一種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法
【專利摘要】一種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，所述方法首先對(duì)紫外成像儀拍攝的絕緣子串的紫外圖像進(jìn)行處理，提取其最大橫向光斑直徑D，然后通過(guò)歸一化處理，將最大橫向光斑直徑D修正到某統(tǒng)一拍攝距離d0下的光斑直徑Dd0，最后將Dd0代入放電回歸方程(K、L為常數(shù))，得到放電脈沖峰值I。本發(fā)明將歸一化的最大橫向光斑直徑作為特征量對(duì)高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值進(jìn)行量化分析，不僅適用于單片絕緣子，也適用于絕緣子串，該方法消除了拍攝距離對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，能夠?yàn)榻^緣子安全狀態(tài)的評(píng)估和閃絡(luò)預(yù)警提供可靠信息，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
【專利說(shuō)明】
一種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于紫外圖像的絕緣子沿面放電脈沖峰值非接觸式測(cè)量方法，屬 于高壓技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 絕緣子的表面放電可加速絕緣介質(zhì)的老化和劣化速度，同時(shí)放電也是表征絕緣子 運(yùn)行狀態(tài)的重要征兆信號(hào)，通過(guò)對(duì)放電強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)和分析，可評(píng)估放電對(duì)絕緣子的危害 程度，從而對(duì)絕緣子進(jìn)行安全狀態(tài)評(píng)估以及閃絡(luò)預(yù)警。目前工程中多采用脈沖電流法測(cè)量 絕緣子的沿面放電，但該方法屬于接觸式的檢測(cè)方法，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)需要在被檢測(cè)絕緣子 串安裝傳感器、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等，且每一套檢測(cè)裝置僅能檢測(cè)到一串絕緣子的 放電，設(shè)備的安裝和維護(hù)工作量較大，在工程實(shí)際應(yīng)用中仍然存在諸多不足。放電伴隨有紫 外光信號(hào)的輻射，近幾年，基于日盲(240nm-280nm波段為日盲區(qū)）紫外成像的放電檢測(cè)技術(shù) 在電力系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)的放電檢測(cè)方法，紫外成像法具有非接 觸、探測(cè)靈敏度高的特性，并可以直觀地顯示肉眼難以觀測(cè)到的放電圖像，為檢測(cè)絕緣子放 電提供了 一種新的技術(shù)手段。
[0003] 放電產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)與光信號(hào)兩者屬于不同物理信號(hào)，但由放電機(jī)理可知， 兩者之間又存在著緊密的聯(lián)系。探索兩者之間的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)放電的非接觸式測(cè)量，極大地 方便現(xiàn)場(chǎng)放電的監(jiān)測(cè)。但采用紫外成像法測(cè)量放電強(qiáng)度具有以下難點(diǎn)：首先需要研究采用 何種參數(shù)來(lái)量化分析紫外成像的檢測(cè)結(jié)果;其次，絕緣子上往往存在多個(gè)放電點(diǎn)，而這些放 電點(diǎn)往往相互之間存在著干擾和重疊，給放電的量化分析帶來(lái)很大的困難;另外，絕緣子的 串長(zhǎng)對(duì)放電關(guān)系是否有影響目前仍未見(jiàn)相關(guān)的研究和報(bào)道;再次，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，紫外成像 儀的觀測(cè)距離并不固定，而距離對(duì)檢測(cè)到的紫外圖像有著非常明顯的影響，因而還有必要 研究紫外圖像隨距離的變化特性。
[0004] 目前有部分文獻(xiàn)研究了絕緣子表面的電暈放電與紫外光斑面積之間的關(guān)系，但相 關(guān)的研究以單片絕緣子作為研究對(duì)象，僅涉及一個(gè)放電點(diǎn)，而工程實(shí)際中，更多的是絕緣子 串，由多片絕緣子所構(gòu)成，因而存在多個(gè)放電點(diǎn)，且放電點(diǎn)之間往往還存在著重疊現(xiàn)象，傳 統(tǒng)的光斑面積法和光子數(shù)法對(duì)于這類問(wèn)題無(wú)能為力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值 的非接觸式測(cè)量方法，以便對(duì)絕緣子進(jìn)行安全狀態(tài)評(píng)估以及閃絡(luò)預(yù)警，確保電力系統(tǒng)安全 穩(wěn)定運(yùn)行。
