离散液滴诱发复合绝缘子沿面放电的紫外成像特征

张 奇，马全亮，孙建刚，李超群

（天津市电力公司滨海供电分公司，天津300450）

与传统的瓷绝缘子相比，复合绝缘子以其重量轻，耐污闪、湿闪性能好，运行维护方便和不易破碎等优点，在电力系统输配电设备中得到了日益广泛的应用[1-4]。但是，随着运行环境的恶劣与电压等级的提高，复合绝缘子表面不断沉积各种固体污秽和盐分，在干燥环境下，绝缘子表面电阻仍然很大，不会影响其正常运行；在大气湿度较高时，特别是在雾、露等恶劣气象条件下，绝缘子表面在污秽物与湿度共同作用下发生沿面放电，乃至闪络事故，严重影响电力系统的安全稳定运行[5-8]。因此，开展复合绝缘子沿面放电与闪络机理的研究工作，对防止输变电设备闪络事故的发生，保障电力系统安全可靠运行具有重要的理论意义与工程价值。

根据污闪过程可知，其发生的三要素为表面积污、润湿和电压，其中，液滴在绝缘子表面凝结与润湿及其诱发的沿面放电是导致闪络事故的主要原因，也成为国内外研究人员关注的热点之一[9-13]。Karady 等研究了绝缘子表面存在液滴时，电场分布及其引发的导电通道、放电与闪络现象[9]；Gorur等研究了离散液滴的大小、形状和间距对绝缘子表面放电电场强度与放电能量的影响[10]；Cherney等基于泄漏电流与放电模式识别技术研究了硅橡胶绝缘子表面离散液滴诱发的电晕放电与干燥带电弧放电的转换过程[11]；我国的研究人员分析了不同复合绝缘子表面憎水性与离散液滴形貌下，表面电场分布、畸变与电晕、电弧放电的关系[12-13]。

综上所述，虽然研究人员对液滴诱发绝缘子表面放电现象进行了一些研究与分析，但是仍然缺乏对放电机理的系统研究，特别是离散液滴主要参数对放电特征的影响。因此，本文在实验室条件下采用紫外成像仪观察分析了离散液滴诱发复合绝缘子沿面放电闪络现象与过程，通过分析放电紫外图像特征，获取了离散液滴大小与位置对放电特征的影响，有助于进一步研究绝缘子污闪放电机理。

1 实验过程与方法

1.1 实验试样

图1 为实验采用的试样与电极结构示意。实验试样为硅橡胶绝缘子切片，取自未投入运行的复合绝缘子，其尺寸为70 mm×30 mm×5 mm。实验电极为“半圆形-平板”不锈钢电极，采用机械紧压方式固定在试样表面，电极间隙为40 mm。在实验开始前，所有试样均采用无水乙醇进行清洗，并在室温下干燥24 h。

图1 实验试样与电极结构示意Fig.1 Experimental specimen and electrode pattern

1.2 实验装置与方法

实验装置如图2 所示。半圆形电极通过保护水阻R1接入交流高压电源，平板电极直接接地。实验电源的额定容量为100 kV·A，输出电压为0～100 kV。实验用离散液滴为NaCl 与去离子水混合制成，并通过电导率测量仪（MODEL SC82）确定液滴污秽度为1.0 mS/cm。然后采用微升仪将不同体积的液滴放置在电极间试样表面，液滴位置分别为靠近高压电极、电极中间和靠近地电极，液滴大小分别为10 μL、20 μL、30 μL 和40 μL。在实验过程中，采用日盲型紫外成像仪（DayCor）记录沿面放电闪络过程中辐射的紫外光学图像，其工作的紫外波段为240～280 nm。

为降低周围环境光源对放电光紫外检测的干扰，所有放电实验均在暗室中开展。当试样固定在电极间，并将液滴置于试样表面后，采用匀速升压法在试样上施加交流电压，升压速率为1.0 kV/s，待试样表面发生闪络时，此时的电压记为闪络电压。沿面放电闪络过程及其紫外特征通过紫外成像仪所拍摄成放电紫外图谱，并通过图像特征提取技术建立紫外图谱特征量与离散液滴参数的对应关系，进而揭示离散液滴诱发绝缘子沿面放电、闪络过程及机理。

