专利名称：高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法
技术领域：
本发明涉及一种可在不接触绝缘子本体的情况下检测出其电晕放电强度的方法，属于测试技术领域。
背景技术：
高压绝缘子的表面电晕放电可加速伞裙和护套的老化速度，分析绝缘子表面电晕放电的强度有助于了解设备的运行状态，准确评估放电的�：π院头⒄菇锥危币彩鞘迪稚谅缭ぞ那疤�。目前，国内外对绝缘子放电强度的检测方法主要有如下几种
一、脉冲电流法。所述方法目前应用较广泛，但属于接触式检测方法，在工程应用中存在一定不足①需现场安装电流传感器，且需对绝缘子的结构做一定的改动，劳动强度大并具有一定的危险性放电多发生于高压侧，而电流传感器则安装于低压侧，绝缘子串长可达几米甚至十多米，高压侧的放电信号传播到低压侧的过程中存在很大的衰减，导致传感器难以检测到较弱的放电；③变电站和输电线路绝缘子数量非常庞大，若每一串绝缘都安装检测系统将会导致成本太高、安装和维护工作量过大的问题；④脉冲电流法难以定位到具体的放电位置。二、紫外脉冲法。所述方法与成像法检测的都是放电辐射出的紫外光信号，但其输出为相应的脉冲信号，不能对放电进行成像，所述方法在现场难以定位放电位置，当探测器没有正对放电位置时，会存在很大的检测误差。三、紫外成像法。紫外成像法近几年在电力系统中得到了逐步的推广应用，但紫外成像法在电力系统中的应用时间还比较短，其研究现状如下
I)目前量化紫外成像检测结果采用了所谓的“光子数”参数，该参数存在如下不足首先光子数与紫外成像仪的增益、距离之间存在较复杂的非线性关系，难以得到较好的规律曲线，不便于估计放电强度；其次光子数对放电的响应速度慢，不便于反映放电的动态过程。2)相关的研究是在固定距离和固定增益下研究其紫外参数与放电量之间的关系，在工程实际中检测绝缘子表面的放电时，其观测距离和仪器增益并不固定，而距离和增益对检测结果会造成很大的影响，导致无法对放电强度进行量化分析。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法，在不接触绝缘子本体的情况下，准确、高效地检测出其电晕放电强度。本发明所述问题是以下述技术方案实现的
一种高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法，所述方法利用日盲紫外成像仪在不同仪器增益和观测距离下采集复合绝缘子在不同放电强度时的电晕放电视频信号，然后采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积、视在放电量、观测距离和仪器增益这四者的相关数据，在此基础上采用最小二乘支持向量机回归算法建立放电量强度预测模型，最后利用该模型对高压绝缘子表面电晕放电强度进行测试，具体操作包括以下步骤
a.给绝缘子施加50kV工频高压，利用局部放电测试仪测试绝缘子的放电量，保持该电压不变，选择观测距离分别为4. 0m、8. 0m、16. Om,24. 5m,29. 6m、33m、41. 5m和50m，在上述各观测距离下，依次在紫外成像仪的增益分别为50%、60%、70%和80%的情况下录制复合绝缘子的电晕放电视频信号；
b.将施加在绝缘子上的工频高压依次增加5kV直至120kV，在各电压点下重复步骤a的测量过程； c.对每次录制的电晕放电视频信号，采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积，进而得到放电光斑面积、视在放电量、观测距离和仪器增益这四者的相关数据；
d.按紫外成像仪增益的不同将上述数据分成四组，依次对每组数据采用最小二乘支持向量机回归算法建立放电量预测模型，得到与四个增益相对应的四个放电量预测模型；
e.选择紫外成像仪的增益为50%或60%或70%或80%录制被测复合绝缘子的电晕放电视频信号，采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积，同时测量观测距离，利用该增益所对应的放电量预测模型确定被测复合绝缘子的电晕放电量。上述高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法，采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积的具体方法采用以下步骤
