高压设备表面放电紫外成像检测影响因素的试验研究

王胜辉，李 伟，姜婷玥，牛雷雷，律方成

(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206；2.华北电力大学电力工程系，河北 保定 071003)

0 引 言

近几年，手持式、无人机(直升机)机载和机器人车载型日盲紫外成像仪已广泛应用于输变电设备放电检测[1-3]。相对于传统的放电检测方法，日盲紫外成像检测放电具有抗干扰能力强、探测灵敏度高和非接触等优点[4-5]，国内外电力系统运维部门和高校对紫外成像在实际中的应用进行了大量的研究。

紫外成像仪应用于现场放电检测时，其外界因素会影响到气体的电离过程，进而影响到放电时的紫外光信号辐射，导致同一缺陷在不同因素下的检测结果存在较大差异。为实现对设备缺陷的定量分析和诊断，有必要研究不同因素对紫外成像量化参数[6]的影响特性。文献[7]研究了在相同放电强度和放电类型下，光子数随观测距离的变化规律，并提出了修正模型。云南电科院研究了海拔高度对电晕放电的影响规律。华北电力大学研究了气压对棒-板间隙电晕放电紫外成像检测光子数和图像量化参数的影响特性[8-9]。由上述研究现状可知，目前对于不同因素对紫外成像检测放电影响特性的相关文献较少。

基于此，笔者以典型的棒-板间隙电晕放电模型为研究对象，研究了在不同观测距离、增益、观测角度、温度、湿度、风速和气压下的紫外成像图像光斑面积量化参数的变化特性。其相关结论对完成紫外量化参数的归一化，进而建立电信号量化参数和紫外量化参数映射模型实现放电量化分析具有一定的意义。

1 紫外图像量化参数提取

1.1 图像预处理

电气设备放电电离发光区域在紫外图像中呈现形式为白色光斑，大小随放电强度而变化，为实现对放电检测[10-14]的量化评估，笔者利用数字图像处理技术等对图像参数进行特征提取，其流程框图如图1所示。

图1 图像处理与参数计算框图Fig.1 Image processing ¶meter calculation flowchart

将放电光斑区域的像素点的个数定义为“光斑面积”[2]。高压设备的电晕放电强度具有随机性，导致光斑面积值大小随放电而波动，为降低误差，本文在后续数据处理中，提取了录制视频连续的100帧图像，分别计算每100帧图像的光斑面积平均值[15-16]。

1.2 图像处理与参数计算实例

为便于图像处理和参数计算，利用Matlab的GUI开发了一套紫外参数提取软件，处理效果如图2。

图2 紫外图像处理的实例Fig.2 UV image processing example

如图2所示，经形态学的开启和闭合运算可有效滤除噪声，计算可得光斑面积为1 768 pixel，即该放电图像区域有1 768个像素点。

2 距离对放电紫外检测的影响

试验模型如图3所示，棒电极直径为3.2 cm，头部为圆锥形，半径约1.5 mm，板电极为圆盘形，半径为20 cm，棒-板保持21.5 cm不变。紫外成像仪型号为CoroCAM504，增益为默认值70%，其他参数全部采用默认值。

图3 棒-板间隙试验模型Fig.3 Rod plate gap test model

在试验时保持增益不变，分别给棒-板间隙施加电压为40 kV、50 kV和60 kV左右，在同一电压下分别设置观测距离为4 m、8 m、12 m、16.5 m、26 m和41 m。同时利用HDMI高清视频采集卡录制相应的紫外视频信号并进行分析处理。

以棒板-间隙施加50 kV电压下，距离为8 m、12 m、16.5 m和26 m时典型的紫外图像为例。见图4。

图4 不同距离下的放电紫外图像Fig.4 UV images of discharge at different distances

基于试验数据，光斑面积随距离的变化曲线如图5所示。

图5 光斑面积随距离的变化曲线Fig.5 Curve of spot area changing with distance

由上述数据，光斑面积随着距离的增加而减少，在此采用幂函数进行拟合，如式(1)。大量试验数据表明当观测距离小于5 m时，由于紫外镜头对光线的折射作用会导致图像的饱和作用不能反映真实的图像，故将距离为4 m时的数据舍去。

f(D)=A·D-n

(1)

