基于超声红外热像的电缆终端局部放电缺陷检测方法

邓 琨，温启良，张渊渊

〈无损检测〉

基于超声红外热像的电缆终端局部放电缺陷检测方法

邓 琨，温启良，张渊渊

（南方电网深圳数字电网研究院有限公司，广东 深圳 518000）

电缆终端局部放电缺陷特征短暂，缺陷范围与外部环境纠缠，很难准确定位，需要结合温度特征和模式识别特征共同检测，本文利用超声红外热成像的优势，提出基于超声红外热像的电缆终端局部放电缺陷检测方法，方法利用图像梯度化、灰度化处理采集到的电缆终端局部放电缺陷特征超声红外热成像图，并通过智能模式识别处理方法抑制采集图像的复杂背景，删除包含在电缆终端局部放电缺陷特征红外图像中的大面积地物及地面；根据K-means聚类算法，圈定疑似局部放电缺陷特征范围，构建局部放电缺陷范围模板，经匹配参考范围后，得出疑似局部放电缺陷范围的温度特性信息，诊断电缆终端是否存在局部放电缺陷。实验结果表明，该方法可有效获取电缆终端局部放电缺陷部位，检测不同类型的电缆终端局部放电缺陷的平均精准率高达98%，平均漏检率为1%。

超声红外热像；电缆终端；图像灰度化；局部放电；缺陷检测；背景抑制

0 引言

电缆终端是连接电力设备的连接器，用在电缆线路两端，可以长期用于各种恶劣环境中，有很好的机械性能及电气性能，并同时具备绝缘、防水、屏蔽、应力控制性能，电缆终端被广泛使用在供电系统中[1-3]。电缆终端局部放电缺陷是一种放电现象，液体介质的气泡、固体孔隙、畸变严重的空间电场易出现局部放电，如果不能及时被检测发现，电缆终端局部放电缺陷位置的高能带电粒子和绝缘体或绝缘油相互影响，最终会引燃绝缘材料，使电缆断裂，导致供电中断，带来经济损失。所以电缆终端局部放电缺陷检测对保证电力系统正常运行十分重要。

随着电网智能化程度的提高，相关学者从人工智能角度对这一问题进行了深入研究。我国学者肖利龙等人通过多物理跟踪方式实现电缆附件缺陷检测[4]，检测过程中需要分析放电量对各信号强度比值的影响规律，该分析过程较为繁琐，使得该方法无法快速实现其他附件缺陷检测。周永晨等人通过无人机红外热像实现电缆缺陷检测[5]，使用无人机航拍户外电缆终端采集红外热图，以强度色谱为诊断依据，明确缺陷范围是主体电缆图像颜色最亮的异常范围，但是该方法使用的强度色谱容易受到外界环境的干扰，导致检测精确度降低。杨志学等人通过分析超声导波放射器反射回传的电缆信号[6]，实现导波放射器方圆20m内高压电缆缺陷检测，该方法检测范围小，且使用导波易受到电光、磁光等干扰，降低检测的正确率。

超声红外热像技术中的超声通过被检测物体，会产生超声的附加衰减（超声的附加衰减是超声通过有缺陷等不均匀结构形成），造成局部缺陷部位温度升高，并通过红外相机的最大视场体现被检测物体的温度分布，不受超声源和局部缺陷部位间相对位置和距离限制[6]。在利用超声红外热像技术时，在局部缺陷部位超声波传导受阻，超声能量转换为热量，导致缺陷处温度升高[7-9]。因此，利用红外热像仪能便捷地观察及检测出被测物体异常高温的缺陷范围[10]。

因此，本文提出基于超声红外热像的电缆终端局部放电缺陷检测方法，确保电力系统用电安全，提高供电质量。

1 电缆终端局部放电缺陷检测方法的设计

1.1 采集电缆终端局部放电缺陷特征的灰度化

采用Fluke Ti20红外热成像仪作为检测设备，测量温度范围为－10～350℃，光学分辨率为75:1，光谱范围为7.5～14mm，瞬时时场为4.4mrad。由此获取的伪彩色超声红外图像采集得到电缆终端局部放电缺陷特征区域，并进行灰度化处理，确保灰度和彩色空间中红外图像主色视觉一致[11]。通过图像色彩梯度变更，展现颜色空间的亮度通道演变，但电缆终端局部与外部环境的色相距离较大时，展现效果不理想。本文通过创建能量函数，以保持电缆终端局部放电故障特征颜色原本亮度为基准，最大程度区别特征区域外部颜色的梯度。能量函数如下：