[0006] 本發(fā)明所述問(wèn)題是以下述技術(shù)方案解決的：
[0007] -種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，所述方法首先對(duì)紫外成 像儀拍攝的絕緣子串的紫外圖像進(jìn)行處理，提取其最大橫向光斑直徑D，所述橫向光斑是指 放電紫外圖像在與絕緣子串相垂直方向上的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù);然后通過(guò)歸一化處理，將最大 橫向光斑直徑D修正到某統(tǒng)一拍攝距離do下的光斑直徑Dd〇，最后將Dd〇代入放電回歸方程I = K ? Dd〇+L，得到放電脈沖峰值I;式中K、L為常數(shù)。
[0008] 上述高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，所述統(tǒng)一拍攝距離do選 定為14米，放電回歸方程為I = 0 ? 873Dd〇-74 ? 03 〇
[0009] 上述高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，將絕緣子串圖像的最大 橫向光斑直徑D修正到拍攝距離為14米時(shí)的光斑直徑D 14時(shí)，所采用的歸一化函數(shù)表達(dá)式為：
[0010] Di4 = 0.088 ? D ? d0.921
[0011] 其中，d為拍攝距離。
[0012] 上述高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，對(duì)絕緣子串的紫外圖像 進(jìn)行處理的具體步驟如下：
[0013] a ?圖像灰度化
[0014] 將紫外成像儀輸出的原始RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，其灰度變換的公式如下：
[0015] Y = 0.299R+0.587G+0.114B
[0016]其中Y為灰度值，其范圍為0-255;R、G、B分別為原始彩色圖像的紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色 的分量值；
[0017] b.圖像分割
[0018]采用閾值分割算法將灰度圖像變換為二值圖像，其算法為：
[0020]式中，T為像素點(diǎn)灰度值的閾值;g (x，y)為二值化后的灰度值;f (x，y)為二值化前 的灰度值；
[0021] c.數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波
[0022] 采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的開啟、閉合運(yùn)算構(gòu)成級(jí)聯(lián)濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，其運(yùn)算 定義如下：
[0025]其中A為待處理的圖像，B為結(jié)構(gòu)元素，符號(hào)?和?分別代表腐蝕和膨脹運(yùn)算，符號(hào) 〇和?分別表示開運(yùn)算和閉運(yùn)算；
[0026] d.小區(qū)域面積消除
[0027] 首先對(duì)圖像中各個(gè)白色的連通區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，將每個(gè)連通區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)賦予相 同的標(biāo)簽值;然后統(tǒng)計(jì)各連通區(qū)域內(nèi)所包含的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù);再將各連通區(qū)域所包含的像 素點(diǎn)的個(gè)數(shù)與設(shè)定的面積閾值進(jìn)行比較，大于面積閾值的區(qū)域內(nèi)的各像素值保持不變，而 小于面積閾值的區(qū)域內(nèi)各像素值設(shè)置為〇(置黑）；
[0028] e.依次統(tǒng)計(jì)該圖像矩陣每一行所包含的像素為"1"的個(gè)數(shù)，提取所統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的最 大值，得到該絕緣子串的沿面放電的最大橫向光斑直徑D。
[0029] 本發(fā)明將歸一化的最大橫向光斑直徑作為特征量，建立了最大橫向光斑直徑與傳 統(tǒng)的電脈沖信號(hào)峰值之間的關(guān)系，可在不接觸絕緣子本體的情況下，對(duì)高壓絕緣子沿面放 電脈沖峰值進(jìn)行量化分析，不僅適用于單片絕緣子，也適用于絕緣子串，克服了傳統(tǒng)的光子 數(shù)和光斑面積參數(shù)難以對(duì)絕緣子串放電進(jìn)行量化分析的難題，該方法還消除了拍攝距離對(duì) 測(cè)量結(jié)果的影響，本發(fā)明能夠?yàn)楹罄m(xù)絕緣子的安全狀態(tài)評(píng)估、閃絡(luò)預(yù)警以及污穢嚴(yán)重程度 評(píng)估提供可靠信息，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031] 圖1是試驗(yàn)系統(tǒng)的接線圖；