式(1)中，A为一常量系数；D为距离。表1为相应拟合函数表达式。

表1 光斑面积与距离拟合函数表达式Table 1 Fitting function expression of the relationship between spot area and distance

由表1可知，其相关系数均达到了0.99以上，两者近似满足幂函数变化特性，大量试验表明n在1.77至1.78之间。

3 增益对放电紫外检测的影响

采用如图3所示的试验模型，分别在电压为40 kV、50 kV和60 kV时，固定观测距离为16 m，改变增益为50%、60%、70%和80%，记录紫外视频并进行分析与处理。

基于试验数据，光斑面积随增益的变化曲线如图6所示。

图6 光斑面积随距离的变化曲线Fig.6 Curve of spot area changing with gain

由上述试验数据可知近似满足指数函数变化规律，对上述数据进行拟合，其拟合函数式如表2所示。

表2 光斑面积与增益拟合函数表达式Table 2 Fitting function expression of the relationship between spot area and gain

由表2可知，相关系数大于0.97，具有较高的拟合度，两者近似满足指数函数变化趋势。研究其他距离下的数据表明二者也近似满足指数变化特性，指数系数在0.06～0.08之间。

4 观测角度对放电紫外检测的影响

在图3所示的试验模型中，利用仪器的定位功能确定放电点的正面，为0°，以正面为轴向，依次选取偏离此轴线30°、60°和90°(侧面)。在距离为12 m，增益为70%下，加压至40 kV、50 kV和60 kV左右，记录紫外视频并进行分析。得到光斑面积如图7所示。

由图7可以看出，在棒-板间隙中，随着观测角度的改变，光斑面积并没有明显的变化。

图7 光斑面积随观测角度的变化曲线Fig.7 Curve of spot area changing with observation angle

5 环境因素对放电紫外检测的影响

5.1 温度对放电紫外检测的影响

整个试验在有机玻璃板箱内进行，为便于保持温度，该箱体外包裹了厚度约为5 cm的隔热层，试验装置示意图如图8所示。

图8 试验装置示意图Fig.8 Schematic diagram of test device

在图8中，有机玻璃箱的长、宽和高分别为50 cm、50 cm和80 cm，棒板电极如图3。为便于观测放电，在箱体一侧安装了一块直径35 cm的透紫外玻璃，该玻璃在240～280 nm波段的透光率>98%[12-13]。固定观测距离为8 m，增益为仪器默认值70%，其他参数也全部采用默认值。

结合现场检测时的环境温度条件，试验时箱内温度变化范围控制为-20 ℃～60 ℃，内部温度采用AZ8901测试仪测量。鉴于试验时的环境温度为21 ℃，对于低于环境温度的试验，先采用冷柜将上述有机玻璃箱整体降温到-20 ℃，后置于环境温度，随着箱内与环境热量交换，箱体内部会逐步升高温度；对于高于环境温度的试验，采用设置在箱体底部的电加热器进行加热。

实验时，棒-板间隙为20 cm，控制温度步长约为5 ℃或10 ℃，选择不同的温度点进行加压试验，同时利用高清视频采集卡录制电压分别为50 kV、60 kV 和65 kV下的紫外视频信号。

以电压为50 kV为例，温度在-20 ℃、0 ℃、20 ℃ 和60 ℃的放电图像如图9所示。其变化曲线如图10所示。

图9 不同温度下的放电紫外图像Fig.9 Discharge UV images at different temperature

图10 光斑面积随温度的变化曲线Fig.10 Variation curves of spot area with temperature

由图10可知，变化曲线具有明显的非线性变化特性，当温度较低时，在本试验中，约在-20 ℃～10 ℃范围，光斑面积随温度增加而呈明显的上升趋势，10 ℃的光斑面积大约是-20 ℃时的3～7倍，变化较快，但温度较高后，光斑面积随温度变化曲线表现一定的饱和趋势，60 ℃的光斑面积大约是40 ℃时的1.5倍。

5.2 湿度对放电紫外检测的影响

相关试验仍然在如图8所示的有机玻璃箱内进行，但无外部隔热覆盖层，采用1台出雾量可控的工业型超声波加湿器进行加湿，最大出雾量为3 000 mL/h，控制箱体内的湿度。

试验时，相对湿度控制在40%～90%的范围，湿度步长控制在10%左右。控制棒-板间隙分别为10 cm、15 cm和20 cm，然后分别在50 kV、60 kV和65 kV进行试验，利用紫外成像仪记录视频。