式中：主色类型用和表示，,=1,2,…,，电缆终端局部放电特征区域颜色空间里主色dc的亮度和灰度值用、标注，div()表示梯度值。主色和主色的梯度div(,)：

式中：dc和dc之间的RGB颜色差值绝对值用Dc标注；符号方向用标注，两个主色的G通道、R通道、亮度通道L及R、G、B三通道之和需依次对比；＝1表示dc小于dc的某一项，＝－1表示dc大于dc的某一项；如果仍需对比下一项，那么表明两个主色颜色相同。计算g的偏导数，令其等于0，公式如下：

要计算出各个电缆终端局部放电特征对应的灰度值，需通过联立求解算法，解出由全部方程联成的方程组。基于电缆终端局部放电区域主色集内，原本存在的大地、天空等灰度色的灰度值，形成了特征干扰，需要对电缆终端局部放电特征主色灰度重新映射，解决因为灰色原本的灰色值与主色集内的灰度色的灰度值存在的差异问题。电缆终端局部放电灰度化图像特征的过曝或欠曝的问题，通过将图像里亮度最高和最低2种颜色输入主色集中解决。

dcp与dcq分别代表主色集里2种相邻灰度颜色，重映射公式如下：

式中：dcp重新映射的灰度值以p标注，dcq重新映射的灰度值以q标注，任意主色dct重新映射前的灰度值以t标注，p、q、t三者间的亮度值大小关系为p＜t＜q，任意主色dct重新映射后对应的采集电缆终端局部放电缺陷特征新灰度值，以t¢标注。

1.2 干扰背景的剔除方法

随着外部温度以非线性干扰方式的出现，如果超声红外摄像头视角较小，会导致相同高度检测的背景出现大量相似特征干扰[12]。如果信噪比≥1.5，则采集电缆终端局部放电缺陷特征目标灰度均值小于其本身的灰度，可进行均值化处理。公式(5)为各行像素灰度均值计算公式：

为消除上文提到的背景因素干扰，可以先通过像素灰度与同行或上一行灰度均值的差值，实现干扰的降低。其计算公式分别为公式(6)、公式(7)：

式中：减同行或上一行灰度均值后的像素灰度值用g²标注。

通过上述方法，采集的超声红外图像中，会保留红外场景里的背景细节，形成较大虚警率。处于图像底部的往往是地面和地物，地面连接地物，同时地物和地面灰度在实际场景里差异很大。如果采集的图像中存在大朵云团或大块地物、地面，则图像最底行灰度均值无限接近它的最大值。通过这一特点，进一步排除背景干扰。

以上文研究为基础，对图像中是否含有大块地物和地面其他背景特征干扰进行识别，是智能模式识别的目的。利用地面和地物连通性后的灰度特征，可以删除包含在红外图像中的大面积地物及地面干扰。识别局部背景干扰特征模板可以根据以上表述方法确认，公式(8)为模式识别模板：

疑似背景干扰，通过未减行灰度均值的像素点灰度大于任意固定值的像素点这一条件予以区分排除。处理完成一帧或一张图像，并匹配模板，若与模板匹配一致，则可以确认为背景干扰。

1.3 确定缺陷部位与参考范围定位

1.3.1 采集疑似放电局部缺陷范围

以上述处理完成的图像为基础，通过获取电缆终端疑似局部放电缺陷范围，明确电缆终端局部放电缺陷部位及严重程度。以此范围为模板，用于后续工作中参考区域的匹配。电缆终端的状态也可根据局部缺陷范围温度信息诊断，正常位置中，低于R、G、B分量的像素点对应的位置范围，是有局部放电缺陷的疑似位置范围。采集疑似局部缺陷范围，需要分割超声红外图像，分割过程采用3个分量为基础完成。

采集电缆终端局部放电缺陷范围依据相似程度评判标准并采用K-means聚类算法完成，相似程度是基于样本点和聚类中心点的差值平方为判定依据。同时，将预处理样本像素点3个分量的大小作为R、G、B的分量的数据特征，固定聚类数为4。

操作流程如下：

1）数据样本是由逐一采集电缆局部放电图像的R、G、B分量，并逐一形成的矩阵组成。电缆终端区域即为目标对象，通过识别采集。

2）相似程度dist越大，相似程度越小。式(9)为相似程度dist计算公式，第类聚类中心数据以标注，数据样本点数据以标注。4个聚类中心通过每个分量随机筛选得出，同时按相同中心划分数据样本。

