新型智能化国产紫外成像仪技术与开发研究

姚 磊

（国网北京市电力公司）

0 引言

高压电气设备常用的放电缺陷检测方法有：肉眼观察法、超声波检测、泄漏电流在线监测、红外成像仪观测、紫外成像仪检测等，这些方法在实际应用中都有各自的适用范围。紫外成像技术能够检测到电晕放电和表面局部闪络的现象，可以更灵敏、更直接地观察运行中输变电设备的放电情况，为设备外绝缘的缺陷诊断提供依据。随着日盲型紫外成像技术的日趋成熟，我国在2000年以后开始将紫外成像技术应用于电力设备检测，国内省级以上的电力试验和研究机构开始大量应用紫外成像仪，取得了一定的研究成果。虽然国内的实践工作量大，且有较多的基础，但是紫外图像、测量数据与设备状态间的关系还不清晰，没有形成完善的相关检测和判别标准。

1 紫外成像技术发展历史及现状

紫外成像技术从20世纪80年代开始进入实质性研究和应用，但当时主要应用于军事领域，所以各国对技术发展和应用都进行了严格的保密。1981年，前苏联电力专家最早将该技术应用于电力系统。1984年，西伯利亚电力科学院利用紫外成像技术开发了紫外电子光学探伤仪，并将其应用于交流高压输变电线路和设备外部绝缘状态的远距离检测，但它只能用于夜间检测。俄罗斯在最近二十多年不断应用和完善紫外成像技术的基础上，总结了一套成熟的针对各类设备缺陷的检测指导方法。

在俄罗斯的带动下，20世纪90年代末期，紫外成像技术在美国、南非、以色列等国家的民用市场得到了迅速地普及和推广，同时也进一步促进了紫外成像技术的研究和生产。特别是近年来，由以色列OFIL公司和美国电力科学研究院（EPRI）共同研发而成的Daycor紫外电晕成像仪以及由南非CSIR（Centre for IntegratedSensing Systems）和南非最大的供电机构ESKOM 合作研发的CoroCAM系列紫外成像仪，都克服了俄罗斯紫外电子光学探伤仪只能用于夜间检测的缺点，它们可以在明亮的日光下观测到电晕现象，即目前最为流行的日盲型检测技术。日盲型检测的核心部件是滤光片，滤光片的通带范围设计在240～280nm的范围，在这一波长范围内，太阳光中的紫外成分基本被大气吸收，而空气放电产生紫外线波长范围在230～400nm之间，利用这一窗口就能够达到日盲紫外探测的目的，图1为OFIL的产品组成示意图。

图1 常见的日盲型成像仪组成结构示意图

20世纪90年代初，随着世界上其他国家民用紫外成像检测技术的快速发展，相应的一些检测设备开始进入我国市场。以长春光机所为代表的一些研究所和企业在紫外检测领域开展了研究工作，取得了长足的进步，通过改进紫外透镜组使定位的准确程度得到了提升。由于我国大部分紫外成像设备的制造厂家都来自光电领域，因而在紫外光路设计方面较为保守，光路通常较为复杂，光损耗较大，产品制造难度大，价格昂贵，不易推广。近年来随着紫外成像设备的使用，积累的数据越来越多，紫外检测结果的人工判别的工作量突增，急需研究智能的图像识别和自动诊断技术。由于紫外成像仪价格昂贵，至今用户配置紫外检测设备还较少，这一方面限制了推广应用，而且进一步限制了紫外检测数据的广泛收集，也限制了相关诊断技术的发展和进步。因此，积极开展研究工作，实现紫外检测设备的国产化，降低价格，扩大应用范围是目前技术发展的当务之急。

2 紫外成像关键技术和难点研究

高压电气设备如果出现外绝缘缺陷，可能引起外部场强的变化，当局部场强达到 24～30kV/cm时，会产生电晕或局部放电现象。放电将引起空气分子电离，产生声波、光波和电磁辐射等特征信号，如何准确检测到这些特征信号，并且与电气设备各类缺陷及发展程度相对应，是紫外成像技术目前研究的关键和难点。