图2 实验装置Fig.2 Experimental arrangement

2 图像处理与特征提取

一般全彩色图像的数字存储形式为三维矩阵，数据结构较为复杂，不便于放电特征量的提取。因此，在进行特征量提取前先将全彩图像转化为灰度图像，其存储结构降为一维矩阵，灰度值与放电紫外辐射强度相关，在0～255 之间，其中0 表示未发生放电和实验背景，255 表示发生了最强烈的放电。

2.1 放电紫外图像的灰度直方图分析

灰度直方图是图像处理中常用的一种统计工具，它是灰度级的函数，表示图像中具有每种灰度级象素的个数，反映图像中每种灰度出现的频率[14]，其计算方法为

式中：An为某一灰度值的统计量；m、n 分别为矩阵的行、列数；当第i 行第j 列的像素点灰度值为n时，Iij的值为1；当第i 行第j 列的像素点灰度值不为n 时，Iij的值为0。

通过灰度直方图可以初步评断放电图像的一些性质：明亮图像的直方图倾向于灰度级高的一侧，表明出现了强烈放电；低对比度图像的直方图窄而且集中于灰度级的中部，表明放电强度相对较小且特征较为一致；高对比度图像的直方图覆盖的灰度级很宽而且像素分布不均，表明放电强度较为分散且分布不均。

2.2 灰度直方图的特征统计

从直方图的定义与获取中可看出，直方图能够直观定性地反映放电强度与分布特征，但缺乏一些定量特征参数。因此，为了对绝缘子沿面放电进行定量分析，需要对放电紫外图像的灰度直方图进行特征统计，以获取不同离散液滴参数下放电紫外图谱的特征。

首先，提取灰度直方图的灰度值总和，能够反映出放电强度，灰度值总和越大反映放电强度越大，产生的电弧发光越剧烈，其计算公式为

式中：S 为灰度值总和；I（i，j）为第i 行第j 列的像素点灰度值。

其次，计算灰度直方图的熵，能够反映放电图像的细节变化，熵值越高表明放电越复杂，其计算公式为

3 结果与讨论

3.1 放电闪络过程的紫外特征

图3 为液滴置于电极中间，体积为10 μL 时绝缘子沿面闪络过程中放电紫外图像。从图中可看出，随着施加电压的逐渐升高，高压电极及电极间的场强逐渐增大，当电场强度达到了电极场致发射和空气的电离场强时，首先在高压电极附近出现电晕放电，并在电极间形成了较为微弱的电离通道，如图3（a）所示；随着电压的继续升高，高压电极和电极间的电场强度逐渐增大，电离通道连读逐渐增强，液滴周围出现了淡紫色的电晕放电，但是由于电极中间位置液滴的存在，对形成贯穿电极的电离通道具有一定阻碍作用，导致液滴上方空气在强电场作用下形成了飞弧状的电离通道，如图3（b）所示；当电压再次升高后，电极间的电离通道变得更加明亮，同时在电极间形成了更为明亮的飞跨液滴的空气电离通道，如图3（c）所示；当施加电压达到了闪络电压后，电极间形成了强烈的电弧放电，放电亮度达到最大，同时由于强烈放电导致图像中出现了紫外成像仪的光晕圆圈，但其不影响放电紫外特征的统计，如图3（d）所示（图3 中：L 为高压电极侧；R 为地电极侧）。

图3 沿面闪络过程中放电的紫外图像Fig.3 UV images of surface discharges during the flashover process

为了定量描述闪络过程中放电紫外图像特征，图4 和图5 分别给出了放电图像的灰度直方图及其定量紫外特征参数。从图4 可看出，在发生沿面闪络之前，试样表面放电紫外图像的像素主要集中在50 以下，表明在这一过程中沿试样表面主要发生的是电晕放电，放电的发光强度较弱，对应的灰度直方图主要集中在低灰度值范围。但是，随着电压的升高，低灰度值范围内的像素个数呈现增大的趋势，表明电晕放电逐渐增强。当发生沿面闪络时，放电紫外图像的灰度直方图在各个灰度值均呈现一定的分布，并且在低灰度值（30 左右）和高灰度值（250 左右）出现了峰值，这主要是由于试样表面发生了贯穿两极的强烈放电现象，放电紫外亮度很高，同时在电弧与空气接触区域内存在空气电离，在电弧周围产生较弱的放电，其紫外亮度相对较弱，但仍高于闪络前的电晕放电。

图4 沿面闪络过程中放电紫外图像的灰度直方图Fig.4 Gray-scale histogram analysis of UV images of surface discharges during the flashover process

图5 沿面闪络过程中放电的紫外特征提取Fig.5 UV imaging characteristics of surface discharges during the flashover process