[0032] 圖2是單片絕緣子不同放電階段典型紫外圖像和電信號(hào)波形；
[0033]圖3是3片絕緣子不同放電階段的紫外圖像；
[0034]圖4是7片絕緣子不同放電階段的紫外圖像；
[0035]圖5是絕緣子串上的相鄰光斑重疊示意圖；
[0036]圖6是圖像預(yù)處理流程；
[0037]圖7是紫外圖像處理效果；
[0038]圖8是絕緣子光斑的投影曲線；
[0039]圖9是電暈和火花放電的脈沖峰值選擇方法；
[0040]圖10是不同串長(zhǎng)絕緣子的紫外圖像參數(shù)與電信號(hào)的關(guān)系；
[0041]圖11是擬合函數(shù)的k值隨絕緣子片數(shù)的變化曲線；
[0042]圖12是光斑橫向直徑的觀測(cè)距離修正方法；
[0043]圖13是絕緣子不同距離下的放電圖像；
[0044]圖14是絕緣子放電光斑直徑隨距離的變化曲線；
[0045]圖15是修正的光斑直徑與觀測(cè)距離及該距離下的光斑；
[0046]圖16是本發(fā)明的流程。
[0047 ]文中所用符號(hào)的意義:D為最大橫向光斑直徑，do為統(tǒng)一拍攝距離，DdQ為統(tǒng)一拍攝 距離do下的光斑直徑，I為放電脈沖峰值，D14為拍攝距離為14米時(shí)的光斑直徑，d為拍攝距 離，R、G、B分別為原始彩色圖像的紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色的分量值，Y為灰度值，T為像素點(diǎn)灰度 值的閾值;g (x，y)為二值化后的灰度值;f (x，y)為二值化前的灰度值;A為待處理的圖像，B 為結(jié)構(gòu)元素，符號(hào)?和?分別代表腐蝕和膨脹運(yùn)算，符號(hào)?和?分別表示開運(yùn)算和閉運(yùn)算;ik 為每個(gè)工頻周期內(nèi)的最大放電脈沖峰值，a為顯著水平;P為最小顯著性概率。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 本發(fā)明在實(shí)驗(yàn)室以XWP2-70絕緣子為研究對(duì)象，研究了 1片直至7片污穢絕緣子串 在不同串長(zhǎng)、放電強(qiáng)度下的紫外圖像特征，獲得了電暈、火花和電弧三種放電形態(tài)的大量的 紫外圖像和對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)。研究發(fā)現(xiàn)雖然多片絕緣子上存在著光斑重疊現(xiàn)象，但相互 重疊對(duì)絕緣子的橫向光斑直徑的影響并不大，因而本發(fā)明提出了利用紫外圖像的最大橫向 的光斑直徑作為紫外圖像量化參數(shù)，并提出了相關(guān)的圖像處理算法實(shí)現(xiàn)了上述圖像參數(shù)的 提取;研究了最大光斑直徑與電脈沖信號(hào)峰值之間的關(guān)系、光斑直徑隨觀測(cè)距離的變化特 性，提出了一種最小二乘曲面擬合的光斑直徑距離修正擬合公式和基于紫外圖像法進(jìn)行絕 緣子串沿面最大脈沖峰值的估計(jì)方法。
[0049] 1絕緣子沿面放電的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法
[0050] 1.1試驗(yàn)裝置及試品
[0051]本文的相關(guān)實(shí)驗(yàn)在人工霧室內(nèi)進(jìn)彳丁，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本接線如圖1所不。
[0052] 人工霧室的長(zhǎng)、寬、高分別為1.5 X 1.5 X 2.7m，采用兩臺(tái)型號(hào)為SJC-3000工業(yè)用超 聲波加濕器進(jìn)行加濕，為能觀測(cè)放電紫外圖像，在霧室的一側(cè)安裝了一塊長(zhǎng)、寬分別為 1.7m、1. lm，厚5mm的SiC14透紫外玻璃，該玻璃在240-280nm波段紫外光信號(hào)的透光率可達(dá) 95%以上，工頻高壓由￥0了1-1200/300污穢實(shí)驗(yàn)變壓器提供。
[0053] 實(shí)驗(yàn)用絕緣子的型號(hào)為XWP2-70,紫外成像儀型號(hào)為C〇r〇CAM504,探測(cè)信號(hào)波長(zhǎng)為 240-280nm，為便于后續(xù)分析光電關(guān)系，紫外成像儀輸出的視頻信號(hào)由外接的視頻錄制設(shè)備 進(jìn)行存儲(chǔ)器，泄漏電流由8歐的無(wú)感電阻進(jìn)行取樣，輸出信號(hào)由PCI9812數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采 集。
[0054] 1.2實(shí)驗(yàn)方案和流程