基于试验数据得出光斑面积与相对湿度的关系如图11所示。

图11 光斑面积随相对湿度的变化曲线Fig.11 Curves of spot area with relative humidity

由图11可知，在电压50 kV、60 kV和65 kV下，相对湿度从40%增加到90%，光斑面积分别下降了52.4%、60.1%和70.2%。由上述变化趋势，在此采用幂函数进行拟合，拟合函数如表3所示。

表3 光斑面积与湿度拟合函数表达式Table 3 Fitting function expressions for the relationship between spot area and humidity

由表3可知，其拟合相关系数均达到了0.96以上，也即两者近似满足幂函数变化特性，随着电压增加，其幂指数逐步增大，湿度在40%～90%的范围内，幂指数约在1.6～2.6之间变化。

对棒-板间隙为10 cm和15 cm进行了验证，光斑面积随相对湿度的变化特性与20 cm具有类似的变化特性，限于论文篇幅，在此不再赘述。

5.3 风速对放电紫外检测的影响

试验仍然采用与图3相同的棒-板间隙，但相关试验在开放式的试验空间进行，采用一大功率电风机模拟不同的风速，风机叶片面与棒电极轴向垂直[17-18]，且与棒电极端部位于同一水平面。通过调整风机功率以及风机与棒电极的距离，来改变棒电极端部处的风速。受试验条件的限制，试验时的最大风速约为12 m/s，对应于自然界中的大风天气[19-20]，风速采用HT-9829风速仪测量棒电极端部风速。

分别给棒电极施加电压50 kV、60 kV和65 kV，然后分别在无风和风速为4 m/s、8 m/s和12 m/s的情况下采集其放电的紫外视频信号。基于试验数据可得二者关系曲线如图12所示。

由图12可知，风速对光斑面积具有明显的削弱作用，在电压50 kV、60 kV和65 kV下，风速从0 m/s 增加12 m/s时，光斑面积分别减少76.7%、65.1%和41.7%。其原因可能是由于气流加速了放电形成的带电质点的扩散，相应放电光辐射强度和发光区域减少[16-17]。

图12 光斑面积随风速的变化曲线Fig.12 Curves of spot area with wind speed

5.4 气压对放电紫外检测的影响

试验在如图13所示气压可调的封闭金属罐内进行，棒板间隙如图3。由抽气机控制罐体内的气压，范围为40 kPa～101.5 kPa，模拟从平原到高海拔地区(海拔约6 500 m)气压对放电的影响特性。

图13 试验装置示意图Fig.13 Experimental device schematic

由试验数据可得到光斑面积与气压的关系曲线如图14所示。

图14 光斑面积随气压的变化曲线Fig.14 Curves of spot area with air pressure

分析上述试验数据可知随着气压的增加光斑面积明显变小，采用幂函数进行拟合分析，见式(2)。

f(p)=A·p-n

(2)

式(2)中，A为一常量系数；p为气压。表4为部分电压下的拟合函数表达式。

表4 光斑面积与气压拟合函数表达式Tabal 4 Fitting function expression of spot area with air pressure

分析可知，采用幂函数拟合其可决系数均接近于1，也即光斑面积与气压之间近似满足幂函数变化特性，但不同气压下其幂指数并不相同，气压在28 kPa～101.5 kPa的范围内，幂指数约在1.0～1.6之间变化。对棒-板间隙为10 cm和15 cm进行了重复试验，光斑面积随气压的变化特性与20 cm具有类似的变化特性，限于篇幅有限，在此不再赘述。

6 结 论

1)光斑面积随着距离的增加逐渐减小，二者近似满足幂函数变化特性。

2)光斑面积随着增益的增加明显而增加，二者近似满足指数函数变化趋势。

3)随着观测角度的改变，放电光斑面积基本不变。

4)随着温度的增加，放电光斑面积表现为非线性上升，并呈现一定的饱和趋势。

5)光斑面积随着相对湿度的增加而减小，二者近似满足幂函数变化特性，但不同气压下其幂指数并不相同，随着电压增加，其幂指数有逐步增大的趋势。

6)风速对电晕放电具有一定的削弱作用，光斑面积随风速增加而降低。

7)气压对紫外成像有明显的影响，气压越高，光斑面积越小，二者近似满足幂函数关系。