2.1 紫外检测灵敏度和光电关系研究

2.1.1 试验平台的搭建

选用目前国际先进的紫外成像仪，针对工频电压作用下几种输变电设备外绝缘模拟缺陷进行电极放电紫外成像试验，对其放电过程和放电机理进行试验研究。试验接线原理如图2所示。

图2 试验接线原理图

2.1.2 多因素对检测灵敏度的影响特性研究

在试验室内对针−板电极，尖−尖电极进行加压后，用紫外成像仪观察并记录数据，从而寻找放电信号和光子数、距离、设备增益、环境以及电压等因素对紫外信号的关系。

（1）紫外光子数与距离、增益的关系

采用针−板间隙产生较稳定的电晕放电，用紫外成像仪观察，在一定的距离下改变增益，统计各个增益下1min内紫外光子数的平均值。改变不同的距离，重复上述步骤，研究在稳定的电晕和相同的增益观测下，紫外光子数与距离的关系。

（2）紫外光子数与环境的关系

由于高压设备电晕放电强度受气压、海拔、温度、湿度及雨雪天气等环境因素影响较大，其放电影像和光子数数值会随上述因素的变化而改变。在额定运行电压下，研究不同污秽等级下湿度对绝缘子放电紫外成像特点的影响，搜集大量的电气设备紫外缺陷图谱，研究在不同环境下环境与放电光子数之间的关系。

（3）电晕放电与电压的关系

针对电晕放电在紫外光子数随放电强度、环境、仪器增益和观测距离的变化特性，通过等价折算的方式将现场的放电强度转换成某一具体增益、测试距离、环境条件下的强度，建立具有紫外光电关系的放电光谱效应模型。

2.1.3 绝缘子外绝缘放电紫外成像试验

在试验室内模拟合成绝缘子、瓷绝缘子、外绝缘设备污秽、输电导线等典型缺陷类型，利用紫外成像技术观察其电晕放电现象，得到各种缺陷类型的紫外放电图谱，探究设备的放电特征和特性，建立电力设备专有的外绝缘设备典型光谱模型。

（1）合成绝缘子外绝缘放电的紫外成像试验

在试验室内对合成绝缘子施加额定运行电压下，模拟端部金具放电、均压环放电、水珠放电、护套开裂放电等缺陷，利用紫外成像仪进行紫外成像试验，从而研究合成绝缘子的放电特性。

（2）瓷绝缘子外绝缘放电的紫外成像试验

在试验室内对瓷绝缘子施加额定运行电压下，模拟裂纹和破损放电、低值或零值放电、钢脚或铁帽锈蚀放电、闪络痕迹放电等缺陷，利用紫外成像仪进行紫外成像试验，从而研究瓷绝缘子的放电特性。

（3）污秽外绝缘设备的光电特性对比

本试验模拟清洁和一级污秽外绝缘设备放电、一级污秽和二级污秽绝缘子放电，对比不同程度污秽和涂料影响下，外绝缘设备的放电特性。

（4）输电导线放电的紫外成像试验

1）导线散股、断股放电：局部导线因断裂突起产生尖端，引起局部电场强度增加，从而产生放电。在试验室内模拟导线断股的情况，研究其放电特性。

2）导线划伤、磨损和小毛刺放电：架线时托伤、运行过程中外部损伤以及导线上残留金属突出物和小毛刺等，这些因素都可能导致导线附近电场强度变强，产生电晕。在试验室内用锉刀将导线表面部分锉粗糙，用来模拟导线局部磨损的情况，研究其放电特性。

2.2 紫外成像的特征提取与故障诊断研究

在试验室内模拟不同典型缺陷的基础上，结合图像处理技术提取紫外图像的原始特征，以及脉冲电流法对放电量进行定量描述，再利用深度学习技术对原始特征进行分类判别，从而建立外绝缘设备典型缺陷故障数据库，实现典型故障的判断及综合诊断。