[0055]為便于形成放電，實(shí)驗(yàn)前采用定量涂刷法對(duì)絕緣子進(jìn)行了染污，鹽密(ESDD)分別 為0 ? 05mg/cm2、0 ? lmg/cm2、0 ? 2mg/cm2 和0 ? 3mg/cm2，灰密（NSDD)統(tǒng)一取 2mg/cm2。整個(gè)實(shí)驗(yàn) 分兩步進(jìn)行，其具體的研究流程如下：
[0056] 1)將紫外成像儀的觀測(cè)距離設(shè)定為14m，鏡頭與絕緣子串的中間位置近似在同一 水平線上。首先研究單片絕緣子的放電，將染污后經(jīng)陰干的絕緣子放入霧室，給單片施加的 電壓分別為10kV的恒定工頻電壓，然后從環(huán)境濕度開始逐步增加霧室濕度直至飽和濕度。 [0057] 2)恒壓加濕階段電弧放電的幅值一般不超過(guò)100mA，為得到大電弧放電時(shí)的紫外 圖像和脈沖電流信號(hào)樣本數(shù)據(jù)，當(dāng)霧室濕度達(dá)到飽和濕度后，在上述恒壓加濕法的電壓基 礎(chǔ)上繼續(xù)逐步增加電壓，直至絕緣子臨近閃絡(luò)。
[0058] 3)增加絕緣子的片數(shù)依次為2片，3片直至7片，施加電壓也相應(yīng)一次為20kV、30kV 和70kV，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟1)和2)。
[0059] 2不同放電階段的典型紫外圖像和電脈沖信號(hào)
[0060] 給上述絕緣子串施加恒定電壓，然后逐步加濕，研究表明：無(wú)論是單片絕緣子還是 多片絕緣子組成的絕緣子串，絕緣子的表面的放電可大致劃分為三種放電，電暈放電、火花 放電和電弧放電。由于實(shí)驗(yàn)獲得的紫外圖像太多，在此僅給出部分紫外圖像和脈沖電流波 形圖。以ESDD = 0.1 mg/cm2的單片絕緣子放電的三個(gè)階段為例，紫外圖像和脈沖電流信號(hào)時(shí) 域波形如圖2所示。
[0061 ]在電暈放電階段，放電主要集中于絕緣子的鐵帽與瓷件的小氣隙處，放電脈沖多 為密集的小脈沖信號(hào)。剛起暈時(shí)，紫外圖像為一些離散的光斑點(diǎn)，光斑直徑一般在10以下， 每個(gè)工頻周期正負(fù)半周僅有1-2個(gè)放電脈沖。隨著放電逐步增強(qiáng)，紫外圖像很快由離散的光 斑點(diǎn)過(guò)度較平穩(wěn)的光斑面積階段，光斑面積平穩(wěn)增加，相應(yīng)的放電脈沖峰值也逐步增大，脈 沖個(gè)數(shù)也顯著增加。圖2(a)為電暈放電階段典型的一幀紫外圖像，圖2(b)為相對(duì)應(yīng)的脈沖 電流信號(hào)。
[0062]隨著濕度的繼續(xù)增加，放電的性質(zhì)開始發(fā)生改變，出現(xiàn)了較為明顯的火花放電，放 電脈沖峰值一般在20mA以上，特點(diǎn)是部分工頻周期開始出現(xiàn)了脈沖峰值明顯比電暈放電階 段高的電脈沖信號(hào)，但這種高脈沖脈的個(gè)數(shù)并不多，每個(gè)工頻周期一般在1-10個(gè)左右，在火 花放電的階段，紫外光斑面積表現(xiàn)出較強(qiáng)的波動(dòng)，光斑面積時(shí)大時(shí)小，其原因在于火花放電 的不穩(wěn)定性，從時(shí)域波形中可以看出部分工頻周期存在火花放電，而部分工頻周期火花放 電熄滅，其中大的光斑面積對(duì)應(yīng)于火花放電，而小的光斑面積則對(duì)應(yīng)于火花放電熄滅后的 電暈放電脈沖信號(hào)。研究表明，在火花放電階段，其脈沖的峰值多集中在30到70mA的范圍 內(nèi)，光斑直徑值一般不超過(guò)150pixe。圖2(c)和(d)為該階段的典型的紫外圖像和對(duì)應(yīng)的脈 沖電流信號(hào)。
[0063]當(dāng)濕度較高時(shí)，絕緣子可形成電弧放電，肉眼可觀測(cè)到從鐵腳或鐵帽延伸而出的 橘黃色放電通道，電弧長(zhǎng)度依放電強(qiáng)度而定，隨著電弧的熄滅和重燃，紫外圖像中的光斑面 積時(shí)大時(shí)小，波動(dòng)更加明顯，其中大光斑面積對(duì)應(yīng)于電弧放電，而小光斑面積則對(duì)應(yīng)于電弧 熄滅后的電暈放電。當(dāng)出現(xiàn)電弧放電時(shí)，脈沖的峰值一般大于10mA，光斑面積值顯著增大， 光斑直徑一般在150pixel以上，最大光斑直徑可達(dá)500左右。圖2(e)和(f)為該階段的典型 的紫外圖像和對(duì)應(yīng)的脈沖電流信號(hào)。
[0064]同理，對(duì)于多片絕緣子，其放電具有類似的三個(gè)階段，也即電暈、火花和電弧放電 的三個(gè)階段。在此僅以3片和7片絕緣子串為例，其不同的放電階段的紫外圖像分別如圖3、 圖4所示。
[0065] 由于多片絕緣子的放電現(xiàn)象與單片絕緣子類似，本發(fā)明在此不在贅述。
[0066] 3.量化參數(shù)的選擇
[0067] 3.1紫外成像檢測(cè)量化參數(shù)的選擇及提取
