廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司百色供電局 商瓊玲

1 引言

絕緣子是輸電線中不可或缺的設(shè)備，而裸露在外的電塔、導(dǎo)線絕緣子，由于其在強(qiáng)磁場(chǎng)、風(fēng)吹日曬等惡劣條件下、其制造技術(shù)的落后、人為的破壞等原因，使得絕緣子容易受到損傷，從而對(duì)電網(wǎng)的安全構(gòu)成極大的威脅，并帶來難以估量的損失。當(dāng)前，我國(guó)高壓輸電線路的巡檢以人工為主，不僅效率低下，而且存在著某些視覺盲區(qū)，而且供電人員還需攀爬電塔，勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全隱患大，所以，亟須一種替代人工巡檢的新方法。本文介紹了一種利用圖像處理技術(shù)，對(duì)一架無人機(jī)在飛行過程中出現(xiàn)的絕緣子串線缺陷進(jìn)行檢測(cè)和定位的方法。

2 絕緣劣化分析

由于絕緣子長(zhǎng)時(shí)間暴露在惡劣氣候下，絕緣子自爆是不可避免的。傳統(tǒng)的電力巡檢方法是以人工巡檢為主，但是在架空線路巡檢時(shí)，往往要站在較高的位置，這既增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，又增加了危險(xiǎn)性[1]。利用無人機(jī)搭載高分辨率照相機(jī)進(jìn)行航拍，以取代人工巡視線路，有效地減少了電力巡檢的難度。同時(shí)，用機(jī)器視覺取代人工巡視，提高了電力巡視的質(zhì)量與效率。如果除濕機(jī)失靈會(huì)使絕緣橫梁上結(jié)霜，形成了分離的水滴，最終形成了一個(gè)絕熱結(jié)構(gòu)的水面。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，絕緣復(fù)合材料表面將出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，并在漏電現(xiàn)象的影響下，在漏電現(xiàn)象的持續(xù)加熱下，材料表面將出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，利用電磁場(chǎng)的基本原理，對(duì)絕緣材料在潮濕條件下的電場(chǎng)分布特征進(jìn)行了分析。

3 絕緣子缺陷發(fā)生原因

絕緣子是電力設(shè)備中最普遍的一種絕緣元件，起到了對(duì)電力設(shè)備內(nèi)部電流進(jìn)行隔離、保護(hù)電力設(shè)備和電力設(shè)備的作用[2]。絕緣子的優(yōu)劣對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠性有很大的影響，造成絕緣子故障的原因多種多樣。

3.1 物理原因

絕緣子的材料、結(jié)構(gòu)及加工技術(shù)對(duì)絕緣子的物性有很大的影響。由于絕緣材料的不合格，絕緣材料中出現(xiàn)了氣孔、夾雜等缺陷，這些缺陷會(huì)使絕緣材料的強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響絕緣材料的安全性。同時(shí)，絕緣子的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響絕緣子的使用壽命，一些生產(chǎn)技術(shù)不合格的絕緣子會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、錯(cuò)位等問題，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降，在嚴(yán)重的情況下，還可能造成絕緣層的破壞，對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

3.2 環(huán)境原因

電力設(shè)備中絕緣子受到多種環(huán)境因素的影響，例如，風(fēng)雨、高溫、低溫等，這些環(huán)境的改變會(huì)引起絕緣子的物理性能的改變。在高溫環(huán)境下，絕緣子易出現(xiàn)老化，從而降低絕緣子的耐久性。同時(shí)，各種粉塵、雨水等雜質(zhì)也會(huì)對(duì)絕緣子造成一定的污染，從而在絕緣子表面形成一層導(dǎo)電膜，降低絕緣子的絕緣性能，為電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的危害。

3.3 電力原因

絕緣子工作于電場(chǎng)中，當(dāng)電流流經(jīng)絕緣子時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)電弧等現(xiàn)象，這種電弧可能會(huì)破壞絕緣子，降低絕緣子的安全性。同時(shí)，電壓水平對(duì)絕緣子的壽命也有影響，頻繁運(yùn)行的過電壓將引起絕緣子層老化，嚴(yán)重影響絕緣子層的安全運(yùn)行。