①从日盲紫外成像仪采集的复合绝缘子电晕放电视频信号中捕捉紫外视频�。玫揭环噬滞枷瘢⒔貌噬枷褡晃叶韧枷瘢�
②对图像中感兴趣的放电区域进行截�。缓蟛捎枚兄捣指钏惴ń叶韧枷褡晃低枷瘢迪止獍咔虻姆指睿�
③采用二值数学形态学的腐蚀滤波算法除去放电区域外的噪声点，再采用膨胀算法对图像进行处理，恢复紫外图像的形状和大�。�
④统计图像内灰度值为I的像素点的个数，并以此来表征放电光斑面积s的大小
S = sum(l(x,y))
式中，i(x’y)为形态学滤波后的二值图像矩阵，;^和>’表示图像的像素点在矩阵中的位置，画表示对图像矩阵灰度值进行求和运算。上述高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法，为提高样本数据量，对每一紫外成像仪的增益下的每一放电强度下的放电光斑面积-观测距离关系曲线(即S 7曲线)的
观测距离，利用拟合函数S(rf)=尤I "进行线性插值处理，插值步长为0. lm，式中，J:和
a为相应的常量系数。本发明在不影响现场放电检测精度的前提下，利用人为规定紫外成像仪增益值的方法减少绝缘子电晕放电量预测模型的输入向量个数，有效简化了预测模型结构，提高了电晕放电量预测速度。所述方法可在不接触绝缘子本体的情况下检测出其电晕放电强度，具有操作安全、检测效率高等优点，为工作人员及时了解设备的运行状态，准确评估放电的�：π院头⒄菇锥渭笆迪稚谅缭ぞ峁┝吮憷跫�。
下面结合附图对本发明作进一步说明。图1是电晕放电光谱分布 图2是日盲紫外成像仪的基本工作原理 图3是日盲紫外成像仪紫外通道的成像原理 图4是图像处理和参数计算流程 图5是试验系统的接线原理 图6是光斑面积及放电量与电压关系曲线=8m =70%)；
图7是光斑面积与放电量关系曲线；
图8是光斑面积与增益关系曲线U =16m)；
图9是增益S =70%时光斑面积随距离的变化曲线；
图10是增益S =50%时光斑面积随距离的变化曲线；
图11是增益S =60%时光斑面积随距离的变化曲线；
图12是增益S =80%时光斑面积随距离的变化曲线；
图13是LS-SVM放电量预测模型；
图14是数据的预测值与原始数据实际值。文中各符号清单为S为光斑面积，/(U)为形态学滤波后的二值图像t力观测距离，I和f力相应的常量系数，表示对图像矩阵灰度值进行求和运算，S为增益，《为视在放电量。
具体实施例方式1、日盲紫外成像仪的工作原理1.1放电光谱分布特征和“日盲区”的概念
放电的过程中伴随能量的转移和释放而辐射出光信号，绝缘子表面的放电主要为电晕形式的放电，其光谱分布如图1所示。由图1可知，电晕放电时福射出的光信号波长主要分布于280_400nm紫外光波段，小部分波长在230-280nm之间。地球表面也会受到太阳光辐射,但太阳辐射光谱经大气吸收和散射等作用，UV-C (200-280nm)波段的紫外光信号几乎全部被大气中的臭氧所吸收，因此将低于280nm的波长区间称为太阳“盲区”，因此探测日盲波段的紫外光信号可避免太阳光的干扰。1. 2日盲紫外成像仪的工作原理
对放电日盲区的紫外光信号进行成像是目前检测放电的最新方法，称之为日盲紫外成像法，所述方法可直接获得放电发光区域的图像，定位到放电的位置同时避免了外界太阳光信号的干扰。日盲紫外成仪采用了双光谱成像原理，基本结构如图2所示。本发明的成像系统主要由可见光成像通道、紫外成像通道以及图像显示部分所构成。在仪器的光学入口处有光束分离器，将入射的光信号分为两路，其中的一路进入可见光通道，而另一路则进入紫外通道。可见光通道的结构与普通数码相机相同，主要包括镜头和CCD(光电耦合器，实现将光信号转换为电信号元器件)。紫外通道的结构相对较复杂，其结构如图3所示，主要由紫外透镜、日盲滤光片和紫外像增强器(包括光电阴极、微通道板(MCP)、荧光屏、光纤锥、(XD)所构成。仪器内部将紫外通道图像叠加到可见光通道图像上然后通过显示屏幕显示出来。该仪器检测放电并定位放电位置的基本原理如下