[0068] 基于上述實(shí)驗(yàn)研究可知，隨著放電強(qiáng)度的增加，無(wú)論是單片還是多片絕緣子其紫 外圖像中的光斑大小在逐漸增大，因此可以利用紫外圖像的大小來(lái)表征其放電的強(qiáng)度，作 為紫外成像檢測(cè)的量化參數(shù)。目前量化紫外圖像的參數(shù)有:光斑面積，周長(zhǎng)，等效直徑等參 數(shù)。通過(guò)對(duì)上述的實(shí)驗(yàn)研究可知，對(duì)于多片絕緣子串，當(dāng)放電較弱時(shí)相鄰絕緣子上放電的各 自獨(dú)立，并不重疊，隨著放電的逐步增強(qiáng)其光斑區(qū)域開始發(fā)生重疊。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知絕緣子沿 面放電點(diǎn)的紫外圖像近似于圓形，本發(fā)明以圓形來(lái)近似代替實(shí)際的放電光斑區(qū)域，以三片 絕緣子為例子，其放電光斑的重疊效應(yīng)可利用圖5所示模型進(jìn)行說(shuō)明。
[0069]在圖5中，圓形代表各放電點(diǎn)的光斑，D1和D2表不各光斑的直徑。若直接利用光斑 面積、周長(zhǎng)等圖像參數(shù)來(lái)度量放電強(qiáng)度對(duì)于單片絕緣子或者多片絕緣子放電光斑沒(méi)有重疊 時(shí)比較有效。對(duì)于多片絕緣子，由圖5(b)可知，當(dāng)放電較強(qiáng)后存在著光斑的重疊現(xiàn)象，很難 計(jì)算出單獨(dú)某個(gè)放電點(diǎn)的光斑面積和周長(zhǎng)等參數(shù)。但分析圖5(b)可知，即使相鄰的絕緣子 即使出現(xiàn)了光斑的重疊，其對(duì)各自獨(dú)立的橫向光斑直徑的影響并不大。另外從實(shí)驗(yàn)中還可 知，不同絕緣子上的各放電點(diǎn)的放電強(qiáng)度并不一定相同，也即光斑的區(qū)域大小并不相同，因 而D1和D2的大小并不相同，該選擇哪一個(gè)直徑來(lái)量化紫外成像仍然需要進(jìn)一步分析。根據(jù) 絕緣子的沿面放電的機(jī)理可知，其放電主要由放電的流注通道和電弧通道所構(gòu)成，但由于 每個(gè)放電點(diǎn)的放電強(qiáng)度不一定相同，而對(duì)放電危害比較大的是最大的放電脈沖，因而本文 選擇最大的光斑直徑來(lái)建立與傳統(tǒng)的電脈沖信號(hào)之間的關(guān)系，也即在圖5(b)中選擇D1作為 紫外量化參數(shù)，本發(fā)明將其定義為"最大橫向光斑直徑"，在此以符號(hào)D來(lái)表示。
[0070]由于實(shí)際中放點(diǎn)電的紫外圖像的形狀不一定完全是圓形，直接采用人工測(cè)量法來(lái) 提取最大直徑往往不易判斷出那個(gè)地方是最大的直徑，為便于實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng) 提取，本文采用了數(shù)字圖像處理算法編寫一套圖像處理軟件。首先對(duì)紫外圖像進(jìn)行了數(shù)字 圖像處理，即對(duì)紫外圖像進(jìn)行灰度變換、二值化、形態(tài)學(xué)濾波、小區(qū)域面積消除算法來(lái)提取 放電光斑區(qū)域，然后將上述處理后的紫外圖像沿圖像的縱軸進(jìn)行投影，即可得到沿絕緣子 表面的橫向光斑直徑的變化情況，其中紫外圖像處理框圖如圖6所示：
[0071]首先采用灰度變換將原始的RGB彩色圖像變換為灰度圖像，然后采用基于閾值的 圖像分割算法將灰度圖像變換為二值圖像，之后采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的開啟和閉合算法對(duì)二值 圖像進(jìn)行濾波處理，最后采用小區(qū)域面積消除算法進(jìn)一步的濾除噪聲區(qū)域。以7片絕緣子的 沿面放電紫外圖像為例，基于上述圖像處理算法，其圖像處理的效果如圖7所示。
[0072] 觀測(cè)圖7(f)可知，經(jīng)過(guò)上述圖像處理后，可有效的濾除噪聲，同時(shí)保留真正的放電 光斑區(qū)域，該圖像的每個(gè)白色的像素點(diǎn)為"1"，黑色的像素點(diǎn)為"0"，為得到其最大的橫向直 徑，對(duì)上述圖像沿圖像的y軸投影，也即依次統(tǒng)計(jì)該矩陣每一行所包含的像素為"1"的個(gè)數(shù)， 按照上述算法，其投影曲線如圖8所示。
[0073] 提取上述曲線的最大值，其第87個(gè)像素點(diǎn)處取得最大值，也即該絕緣串上位于低 壓側(cè)的第一片絕緣子上的光斑的橫向直徑最大，該值為Slpixel，也即該絕緣子的沿面放電 的最大橫向光斑直徑為81Pixel。
[0074] 3.2電脈沖信號(hào)量化參數(shù)的選擇及提取
