CN106124942A - 一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，用于解决零值绝缘子的检测问题，其技术方案是，所述方法所述方法采用红外成像法检测绝缘子串中各个绝缘子的温度，同时采用紫外成像法检测绝缘子串中各个绝缘子的放电光斑面积，然后根据各个绝缘子的温度和放电光斑面积判断绝缘子串中是否存在零值绝缘子并对零值绝缘子进行定位。本发明利用红外成像法和紫外成像法联合检测绝缘子串中的零值绝缘子，不仅可以检测污秽干燥的绝缘子串，也可以对污秽湿润的绝缘子串进行快速、准确检测。该方法可为污秽绝缘子的维修或更换提供可靠依据，保证电力系统安全稳定运行。

Description

一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法

技术领域

本发明涉及一种采用红外、紫外成像法联合检测零值绝缘子的方法，属于检测技术领域。

背景技术

目前用于输电线路的绝缘子按材料分主要有三种：复合绝缘子，玻璃绝缘子和瓷绝缘子。复合绝缘子具有憎水迁移性，因此其耐污性较好，故障率比瓷绝缘子和玻璃绝缘子要低，但由于其材质为有机材料，因此容易在环境、放电及热的影响下出现老化开裂现象；玻璃绝缘子机械性能好，但其热涨能力较差，容易出现零值自爆，因此玻璃绝缘子出现零值时容易被发现；瓷绝缘子结构简单，由瓷件、水泥胶合剂、钢帽及铁脚组成，由于瓷件与钢帽、水泥胶合剂的温度膨胀系数相差较大，因此瓷件在冷热变化时会承受较大的热应力，使瓷件产生裂纹，在强电场下容易发生内部击穿，变为零值绝缘子，成为电网安全运行的隐患。

瓷悬式绝缘子是我国电网中使用最多的绝缘子，由于其自身材料性质的原因，在高负荷及环境影响下很容易出现缺陷，如2000年9月江苏省220kV溧阳变电站中，220kV母线上的瓷悬式绝缘子发生掉串事故；四川电网统计分析所有绝缘事故发现，220kV白舒输电线路的绝缘子年劣化率超过15％。

由于瓷悬式绝缘子在电力系统中大量使用，并且大部分在室外运行，传统的登杆检测方法不仅需花费大量的人力及物力，而且其准确率受环境和人为因素的影响很大。即使每年进行一次检测，也会有相当数量的缺陷绝缘子在线路上运行，成为线路安全运行的隐患。此外，近几年来，环境污染严重，空气雾霾加重，使得绝缘子表面很容易覆盖污秽，表面污秽对绝缘子表面电场特性有很大的影响，会干扰低、零值绝缘子的检测。红、紫外成像法具有远距离、非接触性、操作方便等传统检测方法无法比拟的优点，近年来在电力系统检测方面逐渐得到广泛应用。红外成像仪把检测目标的热辐射信号转换成电信号，通过红外成像直观地检测设备的发热性能。紫外成像仪将放电产生的紫外光信号转换为电信号，经放大处理得到紫外图像再与可见光图像融合，得到最终的可定位放电点的设备放电图像。目前有大量的学者运用红外成像仪研究分析零值瓷悬式绝缘子的发热特性，并提出了相应的红外检测方法，但是研究发现，在污秽湿润时，由于绝缘子的发热特性改变导致红外检测易出现误检和漏检的现象，使得零值绝缘子检测受到一定限制，而紫外成像仪主要是检测绝缘子表面放电，也无法识别零值绝缘子。因此，如何快速、准确地检测出输电线路中的零值绝缘子，就成为有关学者的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，以实现零值绝缘子的高效、准确检测，保证电力系统安全稳定运行。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，所述方法采用红外成像法检测绝缘子串中各个绝缘子的温度，同时采用紫外成像法检测绝缘子串中各个绝缘子的放电光斑面积，然后根据各个绝缘子的温度和放电光斑面积判断绝缘子串中是否存在零值绝缘子并对零值绝缘子进行定位。