4 絕緣子缺陷的影響

4.1 導(dǎo)致設(shè)備故障

電力設(shè)備中的絕緣子故障是很普遍的現(xiàn)象，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就必須及時(shí)采取措施加以解決。長(zhǎng)期對(duì)其進(jìn)行忽視，不僅會(huì)使絕緣子的缺陷進(jìn)一步惡化，還會(huì)發(fā)生斷開等事故，造成設(shè)備失效，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)造成影響[3]。

4.2 影響設(shè)備壽命

絕緣子基體存在缺陷，將造成絕緣子基體強(qiáng)度降低，降低絕緣子基體的服役壽命，進(jìn)而增加電網(wǎng)的維護(hù)費(fèi)用。

4.3 威脅人身安全

絕緣子的缺陷如果不能得到有效的解決，極易發(fā)生電壓擊穿，產(chǎn)生電弧，從而引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和影響人員的生命安全。

5 絕緣子缺陷的預(yù)防與處理方法

5.1 絕緣子缺陷檢測(cè)與定位方法流程

在輸電線中使用的玻璃絕緣子具有如下特性。一是絕緣子通常是橢圓形、淡藍(lán)色、半透明的。二是絕緣子通常是以串的形式存在的，其數(shù)目隨著線路電壓的變化而變化。三是無人機(jī)巡視影像上的絕緣子形狀基本一致，且間隔均勻。四是如果絕緣子損壞或爆炸，相鄰的絕緣子之間的距離是普通絕緣子之間距離的兩倍及其以上。輸電線路上破損的絕緣子串如圖1所示。

圖1 輸電線路上破損的絕緣子串

在此基礎(chǔ)上，探究一種新的破損點(diǎn)的識(shí)別和定位方法，本系統(tǒng)共分為四大部分。一是對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)了從 RGB 到 LAB 的變換，并進(jìn)行了灰度變換。二是改進(jìn)的 OTSU 算法：采用了一種新的 OTSU 算法，分別對(duì)圖像的灰度區(qū)和 B 通道區(qū)進(jìn)行了閾值區(qū)的劃分。三是形態(tài)學(xué)過濾：將所抽取的絕緣子串通過開、閉、與等操作加以過濾。四是缺陷檢測(cè)與定位：采用最小二乘法對(duì)絕緣子串所處的線段進(jìn)行擬合，并結(jié)合其特性，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和定位[4]。

5.2 圖像的預(yù)處理

傳輸線通常位于戶外，暴露于空氣中，無人機(jī)巡視時(shí)容易受到拍攝角度和光源的干擾，所以需要將圖像由RGB影像轉(zhuǎn)換成LAB圖像才能完成任務(wù)。在LAB 空間中，L 代表的是亮度，而A 代表的是從紅光到綠燈的區(qū)域，B 代表的是黃綠到藍(lán)光的區(qū)域,顏色絕緣子可以是淡藍(lán)色或淡綠色，能夠很好地通過A 或B 的通道來對(duì)影像進(jìn)行管理，從而避免受光線的影響。同時(shí)，為了便于后續(xù)的形態(tài)學(xué)加工，將原始圖像從 RGB 變換到了灰度。

5.3 改進(jìn)的OTSU 算法

最大類間方差法又稱 OTSU 法、大津法，是日本學(xué)者大津于1979年提出的一種最大類間方差法。在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，要將圖像從灰度空間變換為二值化圖像。在巡檢圖像中，絕緣子串和其他物件有較大的差異。所以，在對(duì)巡檢圖像的管理上，人們采用的是后者。OTSU 算法以灰度圖像中各灰度層圖像的規(guī)模和概率為基準(zhǔn)，從而求出方差，并設(shè)定了最佳的分離閾值，以便于將前景和背景加以細(xì)分。本文將對(duì) OTSU 算法中，為了找到最優(yōu)門限，必須遍歷所有灰度，但其計(jì)算復(fù)雜度高，計(jì)算復(fù)雜度高。因此，在保持最優(yōu)門限不變的同時(shí)，降低了算法的計(jì)算量。

將灰度值小于 N 的像素組設(shè)定為S1，反之，設(shè)定為S2，并對(duì)S1和S2的平均值進(jìn)行計(jì)算，具體如式（1）、式（2）、式（3）：

將 OTSU 算法應(yīng)用于區(qū)間[T1,T2]中，以尋找最優(yōu)的劃分門限。與原方法相比，改進(jìn)后的最大類間方差法在整個(gè)灰度范圍內(nèi)搜索，減少了計(jì)算工作量。通過在 Visual Studio 中使用 Opencv 庫(kù)，對(duì) OTSU 算法進(jìn)行了比較，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證[5]。OSTU 及其改進(jìn)算法性能比較見表1。