[0075] 通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究可知，在電暈放電和火花放電階段的放電脈沖數(shù)較多，由紫外 成像儀的工作原理可知，由于其熒光屏響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，難以建立放電的脈沖個(gè)數(shù)與光斑之 間的關(guān)系，也難以建立放電脈沖群中的每個(gè)放電脈沖與紫外光斑直徑之間的關(guān)系。但紫外 成像儀對(duì)光信號(hào)的增強(qiáng)響應(yīng)速度快，一般只有幾個(gè)ms，由于熒光屏的余輝效應(yīng)，而對(duì)光信號(hào) 的衰減的相應(yīng)速度慢，一般可達(dá)20ms。在放電脈沖群中，其最大放電脈沖的出現(xiàn)，意味著該 時(shí)刻輻射出的光信號(hào)最強(qiáng)，該過(guò)程是一個(gè)光信號(hào)的激增過(guò)程，紫外成像儀有著良好的響應(yīng) 特性，另外在工程實(shí)際中，對(duì)絕緣子的閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)影響最大的是最大的放電脈沖，因而本文提 取的是一個(gè)周期內(nèi)（20ms)的最大脈沖峰值作為電脈沖信號(hào)的量化參數(shù)。對(duì)電暈和火花放電 提取方法如圖9所示。
[0076] 在圖9中，記每個(gè)工頻周期內(nèi)的最大放電脈沖峰值，如圖中圓圈標(biāo)注部位。對(duì)于電 弧放電，直接取每個(gè)工頻周期內(nèi)的放電脈沖的峰值，其原理與圖9相似，在此不在贅述。
[0077] 由于放電具有一定的隨機(jī)性，為了減小測(cè)量誤差，本文對(duì)上述各工頻周期的脈沖 峰值進(jìn)行了取平均值處理，方法是依次提取多個(gè)工頻周期內(nèi)的脈沖峰值，然后進(jìn)行平均值 處理，其"電脈沖峰值" I的平均值計(jì)算方法如下：
[0079] n為工頻周期數(shù)，本發(fā)明中取20，ik為每個(gè)工頻周期內(nèi)的最大放電脈沖峰值，放電 有正負(fù)脈沖區(qū)分，而紫外光信號(hào)并不能區(qū)分出正負(fù)極性，因而式（1)中進(jìn)行了取平均值處 理，本發(fā)明最后以取平均值處理后的I作為電脈沖信號(hào)量化參數(shù)。4.紫外光斑直徑與電脈沖 信號(hào)之間的關(guān)系
[0080] 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)研究，可分別提取紫外圖像中的"最大橫向光斑直徑" D和對(duì)應(yīng)時(shí)間 段內(nèi)的電信號(hào)的脈沖峰值I作為量化參數(shù)。其中單片、3片和7片的上述兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系 如圖10所示。
[0081] 分析圖10的散點(diǎn)圖的變化趨勢(shì)可知，其近似為線性關(guān)系，為此本文采用了線性擬 合函數(shù)進(jìn)行了擬合分析，擬合函數(shù)表達(dá)式如式(2)所示。
[0082] D = k ? I+b (2)
[0083]采用matlab的cf tool工具箱中的最小二乘擬合算法，其不同串長(zhǎng)下的光斑直徑與 電流脈沖峰值之間的擬合函數(shù)如表1所示。
[0084] 表1不同串長(zhǎng)下的光斑直徑與電流脈沖峰值之間的擬合函數(shù)
[0086]由表1可知，擬合優(yōu)度值都在0.95以上，可近似認(rèn)為D和I之間滿足線性函數(shù)關(guān)系。 對(duì)不同串長(zhǎng)的絕緣子，不同擬合曲線的系數(shù)k并不相同，根據(jù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)，不同串長(zhǎng)下 的比例系數(shù)k如圖11所示。
[0087]觀測(cè)圖11可知，上述三種模型的冪指數(shù)在1.2附近波動(dòng)，設(shè)不同串長(zhǎng)下的比例系數(shù) 分別為1^，1^沽3，1^4沽5，1^6和1^7。為判斷上述不同串長(zhǎng)下的比列系數(shù)1^是否具有一致性，本 發(fā)明在此利用了單因素方差分析法對(duì)上述比例系數(shù)k的一致性進(jìn)行了假設(shè)檢驗(yàn)。
[0088]建立假設(shè) h〇 :kl =k2 = k3 = k4 = k5 = k6 = k7
[0089] 取顯著水平為a = 〇.〇5,計(jì)算可得最小顯著性概率P = 0.9735>0.05,接受假設(shè)，三 種模型的冪指數(shù)平均值相同，也即可認(rèn)為三種模型的的光子數(shù)隨距離的變化有著一致的變 化規(guī)律。計(jì)算表明上述比例系數(shù)k的平均值為1.1457，b的平均值為84.82。
[0090] 5.最大橫向光斑直徑D的觀測(cè)距離修正方法研究
[0091]紫外成像儀在現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)距離并不固定，在同一放電強(qiáng)度下，觀測(cè)距離越遠(yuǎn)，紫外 圖像將越小，相應(yīng)的光斑值也將減小，而本發(fā)明的上述相關(guān)污穢實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論是在距離為 14m的觀測(cè)距離下得的，因而還有必要采取相關(guān)的歸一化算法，將不同距離下檢測(cè)到的光斑 直徑值統(tǒng)一修正到14m的觀測(cè)距離下，從而使得檢測(cè)結(jié)果具有可對(duì)比性，便于更準(zhǔn)確的估計(jì) 放電強(qiáng)度。由于光斑直徑隨觀測(cè)距離的變化特性從理論上分析較難，為此本文采用了實(shí)驗(yàn) 的方法通過(guò)測(cè)量大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從而建立了該修正模型，本發(fā)明的基本研究思路如圖12所 示：