当高压设备表面发生放电时，高压设备本体发出的光信号(反射外界光源的光线)和放电区域辐射出的光信号(放电自身辐射出的光线，包含部分的紫外光信号)同时进入紫外成像仪，紫外成像仪内部的光束分离器将入射光信号分为两路光信号，其中的一路直接进入可见光通道，入射光信号经透镜折射后成像于CXD表面，该图像也即设备本体所成的图像。另一路光信号则进入到紫外光通道，该通道有特殊的“日盲”滤光片，仅让240-280nm的紫外光信号通过，由于高压设备表面电晕放电福射出的日盲波段光信号强度为IO-5- 10-6数量级，非常微弱且属于不可见的辐射图像，为实现成像，紫外通道采用了像变换和像增强的方法实现成像先利用紫外光电阴极将紫外图像转换为电子图像，然后经MCP对电子图像增益放大，MCP输出的电子流高速轰击到其后部的荧光屏上，将电子图像又转换为可见光图像，然后经CCD采集成像。紫外通道仅对放电发光区域进行成像，为了能定位放电的位置，在其仪器内部采用了图像融合算法将紫外图像叠加到了可见光图像上，从而显示出放电位置。2.紫外成像图像量化参数的提取和计算
根据紫外图像中其放电光斑(放电时高场强区域电离并发光，在紫外图像中显示为白色的区域，本项目将其定义为放电光斑)随放电强度而明显变化的特性，在此提出了一种新的放电量化方法通过对紫外视频或图像进行处理提取相关的图像参数用于检测结果的量化，其图像处理和参数提计算流程图如图4所示。紫外成像仪可以对检测结果以视频或图像形式存储，对于视频，先编写视频播放和分析软件从紫外视频中连续或随机捕捉紫外视频�。恳恢〖次环噬滞枷瘢欢杂谕枷瘢蛑苯哟幼贤獬上褚堑拇娲⒖ㄖ卸寥�。从视频中获得的图像帧或紫外成像仪拍摄的图像为彩色图像，为便于后续处理，本项目先将图像中感兴趣的放电区域进行截�。噬枷褡晃叶韧枷袢缓笤俳型枷穹指睿诺缜蛟谧贤馔枷裰形恍┌咨獍撸浠叶戎滴狪或接近1，而背景图像的灰度值一般远低于1，本项目采用了动态阈值分割算法将上述灰度图像转换为二值图像从而实现了光斑区域的分割。在上述二值图像中，白色图像除了放电区域外有时还有部分的噪声点，根据噪声区域图像所包含的像素点个数一般远小于放电区域的特性，本发明采用了二值数学形态学(Mathematical Morphology)的腐蚀滤波算法,但单纯对图像进行腐蚀运算会导致图像面积减小，给后续的光斑面积计算带误差，为此发明又采用了膨胀算法对图像进行了处理，这样在滤除了图像中噪声的同时还较好地保持了紫外图像的形状和大小。放电越强，光斑越大，因而可以利用图像光斑的大小来表征其放电强弱。二值图像在计算机中以矩阵的形式保存，每一个像素点对应一个灰度值，白色点的灰度值为1，黑色点的灰度值为0，因此通过统计其区域内灰度值为I的像素点的个数即可表征其光斑区域大�。痉⒚鞫ㄒ逦肮獍呙婊� S，其计算式如下
S=(I)
式中，表示对图像矩阵灰度值进行求和运算，/(U)为形态学滤波后的二值图像。根据上述定义可知，光斑面积实际上是放电光斑区域像素点的个数，因此本项目在此定义其单位为像素(Pixel)。3.试验系统的构建和试验方法
3.1试验设备及接线
本项目构建的试验系统接线如图5所示。被试品为IlOkV复合绝缘子，型号为FXBW-110/100，其高压侧金具由于遭受雷击存在一烧伤点，加压后在该点容易形成位置固定且放电强度较稳定的电晕放电点，便于研究光斑面积与放电量、观测距离以及仪器增益之间的关系。放电量采用局部放电测试仪进行测量，型号为LDS-6 (德国生产，最小可检 测视在放电量< lpC)，检测阻抗直接串接在复合绝缘子的低压侧接地回路中，检测阻抗带宽为lOOkHz-lOOOkHz，利用一电容量为0. 015uF的高压电容器构成耦合电容，为防止高压导线产生电晕放电，在导线外套接了直径为IOcm的软铝波纹管。紫外成像仪型号为南非COTOCAM504，为了便于分析放电的动态过程，输出视频信号由外接的视频录制设备进行存储，在试验的过程中除了改变仪器的增益外，仪器其他参数采用默认设置。3. 2试验步骤和方法 试验步骤和方法如下