上述基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，根据各个绝缘子的温度和放电光斑面积判断绝缘子串中是否存在零值绝缘子并对零值绝缘子进行定位的方法如下：

a.当绝缘子串表面污秽干燥时，若有：

max(T₁-T_min,T₂-T_min)＞1

其中，T_min为绝缘子串中最低温度，T₁、T₂分别为绝缘子串中与最低温度绝缘子相邻的两片绝缘子的温度，则判断被检测的绝缘子串中有零值绝缘子，且零值绝缘子为绝缘子串中温度最低的绝缘子；

b.当绝缘子串表面污秽湿润时，若有：

其中，S₀为绝缘子串中最低温度绝缘子的放电光斑面积，S₁、S₂分别为绝缘子串中与最低温度绝缘子相邻的两片绝缘子的放电光斑面积，则判断被检测的绝缘子串中有零值绝缘子，且零值绝缘子为绝缘子串中温度最低的绝缘子。

上述基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，采用紫外成像法检测绝缘子串中各个绝缘子的放电光斑面积的步骤如下：

①图像灰度化

将紫外成像仪输出的原始RGB彩色图像转换为灰度图像，其灰度变换的公式如下：

Y＝0.299R+0.587G+0.114B

其中Y为灰度值，其范围为0-255；R、G、B分别为原始彩色图像的红、绿、蓝三个颜色的分量值；

②图像分割

采用阈值分割算法将灰度图像变换为二值图像，其算法为：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& f(x,y)\&GreaterEqual;T_h\\ 0& f(x,y)<T_h\end{array}\right.$

式中T_h为像素点灰度值的阈值；g(x，y)为二值化后的灰度值；f(x，y)为二值化前的灰度值；

③开闭运算滤波

采用数学形态学的开启、闭合运算构成级联滤波器对图像进行滤波处理，其运算定义如下：

其中A为待处理的图像，B为结构元素，符号Θ和分别代表腐蚀和膨胀运算，符号ο和·分别表示开运算和闭运算；

④小区域面积消除滤波

首先对图像中各个白色的连通区域进行标记，将每个连通区域内的像素点赋予相同的标签值；然后统计各连通区域内所包含的像素点的个数；再将各连通区域所包含的像素点的个数与设定的面积阈值进行比较，大于面积阈值的区域内的各像素值保持不变，而小于面积阈值的区域内各像素值设置为0(置黑)；

⑤轮廓提取及图片融合

采用Freeman链码检索边界，得到每一个高亮区域的边界上各像素点的坐标值，将提取的边界点的坐标依次连线构成一条封闭曲线，然后将该封闭曲线叠加到原始图像之上，若封闭曲线与原始图像的边界吻合，说明提取的效果好，否则重新进行提取；

⑥光斑面积的提取

将二值图像中放电区域灰度值为255的点定义为1，则光斑面积为该区域中1的总数，计算式如下

$S=\underset{(x,y)\&Element;Q}{\&Sigma;}1$

式中，S为光斑面积，(x，y)表示图像中某一像素点的坐标值，Q为选定的区域。

上述基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，在图像分割过程中，像素点灰度值的阈值T_h为200。

本发明利用红外成像法和紫外成像法联合检测绝缘子串中的零值绝缘子，不仅可以检测污秽干燥的绝缘子串，也可以对污秽湿润的绝缘子串进行快速、准确检测。该方法可为污秽绝缘子的维修或更换提供可靠依据，保证电力系统安全稳定运行。

附图说明

图1是瓷悬式绝缘子放电紫外图像；

图2是紫外检测放电图像预处理框图；

图3是经滤波后的图像；

图4是Freeman链码对应的八个方向；

图5是放电区域边界提取图；

图6是光斑面积序列提取流程图；

图7是光斑面积变化曲线图；

图8是坐标变换示意图，其中(a)为变换前的图像，(b)为变换后的图像；

图9是Radon变换示意图；

图10是确定直线图；

图11是沿绝缘子表面放电强度分布图；

图12是实验系统的基本接线图；

图13是人工气候室构造图；

图14(a)-图14(b)是红外检测图，其中(a)为5号零值的加压半小时后红外检测图；(b)为5号零值的加压两小时后的检测图；

图15是不同盐密下的绝缘子瓷件温升曲线；

图16是零值绝缘子在0到7号位置时绝缘子表面温升比；

图17(a)-图17(b)是1号零值的紫外与红外检测图，其中(a)为盐密0.1mg/cm²，1号为零值绝缘子中等湿度时的紫外放电图；(b)为盐密0.1mg/cm²，1号为零值绝缘子中等湿度时的红外检测温度图；