[0092]結(jié)合圖12,其修正基本方法如下：
[0093] 5.1光斑直徑隨觀測(cè)距離變化的實(shí)驗(yàn)研究
[0094]實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接線與圖1相同，研究光斑直徑隨著觀測(cè)距離的變化特性需要一個(gè)較 為穩(wěn)定的放電源，研究發(fā)現(xiàn)在一定的電壓下污濕絕緣子的表面可出現(xiàn)較為穩(wěn)定的放電，通 過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，本發(fā)明抓住了幾次放電較為平穩(wěn)的狀態(tài)，然后在盡可能短的時(shí)間內(nèi)在儀器增 益70 %的情況下，迅速在觀測(cè)距離分別為6m、10m、14m、20m、30m和45m的情況下錄制上述紫 外視頻圖像。其中觀測(cè)距離分別為6 111、14111、3〇111、45111的紫外放電圖像如13所示。
[0095] 觀測(cè)圖13中放電紫外光斑可知，隨著觀測(cè)距離的增加，光斑直徑明顯減小，采用圖 像處理方法計(jì)算上述3片絕緣子串的最大光斑直徑值D，部分放電強(qiáng)度下的光斑直徑隨距離 的變化曲線如圖14所示。
[0096] 基于上述的實(shí)驗(yàn)研究，隨觀測(cè)距離增加，光斑面積值逐漸減小，但距離越大，光斑 面積的減小速度越慢。根據(jù)上述數(shù)據(jù)的變化特性，采用了最小二乘曲線擬合法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 了擬合，研究表明光斑面積與距離之間近似滿足冪函數(shù)關(guān)系。
[0097] 5.2不同距離下的觀測(cè)數(shù)據(jù)與14m下的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取
[0098] 根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到不同距離d，以及該距離下的光斑直徑D與14m下的 光斑直徑的關(guān)系，在此論文表示為(D，d，D14)的數(shù)據(jù)集合的形式，采用上述方法共獲得樣本 數(shù)據(jù)280組，其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示：
[0099]表2基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的部分樣本數(shù)據(jù)集
[0102] 5.3光斑最大直徑觀測(cè)距離的歸一化
[0103] 本發(fā)明中所謂觀測(cè)距離的歸一化是指將不同距離下檢測(cè)到的光斑面積的值修正 到某統(tǒng)一的距離下，從而使檢測(cè)結(jié)果具有可對(duì)比性。上述問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)預(yù)測(cè)問(wèn)題，可利 用函數(shù)f來(lái)表示：
[0104] Dd〇 = f(Dd,d) (3)
[0105] 式（3)中，Dd〇為修正到某統(tǒng)一距離do下的光斑直徑的值，d為觀測(cè)距離，Dd為距離d 下檢測(cè)到的光斑直徑的值。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，其三維曲面如圖15示。
[0106] 分析圖15面的變化趨勢(shì)可知，隨著觀測(cè)距離的增加，其光斑直徑近似按照冪函數(shù) 規(guī)律而變化，相應(yīng)的放電強(qiáng)度越大，其歸一化后的光斑直徑也越大，兩者之間為線性關(guān)系， 基于此本文采用的擬合函數(shù)如所示。
[0107] Dm=A ? D ? dn
[0108] 上述中A為待定系數(shù)，D14為歸一化到14m后的光斑直徑，D為某距離d下測(cè)量到的光 斑直徑，n為冪指數(shù)。采用matlab的regerss函數(shù)對(duì)圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，其歸一化后函 數(shù)表達(dá)式為：
[0109] Di4 = 〇.〇88 ? D ? d0.921 (4)
[0110] 其中部分?jǐn)M合結(jié)果如下所示，研究表明利用上述歸一化計(jì)算公式，其歸一化后的 值與實(shí)際值之間的誤差不超過(guò)10 %。
[0111] 6.基于紫外光斑直徑的脈沖峰值的估計(jì)方法