I)首先研究放电量与电压以及光斑面积之间的关系。利用标定信号源在绝缘子两端注A iooopc的放电量对局放检测系统进行放电量的标定，然后给绝缘子施加工频高压，分别研究了 50kV、55kV、60kV、65kV直至120kV共15个电压点下的放电量和紫外图像的变化特性。2)研究不同放电强度下光斑面积，随距离^和增益的变化特性。增加电压到50kV，保持该电压不变，选择观测距离分别为4. 0m、8. 0m、16. 0m,24. 5m,29. 6m、33m、41. 5m和50m，在上述各观测距离下，依次在紫外成像仪的增益分别为50%、60%、70%和80%的情况下录制紫外视频信号。3)依次在电压为55kV、60kV、65kV直至120kV各电压点下重复整个2)的测量过程。4.试验结果及分析
4.1放电量与电压及光斑面积之间的关系
给绝缘子逐步增加电压，当电压达到约40kV时，紫外成像仪开始观测到高压侧金具烧伤点处有微弱的放电，光斑很�。辔肷⒌牡阕矗植糠诺绮馐砸羌觳獾降氖釉诜诺缌科骄滴�133pC。当电压达到50kV后，紫外成像仪的光斑面积明显增加，放电量平均值为230pC。继续增加电压，光斑面积和放电量也相应增加，当电压达到120kV后光斑面积均值为8157Pixel，视在放电量则达到了 4013pC。基于试验数据，图6给出了光斑面积和放电量与电压之间的关系曲线。由图6可知，随着电压的逐步增加，其光斑面积和放电量也相应增加，但具有一定的非线性，放电量开始增加比较缓慢，当电压达到了约75kV时，放电量的增加速度有所增力口，当电压达到了 105kV后，放电量增加的速度又有所下降，但光斑面随电压增加一直比较明显。基于上述试验数据，图7给出了放电量与光斑面积的关系曲线。从图7中可以看出放电量随光斑面积的增加而相应增加，利用光斑面积参数可以较好地表征其放电量的变化。4. 2增益对光斑面积的影响
为了适应不同放电强度检测的需要，进行放电检测时需调节紫外成像仪的增益，本项目研究了在不同的放电强度下光斑面积与增益之间的关系。在同一观测距离和近似相同的放电强度下，随着紫外成像仪的增益增加，其光斑面积也显著增加。基于试验数据，放电强度分别为418pC(60kV)、980pC(80kV)、 2475pC(IOOkV)和4013pC(120kV)情况下光斑面积与增益之间的关系如图8所示。观测其数据点的变化趋势本项目提出的拟合式如(2)所示
s(g)= I eK.p(b g)⑵
式中，g为仪器增益，,1和&为相应的常量系数。拟合函数表达式和拟合优度系数及如表I所示。表I光斑面积与增益拟合函数表达式
放电量/pC 拟合函数表达式拟合优度
418s(g)= 1.632 esp(OT4S6g)
s(g) = 3.656exp(CfiW5!5lg)
~5s(g)= 8.879 eKp(CfiCP PHg)
4013s(g)= 21.77 exp(CP 3 9g)
系数&的取值一般在0. 06-0. 08之间时其拟合优度系数接近于I (的取值范围在0至I之间，i 值越接近1，说明回归曲线对观测值的拟合程度越好)，也即光斑面积与增益之间近似按照指函数规律而变化，在50%-80%的增益范围内，一般增益每增加10%，光斑面积约增加1. 5-2倍。4. 3观测距离对光斑面积的影响
随着观测距离增加，紫外成像通道的图像大小逐步减�。蚨贤馔枷裰械墓獍呙婊步嘤跣�。随着距离增加光斑面积明显减�。菔匝槭荩瞧髟鲆嫖�70%，放电强度分别为418pC、980pC、2475pC和4013pC时光斑面积与观测距离之间关系如图9所示。分析图中数据变化特点本项目提出的拟合公式如(3)所示 s(d) = K d.a(3)
拟合函数表达式和拟合优度系数i 如表2所示。表2光斑面积与距离关系拟合函数表达式
放电量/pC 拟合函数表达式拟合优度n
418s(d) = 4302IM- ■ 9894
980s⑷=104 94 Icf 1 應9958
2475s )= 19753 W 15189910
权利要求