表1 OSTU 及其改進(jìn)算法性能比較

傳統(tǒng)的OTSU 算法中，為選取最高閾值，必須對(duì)整個(gè)灰度進(jìn)行了遍歷。由表1可知，改進(jìn)的 OTSU算法極大地降低了計(jì)算方差的次數(shù)，a 已完成10個(gè)變量的計(jì)算，b 對(duì)125個(gè)變量進(jìn)行了計(jì)算，都比原本的256次要少得多。與原方法相比，該方法需要多算3個(gè)平均值，但是平均方差的計(jì)算量比原方法小得多。但總的來說，該方法所需的運(yùn)算量比原來方法所需的運(yùn)算量要小得多。閾值分割的結(jié)果如圖2所示。

圖2 閾值分割的結(jié)果

盡管改進(jìn)后的 OTSU 算法能夠?qū)⒔^緣子串從背景區(qū)域中分離出來，但是仍然存在著許多噪聲的干擾，在經(jīng)過劃分的 B 通道中，存在著一種在經(jīng)過劃分后不會(huì)出現(xiàn)的噪聲。分割出的灰度圖像中也有噪音，但是在經(jīng)過劃分的 B 信道中，同樣會(huì)出現(xiàn)某些噪聲。因此，給出了在門限劃分之后，對(duì) B 通道和灰度圖像進(jìn)行定位與測(cè)定。

5.4 檢測(cè)定位方法實(shí)現(xiàn)

一是在二值圖像中，以左上方為坐標(biāo)點(diǎn)，在右下方為 X 軸正方向，在左下方為 Y 軸正方向。在此基礎(chǔ)上，對(duì)絕緣子串進(jìn)行了制圖?；谶@個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，在圖像上遍歷所有像素，并將具有255 （白）值的像素的座標(biāo)，也就是絕緣子串的坐標(biāo)保存在數(shù)組X 中。當(dāng)遍歷完成時(shí)，將執(zhí)行線的擬合。

二是如果在前面提到的坐標(biāo)系中，直線D 與L都是相等的,并且知道了直線L 的傾斜度，就能夠求出直線D 的傾斜度。把線D 設(shè)為過零點(diǎn)的直線，并對(duì)陣列X 進(jìn)行遍歷，如果線 D 上的坐標(biāo)元素超出設(shè)定的閾值，線 D 與線 L 的相交就是起始點(diǎn)，否則線 D 的截距加一，如此反復(fù)，直至將絕緣子串的起始點(diǎn)掃描出來。尋找結(jié)束點(diǎn)的方式與尋找開始點(diǎn)相同，不同的是，D 這條線是逆著方向進(jìn)行搜索（截面距離-1)，直至找到結(jié)束點(diǎn)。

三是每一絕緣子的中心點(diǎn)沿 L 線，已知一個(gè)固定數(shù)目的絕緣子以及一組絕緣子的起始和結(jié)束坐標(biāo)，絕緣子的等間距分布，從上面可以得到每一個(gè)絕緣子的中心點(diǎn)，包括被破損和爆裂的絕緣子。在此基礎(chǔ)上，對(duì)線段 D 通過這幾個(gè)點(diǎn)后，數(shù)組中滿足一定條件的絕緣子像素坐標(biāo)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如果不滿足一定條件，就是被破壞或炸毀的絕緣子。

四是由于每一個(gè)絕緣子中心點(diǎn)的坐標(biāo)都是已知的，因此可以計(jì)算步驟3，如果發(fā)現(xiàn)有損壞的絕緣子，就會(huì)將其位置記入數(shù)組，破損的數(shù)量會(huì)增加1。最終輸出絕緣子的位置以及損壞的總數(shù)量。絕緣子串建模如圖3所示。

圖3 絕緣子串建模

6 結(jié)語

絕緣子故障是一種常見的故障現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因是多方面的。為確保電網(wǎng)安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，應(yīng)加大巡視力度，對(duì)絕緣子劣化現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防和處理。本文就如何防止和處理絕緣子故障進(jìn)行了闡述，期望能對(duì)電網(wǎng)巡檢視工作提供一些技術(shù)支撐和參考，從而提高電網(wǎng)的安全性、可靠度，更好地為人們的生產(chǎn)、生活提供保障。