3）新聚类中心是通过求解各个聚类的均值得出：

式中：类别C聚类的数据样本数据以x标注；专属C样本个数数据以N标注。

4）为达到式(11)、式(12)的收敛条件，需不断循环2）、3）这两个过程。循环次数以标注；平方和是通过计算各个聚类中数据，及对应的聚类中心偏差得出，用标注。

5）参考局部缺陷范围是3个分量聚类中心最大一类像素点的重叠区域。

1.3.2 匹配参考范围

正常运行下电缆终端的接线头、接线柱等位置温度不同，根据疑似局部缺陷范围，采集参考图像中与之一致的范围，可以精准预测终端的工作状态，接下来的工作状态也可通过采集相应的温度特征信息诊断[13]。筛选采集疑似局部缺陷参考范围，需利用模板匹配算法完成。

明确待匹配图像范围与既定模板最接近的范围在图像中的位置，即为模板匹配算法。

基于模板匹配算法筛选参考范围：

1）矩形模板是以疑似局部缺陷范围中心作为模板中心创建，疑似局部缺陷范围中心是通过聚类算法K-means采集并自动定位的范围中心。参考电缆终端本体实际尺寸采集模板尺寸，K-means聚类算法里模板边长为既定边长，是电缆终端本体水平宽度的1.5倍。

2）计算窗口参考采集电缆终端中获取与模板图像大小一致图像。

3）对比计算窗口像素点和模板像素点的相似程度。

公式(14)是公式(13)归一化后的公式：相关系数越小，相似程度越小。

式中：模板及计算窗口像素点的灰度信息分别由、标注，由灰度矩阵得出的相关系数以标注，以标注其归一化后的相关系数。

考虑检测时光线、角度等测试环境的不同，会对检测结果产生影响，利用基于边界的中心矩确定缺陷部位的特征向量：

5）为了遍历参考相中的目标对象（电缆终端），需不断循环3）、4）这两个过程。

参考范围是用于与疑似缺陷范围匹配的范围[14]，通过采集相关系数最大的计算窗口对应的图像范围疑似缺陷范围得到[15]。其中，比较模板是通过日常对电缆终端进行检测得到的图像积累的模板库。

1.3.3 计算异常温度参数

局部漏电有一个最为重要的特征，就是温度参数异常。温度参数利用读取采集的参考范围和疑似缺陷范围的相应的温度信息算出。假如电缆疑似漏电缺陷范围温度数据以1标注，参考范围温度数据以2标注，环境温度数据以0标注，漏电缺陷范围的温度特征量数据使用公式(16)～(18)计算得出：

r＝1－0(16)

d＝1－2(17)

t＝(1－2)/(1－0) (18)

式中：温升以r标注，温差以d标注，相对温差以t标注。

1.3.4 诊断状态

基于下述两个条件检测电缆终端局部放电缺陷：①诊断标准的判断依据；②根据公式得出的温度特征量信息。表1表示与电缆终端相关的局部放电缺陷诊断的判断依据。

表1 局部放电缺陷判断依据

1.4 缺陷检测流程

本文方法检测电缆终端局部放电缺陷的流程图见图1。

图1 检测流程图

基于采集的超声红外图像，通过图像灰度化处理及背景抑制后对疑似缺陷范围的局部放电缺陷进行检测，判断缺陷严重等级。

2 实验分析

实验采用了大功率超声电源驱动超声换能器，以某35K电缆终端为实验对象，该被测件在其20kHz附近的谐振频率上进行共振，可以连续调节和精准控制超声激励的功率和时间，以实现被测件最大的振动幅度。红外热成像设备为Fluke Ti20红外热成像仪，并通过云台上下左右移动，实现各个角度距离的检测。通过图像梯度化方法将红外摄像头拍摄的电缆终端图像灰度化处理，并根据智能模式识别处理方法对超声红外图像的复杂背景进行处理。处理后图像可以更清晰地看出电缆接触部位存在疑似局部发电缺陷的范围。图2为原始超声红外图像和抑制背景后的对比图。

图2(a)为原始超声红外图像，图2(b)为通过本文方法应用的智能模式识别处理方法抑制后的超声红外图像，抑制后的图像中滤除了蓝色云朵及大气温度等干扰信息，更为直观地凸显出主体特性，对后续电缆终端缺陷识别、切分和温度信息采集等操作有利，可提高检测局部放电缺陷的准确性。

基于抑制背景后的超声红外图像，使用本文应用的模板匹配算法明确疑似局部缺陷参考范围，因本文仅对方法进行验证，故仅对被测件进行了标准图像的采集，并未建立模板库。通过K-means聚类算法完成以电缆终端为目标对象的疑似局部缺陷部位模板图像采集。图3为局部放电缺陷部位采集结果和R、G、B分量图。