[0112] 由上述研究可知，紫外圖像的光斑直徑與放電的電脈沖峰值之間具有良好的對(duì)應(yīng) 關(guān)系，且不同串長(zhǎng)下的上述關(guān)系的回歸曲線具有一致性，基于此本發(fā)明中利用紫外成像法， 非接觸式測(cè)量絕緣子串放電脈沖峰值的方法如下：
[0113] 根據(jù)放電光斑的最大橫向直徑可以估計(jì)其放電脈沖峰值，根據(jù)式（1)，其估計(jì)的歸 回表達(dá)式為：
[0114] I = 〇.873Dd〇-74.03 (5)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，其特征是，所述方法首先 對(duì)紫外成像儀拍攝的絕緣子串的紫外圖像進(jìn)行處理，提取其最大橫向光斑直徑D，所述橫向 光斑是指放電紫外圖像在與絕緣子串相垂直方向上的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù);然后通過(guò)歸一化處 理，將最大橫向光斑直徑D修正到某統(tǒng)一拍攝距離do下的光斑直徑Dd〇,最后將Dd〇代入放電回 歸方程I=K ? Dd〇+L(K、L為常數(shù)），得到放電脈沖峰值I。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，其 特征是，所述統(tǒng)一拍攝距離do選定為14米，放電回歸方程為I = 0.873Dd〇-74.03。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，其特 征是，絕緣子串圖像的最大橫向光斑直徑D修正到拍攝距離為14米時(shí)的光斑直徑D 14時(shí)，所采 用的歸一化函數(shù)表達(dá)式為： Dw=0.088 ? D ? d0-921 其中，d為拍攝距離。4. 根據(jù)權(quán)利要求3述的一種高壓絕緣子沿面放電脈沖峰值的非接觸式測(cè)量方法，其特 征是，絕緣子串的紫外圖像進(jìn)行處理的具體步驟如下： a. 圖像灰度化 將紫外成像儀輸出的原始RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，其灰度變換的公式如下： Y = 0.299R+0.587G+0.114B 其中Y為灰度值，其范圍為0-255; R、G、B分別為原始彩色圖像的紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色的分 量值； b. 圖像分割 采用閾值分割算法將灰度圖像變換為二值圖像，其算法為：式中T為像素點(diǎn)灰度值的閾值;g (x，y)為二值化后的灰度值;f (x，y)為二值化前的灰度 值； c. 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波 采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的開啟、閉合運(yùn)算構(gòu)成級(jí)聯(lián)濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，其運(yùn)算定義 如下：其中A為待處理的圖像，B為結(jié)構(gòu)元素，符號(hào)?和?分別代表腐蝕和膨脹運(yùn)算，符號(hào)〇和《 分別表示開運(yùn)算和閉運(yùn)算； d. 小區(qū)域面積消除 首先對(duì)圖像中各個(gè)白色的連通區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，將每個(gè)連通區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)賦予相同的 標(biāo)簽值;然后統(tǒng)計(jì)各連通區(qū)域內(nèi)所包含的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù);再將各連通區(qū)域所包含的像素點(diǎn) 的個(gè)數(shù)與設(shè)定的面積閾值進(jìn)行比較，大于面積閾值的區(qū)域內(nèi)的各像素值保持不變，而小于 面積閾值的區(qū)域內(nèi)各像素值設(shè)置為〇、即置黑； e. 依次統(tǒng)計(jì)該圖像矩陣每一行所包含的像素為"1"的個(gè)數(shù)，提取所統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的最大值， 得到該絕緣子串的沿面放電的最大橫向光斑直徑D。
【文檔編號(hào)】G01R31/12GK106054032SQ201610130107
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年3月8日 公開號(hào)201610130107.7, CN 106054032 A, CN 106054032A, CN 201610130107, CN-A-106054032, CN106054032 A, CN106054032A, CN201610130107, CN201610130107.7
【發(fā)明人】王勝輝, 詹振宇, 謝志新
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)（保定）