1.一种高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法，其特征是，所述方法利用日盲紫外成像仪在不同仪器增益和观测距离下采集复合绝缘子在不同放电强度时的电晕放电视频信号，然后采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积、视在放电量、观测距离和仪器增益这四者的相关数据，在此基础上采用最小二乘支持向量机回归算法建立放电量强度预测模型，最后利用该模型对高压绝缘子表面电晕放电强度进行测试；具体操作包括以下步骤a.给绝缘子施加50kV工频高压，利用局部放电测试仪测试绝缘子的放电量，保持该电压不变，选择观测距离分别为4. 0m、8. 0m、16. Om,24. 5m,29. 6m、33m、41. 5m和50m，在上述各观测距离下，依次在紫外成像仪的增益分别为50%、60%、70%和80%的情况下录制复合绝缘子的电晕放电视频信号；b.将施加在绝缘子上的工频高压依次增加5kV直至120kV，在各电压点下重复步骤a 的测量过程；c.对每次录制的电晕放电视频信号，采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积，进而得到放电光斑面积、视在放电量、观测距离和仪器增益这四者的相关数据；d.按紫外成像仪增益的不同将上述数据分成四组，依次对每组数据采用最小二乘支持向量机回归算法建立放电量预测模型，得到与四个增益相对应的四个放电量预测模型；e.选择紫外成像仪的增益为50%或60%或70%或80%录制被测复合绝缘子的电晕放电视频信号，采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积， 同时测量观测距离，利用该增益所对应的放电量预测模型确定被测复合绝缘子的电晕放电量。
2.根据权利要求1所述的一种高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法，其特征是，采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积，具体按以下步骤操作①从日盲紫外成像仪采集的复合绝缘子电晕放电视频信号中捕捉紫外视频�。玫揭环噬滞枷瘢⒔貌噬枷褡晃叶韧枷瘢虎诙酝枷裰懈行巳さ姆诺缜蚪薪厝。缓蟛捎枚兄捣指钏惴ń叶韧枷褡晃低枷瘢迪止獍咔虻姆指睿虎鄄捎枚凳翁У母绰瞬ㄋ惴ǔシ诺缜蛲獾脑肷悖俨捎门蛘退惴ǘ酝枷窠写恚指醋贤馔枷竦男巫春痛笮。虎芡臣仆枷衲诨叶戎滴狪的像素点的个数，并以此来表征放电光斑面积 s的大小S =式中，/(U)为形态学滤波后的二值图像矩阵，；^和.F表示图像的像素点在矩阵中的位置，SW 表示对图像矩阵灰度值进行求和运算。
3.根据权利要求1或2所述的一种高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法，其特征是， 对每一紫外成像仪的增益下的每一放电强度下的放电光斑面积-观测距离关系曲线的观测距离/利用拟合函数办i)= Z I a进行线性插值处理，插值步长为O. lm，式中，尤和α.为相应的常量系数。
全文摘要
一种高压绝缘子表面电晕放电强度测试方法，它利用日盲紫外成像仪在不同仪器增益和观测距离下采集复合绝缘子在不同放电强度时的电晕放电视频信号，然后采用视频分析和数字图像处理算法分割出放电光斑区域，获得放电光斑面积、视在放电量、观测距离和仪器增益这四者的相关数据，在此基础上采用最小二乘支持向量机回归算法建立放电量强度预测模型，最后利用该模型对高压绝缘子表面电晕放电强度进行测试。本发明可在不接触绝缘子本体的情况下检测出其电晕视在放电量，具有操作安全、检测效率高等优点，为及时了解设备的运行状态，准确评估放电的危害性和发展阶段及实现闪络预警提供了便利条件。
文档编号G01R31/12GK103018640SQ20121049008
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者王胜辉, 律方成, 刘云鹏 申请人:华北电力大学(保定)
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