图2 背景抑制对比图

图3 局部放电缺陷部位采集结果和R、G、B分量图

图3(d)是通过R、G、B分量聚类中心最大一类像素点的交集范围采集的疑似局部缺陷部位结果。最大一类聚类中心从3个分量聚类结果里逐一采集得出。

以疑似局部缺陷范围为模板匹配参考范围，采集与疑似局部缺陷部位相同的部位，明确局部缺陷部位。并通过计算温度特征信息，判断电缆终端局部放电缺陷严重等级。图4为参考部位与疑似局部缺陷范围匹配结果。

图4(b)为通过参考范围匹配疑似局部缺陷范围采集的电缆终端局部放电缺陷部位。

原始红外图像有噪声干扰及图像边缘不清晰等问题，这些问题影响对电缆终端局部放电范围的精准检测，实验统计分析本文方法检测不同电缆终端局部放电缺陷类型时的结果见表2。分析该表可得，不同缺陷类型检测总数为500个，漏检5个，检测零件腐蚀磨损和电缆终端漏胶漏油时各有1个误检。其中，对电缆终端的损伤、断裂、断股检测率最高，实现精准检测，利用本文方法检测电缆终端局部放电缺陷精准率高达98.6%，漏检率为1%、误检率几乎为0。

图4 参考部位匹配结果

表2 超声红外热像检测结果统计与评价指标

通过1值对不同电缆终端局部放电缺陷检测方法的检测性能进行定量分析。1的定义如下：1值＝正确率×召回率×2/(正确率＋召回率)，值越大越好。使用文献[4]的多物理跟踪监测缺陷检测方法、文献[5]的智能缺陷检测方法、文献[6]的超声导波缺陷检测方法和本文方法检测不同缺陷类型时的1值，结果如图5所示。

分析图5可得，文献[4]、[5]、[6]检测方法对不同缺陷类型检测的1值波动幅度较大，均对零件磨损、缺失引起的局部放电缺陷检测的1值相对较低。对比3种文献检测方法，本文方法对全部缺陷类型检测结果的1值最高，且1值相对稳定，可实现电缆终端局部放电缺陷精准检测。

图5 不同方法检测结果的F1值对比

3 结论

本文利用超声红外热像技术检测电缆终端局部放电缺陷，将红外图像进行灰度化和背景抑制处理，通过采集和匹配模板，明确电缆终端局部放电缺陷部位。实验结果表明本文方法可以精准检测出电缆终端局部放电缺陷部位，提高电力设备检测及维修效率，为电力系统正常运行提供保障。

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Detection Method of Partial Discharge Defects in Cable Terminals Based on Ultrasonic Infrared Thermography

DENG Kun，WEN Qiliang，ZHANG Yuanyuan

(China Southern Power Grid, Shenzhen Digital Grid Research Institute Co., LTD., Shenzhen 518000, China)

The partial discharge defect characteristics of cable terminals are short, and the defect range is entangled with the external environment, making it difficult to accurately locate. It must be detected along with the temperature characteristics and pattern recognition characteristics. In this paper, using the advantages of ultrasonic infrared thermal imaging, a partial discharge defect detection method for cable terminals based on ultrasonic infrared thermal images is proposed. This method uses image gradient grayscale to collect an ultrasonic infrared thermal image of the partial discharge defect characteristics of a cable terminal, suppress the complex background of the collected image via an intelligent pattern recognition processing method, and delete large-area ground objects and surfaces contained in the image. Using the K-means clustering algorithm, the characteristic range of the suspected partial discharge defects is delineated, and the partial discharge defect range template is constructed. After matching the reference range, information on the temperature characteristics of the suspected partial discharge defect range is obtained to diagnose whether there are partial discharge defects in the cable terminal. The experimental results show that this method can effectively obtain the partial discharge defects of cable terminals. The average accuracy of detecting different types of partial discharge defects in cable terminals was as high as 98%, and the average missed detection rate was 1%.

ultrasonic infrared thermal imaging, cable terminal, partial discharge, defect detection, image graying, background suppression, template matching

TM726.4

A

1001-8891(2022)09-0972-07

2021-09-01；

2021-11-24.

邓琨（1974-），男，汉族，贵州六盘水人，硕士，高级工程师，主要研究方向：电力运行与管理。E-mail: yishou295730674@163.com。

贵州电网科技项目（GZKJXM20200528）。