2.2.1 外绝缘设备的紫外图像中电晕放电特征

紫外图像携带大量放电特性的信息，如放电位置、放电的大致形状、放电点个数和放电区域的大小等。为了尽可能高效率地利用紫外成像图片所携带的信息。提取4个特征量，分别为：光斑面积、边界周长、长轴、短轴。此外，放电的空间分布能直观地呈现放电位置和强度等信息，也是反映设备放电情况的重要特征参数，需对此分析。

2.2.2 外绝缘设备放电紫外图像的原始特征的提取方法

根据上述紫外图像的特征，通过数字图像处理算法提取了图像中放电光斑区域流程框图如图3示。

图3 电晕放电特征提取流程

2.2.3 基于深度学习的外绝缘设备放电紫外图像的特征提取方法

收集现有的紫外典型缺陷图谱，建立外绝缘设备典型缺陷故障数据库，利用外绝缘设备放电紫外图像的原始特征的提取方法提取原始特征，再对紫外原始特征进行分析与典型库原始特征进行匹配和比对，可以实现对表征外绝缘设备的状态检测。

3 新型智能化国产紫外成像仪开发研究

在外绝缘设备典型缺陷故障数据库和紫外光电响应模型对紫外图谱进行实时分析判断的基础上，研制一款小型化、低成本、智能化以及可靠的电力专用紫外成像仪，实现外绝缘设备的实时判断分析和智能辅助决策。

3.1 研制基于人体工学的紫外成像装置

研究紫外成像装置短光路、小型化、抗震动技术，针对特殊天气环境下设备的适应性开展相关测试研究。局部放电产生的光主要集中在紫外光谱波段，紫外成像模块由日盲滤光镜、紫外镜头、紫外ICCD等模块组成，可以在全天内对局部放电产生紫外信号进行检测。日盲型紫外成像模块示意图如图4所示。

图4 紫外成像模块示意图

智能紫外成像仪主要包括：显示屏、ARM板、紫外成像模块、可见模块、电源系统和通讯模块等六部分，如图5所示。

图5 智能紫外成像仪硬件逻辑图

3.2 紫外检测的实时信息处理技术研究

3.2.1 卷积神经网络的加速与实时信息处理技术

对于卷积神经网络来讲为了提高模型的性能，一般采用的方法是增加模型的层数，用较大的模型来训练并应用。对于采用定点数运算所带来的精度损失问题，可以对算法所用的网络进行量化压缩，在不损失精度的前提下，把原模型中双精度浮点的权重、数据以及偏置量通过量化的方法以更少位数的定点数来表示。

3.2.2 设备状态分析、缺陷判断及预警系统

研究与小型紫外成像装置相配套的、具有实时放电强度量化和缺陷等级判断功能的外绝缘设备状态分析和预警软件系统。利用具有紫外光电关系的设备放电量综合校正模型对紫外信号进行实时校正，同时利用基于深度学习的外绝缘设备典型缺陷故障数据库对紫外图谱进行实时分析判断，实现外绝缘设备的实时绝缘评级、缺陷分类诊断、状态预警。

3.2.3 自动生成标准化检测报告

研究满足高压电气设备巡检业务需求的巡检报告自动生成技术，实现设备生成紫外成像检测报告的功能。根据巡检业务实际需求，制定紫外成像带电检测作业规范化流程和标准化作业模板，结合计算机技术自动生成检测报告，便于检查作业的规范化和标准化，提高了现场工作人员的检测效率和质量。

4 结束语

综上所述，本文通过对紫外成像关键技术的深入研究，分析了紫外成像检测方法对外绝缘设备表面典型放电检测的科学性，提出了基于智能图像处理的外绝缘设备特征识别技术体系及典型缺陷故障数据库建设方案，为新型低成本国产紫外成像仪的开发研制提供了思路。紫外成像技术应用于电气设备放电检测，从而进行缺陷及故障诊断是一种非常科学、先进、实用的技术手段，为电网安全运行提供了可靠的技术保障。