìn)行灰度處理后，僅保留放電光斑，未進(jìn)行C-V 模型處理的紫外圖像如圖1 所示。

圖1 未處理的紫外光斑圖像Fig.1 Raw image of ultraviolet flare area

實(shí)際測試中，由于自由電子與正離子的復(fù)合和反激勵，主放電區(qū)域外圍會存在大量的噪聲點(diǎn)，結(jié)合C-V 模型和設(shè)置閾值的方法，能夠準(zhǔn)確地分割出有效的光斑，如圖2 所示。

圖2 C-V 處理后的紫外光斑圖像Fig.2 Ultraviolet flare area processed by C-V

為進(jìn)一步驗(yàn)證C-V 方法的適應(yīng)性，結(jié)合紅外圖像和紫外圖像的方法，進(jìn)行盤式絕緣子積污放電徑向?qū)Ρ妊芯?。試?yàn)對象為XP-70 盤形懸式瓷絕緣子，其平均厚度約為0.016 m，公稱盤徑為255 mm，環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，施加電壓等級為10 kV。一段時(shí)間后，繪制污穢絕緣子徑向紅外實(shí)測溫度隨半徑變化的分布曲線和徑向紫外光斑面積隨半徑變化的分布曲線，如圖3 所示。

圖3 盤式絕緣子徑向分布曲線Fig.3 Radial distribution curves of disk-shaped insulator

由圖可知，紫外光斑面積分布曲線和紅外實(shí)測溫度分布曲線整體趨勢一致，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，溫度和光斑面積最大值均在30 mm 附近，即主放電區(qū)域，絕緣子邊緣溫度和光斑面積最小，即弱發(fā)電區(qū)域。由此說明，基于C-V 模型的紫外圖譜分析方法適用于盤式絕緣子放電的徑向分布研究。

3 數(shù)據(jù)分析

盤式絕緣子積污放電的強(qiáng)度會受環(huán)境因素的影響，為此重點(diǎn)開展表面電阻率和風(fēng)速等因素的研究。

3.1 表面電阻率的影響

隨著環(huán)境濕度、溫度及染污程度的變化，盤式絕緣子的表面電阻率也會發(fā)生相應(yīng)變化，直接影響其放電強(qiáng)度。采用NaCl 作為污穢中導(dǎo)電物質(zhì)，改變盤式絕緣子的表面電阻率，從5MΩ·m、15 M Ω·m 到30 MΩ·m，統(tǒng)計(jì)紫外光斑面積的徑向變化值，繪制曲線見圖4。

圖4 不同電阻率下的光斑面積徑向變化Fig.4 Radial variation of ultraviolet flare area under different resistivities

由于盤式絕緣子的光斑面積隨半徑呈先增大后下降的趨勢，為便于分析研究，這里僅考慮下降部分，以主放電區(qū)域30 mm 為起點(diǎn)。

由圖可知，隨著表面電阻率的下降，主放電區(qū)域的光斑面積會增加，這是因?yàn)楫?dāng)積污嚴(yán)重，或者濕度較大時(shí)，盤式絕緣子的表面電阻率會降低，泄漏電流會增加，放電強(qiáng)度會增加，所以紫外光斑面積會增大。隨著半徑的增加，紫外光斑面積的變化會呈現(xiàn)減小的趨勢，這說明表面電阻率對主放電區(qū)域的影響較大，弱放電區(qū)域的影響較小。

3.2 風(fēng)速影響

盤式絕緣子實(shí)際安裝于室外空曠的環(huán)境，通過小型風(fēng)洞模擬風(fēng)速的變化，也會引起積污放電強(qiáng)度的變化。從無風(fēng)到有風(fēng)（2～8 m/s），改變風(fēng)速大小，統(tǒng)計(jì)紫外光斑面積的變化值，繪制曲線見圖5。R＝30 mm，表示盤式絕緣子主放電區(qū)域；R＝105 mm，表示盤式絕緣子邊緣放電較弱的區(qū)域。

圖5 光斑面積隨風(fēng)速的變化關(guān)系Fig.5 Variation of ultraviolet flare area with wind speed

由圖可知，隨著風(fēng)速的增加，紫外光斑面積會減小，由此說明，風(fēng)對積污放電具有明顯的削弱作用，所以同等條件下有風(fēng)時(shí)光斑面積比無風(fēng)時(shí)的小，風(fēng)速大小對積污放電有著明顯的影響，這是因?yàn)榉烹娦纬傻膸щ娰|(zhì)點(diǎn)在氣流的作用下會加速擴(kuò)散，弱化了帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程，最終降低了放電光輻射。

主放電區(qū)域的曲線斜率大于弱放電區(qū)域，由此說明，風(fēng)速對主放電區(qū)域的放電強(qiáng)度影響大于弱放電區(qū)域。所以在實(shí)際工程測試時(shí)，應(yīng)盡量選擇無風(fēng)或者微風(fēng)的環(huán)境。

4 結(jié)論

本文基于C-V 模型開展了盤式絕緣子徑向放電強(qiáng)度的分布規(guī)律研究，驗(yàn)證了該方法的適應(yīng)性，取得了一定的結(jié)論：

1）隨著表面電阻率的下降，盤式絕緣子積污放電的強(qiáng)度會增加，主放電區(qū)域增加的程度大于弱放電區(qū)域；

2）隨著風(fēng)速的增加，盤式絕緣子積污放電的強(qiáng)度會降低，主放電區(qū)域變化的程度大于弱放電區(qū)域。