图5（a）给出了沿面闪络各个阶段的紫外光子数，通过测量规定区域内的紫外光子数可以表征放电强度，随着放电阶段的发展，放电紫外光子数呈现增大的趋势，在发生闪络时辐射的紫外光子最多。与之相对应的放电紫外图像的灰度值之和也呈现增大的趋势，如图5（b）所示。同时，放电紫外图像灰度直方图的熵值随着放电阶段的发展逐渐增大，并且在闪络阶段显著增大，表明在闪络发生前试样沿面放电分散性较小，主要呈现一定规律的电晕放电和空气电离；当发生闪络时，沿面放电较为复杂，放电的不规律性增大。

3.2 液滴大小对放电紫外特征的影响

在液滴电导率与液滴位置不变时，液滴体积对绝缘子沿面放电紫外特征的影响如图6 所示。从图中可以看出，随着液滴体积的增大，放电紫外光子数、放电紫外直方图的灰度值和熵值均呈现增大的趋势，表明虽然较大体积的液滴对沿面电离通道形成与带电离子运动起到一定的抑制作用，但其最终引发的放电闪络较为剧烈。这主要是由于绝缘子沿面放电闪络最主要的形成方式是电子、离子等带电离子与空气发生的碰撞电离。当试样表面不存在液滴时，阴极发射的初始电子冲击试样表面解吸附气体发生碰撞电离，导致电子崩的形成与发展；当存在液滴时，液滴在电场下发生极化，正离子偏向阴极侧液滴表面，当电子冲击液滴表面时被正离子捕获，发生复合，从而对放电的起始与发展产生一定的抑制作用[15-17]。

图6 不同液滴体积下沿面放电的紫外特征提取Fig.6 UV imaging characteristics of surface discharges under different droplet volume

随着液滴体积的增大，电极间沿绝缘子表面的绝缘有效距离减小，表面干区所承受的电压相对增大，较易引发电晕放电和空气电离，导致在沿面放电发展各个阶段辐射出较多的紫外光子，同时放电也变得较为强烈和复杂。

3.3 液滴位置对放电紫外特征的影响

在液滴体积与液滴电导率不变时，液滴位置对绝缘子沿面放电紫外特征的影响如图7 所示。从图中可以看出，随着液滴位置从地电极侧到高压电极侧，放电紫外光子数、放电紫外图像直方图的灰度值和熵值均呈现下降的趋势，表明液滴处于地电极侧的时候放电起始与发展受到了一定的抑制，但所引发的放电闪络比较剧烈。这主要是由于在强电场作用下，试样表面电子运动速度高于正离子移动速度，当液滴置于高压电极侧时，液滴的阻挡作用导致液滴两侧迅速积聚大量的正电荷和电子，并且较易形成高电场引发跨接液滴的电弧放电，从而导致闪络较易发生。与之相对应，液滴在地电极侧的时候，液滴对电子移动起到了一定阻碍作用，当外加电场足够高时才能诱发沿面闪络。

液滴的介电常数要高于空气和复合绝缘子试样表面的介电常数，因此，当液滴置于试样表面后，在试样表面、液滴和空气交界处形成较强的局部电场，沿面电场畸变程度随着液滴从地电极侧向高压电极侧发展呈现下降的趋势。由于沿面放电与电弧的发展是从电极两端向着液滴位置，只有当电压达到临界值的时候，电弧在电场力切向分量与弱法向分量共同作用下形成跨接液滴的沿面闪络。

图7 不同液滴位置下沿面放电的紫外特征提取Fig.7 UV imaging characteristics of surface discharges under different droplet location

4 结论

基于沿面放电闪络的紫外成像特征研究了离散液滴参数（液滴位置与液滴体积）对复合绝缘子沿面放电的影响规律，主要结论如下。

（1）当绝缘子表面存在液滴时，随着沿面放电的起始、发展以至闪络形成，放电紫外成像的灰度直方图从较为集中的低像素（0～50）范围发展到很宽的像素分布，紫外光子数、灰度值之和以及熵值均呈现增大的趋势，并且在闪络发生时紫外成像特征参数均显著出现最大值。

（2）随着液滴体积的增大，放电紫外光子数、紫外成像的灰度值与熵值均呈现增大的趋势。

（3）随着液滴位置从地电极侧向高压电极侧移动，放电紫外光子数、紫外成像的灰度值与熵值均呈现减小的趋势。

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