图18(a)-图18(c)是中等湿度红外检测不同盐密时瓷件最高温升，其中(a)、(b)、(c)为中等湿度时红外检测不同盐密时零值绝缘子分别在1号位置、4号位置及7号位置时的检测瓷件最高温升；

图19(a)-图19(c)是盐密0.1mg/cm²的紫外检测图，其中(a)、(b)、(c)分别为中等湿度时，零值绝缘子分别在1号位置、4号位置及7号位置时的紫外检测绝缘子上表面放电图片；

图20是光斑面积平均值；

图21(a)-图21(c)是盐密为0.01mg/cm²的1、4和7号绝缘子为零值绝缘子时，相邻正常绝缘子下表面出现放电现象的紫外检测图；

图22(a)-图22(b)是绝缘子1/2模型，其中(a)为正常绝缘子模型；(b)为零值绝缘子模型；

图23是污秽干燥瓷绝缘子的电位线；

图24(a)-图24(b)是当零值处于1号、4号及7号位置时，提取轴向电位计算结果得到仿真结果；(b)是当零值处于1号、4号及7号位置时，提取电场计算结果得到仿真结果；

图25是湿污状态下绝缘子仿真结果；

图26是盐密0.01mg/cm²绝缘子轴向电位分布曲线；

图27(a)-图27(b)是两种不同盐密下的轴向电位，其中(a)是盐密为0.05mg/cm²时的轴向电位；(b)是盐密为0.1mg/cm²时的轴向电位；

图28(a)-图28(d)是正常绝缘子与零值绝缘子温度仿真，其中(a)为正常绝缘子温度仿真；(b)为零值绝缘子温度仿真；(c)为正常绝缘子温度分度；(d)为零值绝缘子温度分度；

图29(a)-图29(b)是不同盐密时绝缘子表面温度分布，其中(a)是正常绝缘子表面温度分布；(b)是零值绝缘子表面温度分布。

文中与图中所用各符号的意义：Y为灰度值；R、G、B分别为原始彩色图像的红、绿、蓝三个颜色的分量值；T_h为像素点灰度值的阈值；g(x,y)为二值化后的灰度值；f(x,y)为二值化前的灰度值；A为待处理的图像；B为结构元素；符号Θ和分别代表腐蚀和膨胀运算；符号ο和·分别表示开运算和闭运算；S为光斑面积；(x，y)表示图像中某一像素点的坐标值；Q为选定的区域；T_min为绝缘子串中最低温度；T₁、T₂分别为绝缘子串中与最低温度绝缘子相邻的两片绝缘子的温度；S₀为绝缘子串中最低温度绝缘子的放电光斑面积；S₁、S₂分别为绝缘子串中与最低温度绝缘子相邻的两片绝缘子的放电光斑面积；T₀是绝缘子最低温度；ΔT_max为所有实验的最高温升；ΔT_j为第j个绝缘子的温升；δ_j为第j个绝缘子的温升比；T、调压器；B、变压器；R1、电阻；C1、第一电容；C2、第二电容。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

1、紫外参数提取及空间放电曲线分析

本发明运用数字图像处理技术首先对紫外图片进行灰度化，而后运用阈值分割算法、形态学滤波算法、小区域图像消除算法分割出高压电气设备紫外图像中的放电区域图像，并在此基础上计算出紫外放电光斑面积参数，该量化参数经研究发现可以表征设备放电强弱且有助于分析设备放电特性。

1.1、紫外检测图像处理及参数提取

为能够提取紫外图像放电的量化参数，需要对检测图进行预处理，本发明以图1为例，该图为CoroCAM504紫外成像仪检测的瓷悬式绝缘子的放电图像，图大小为768*576像素，增益为默认70％，拍摄距离为21m。

从图1可知，绝缘子上有多个明显的放电点，放电周围还存在许多较小的白色干扰点，同时图像上还存在白色取景框及时间信息，这些对象可看作干扰点，因此在提取参数之前需要对图像进行处理，只保留放电区域。根据上述图像特点，本发明提出的图像处理流程如图2所示。

经上述处理流程可得到处理后的紫外图像如图3所示。

图3中变色区域即为绝缘子的放电区域，为了能够提取该区域的面积，需要对上图中各个区域进行边界跟踪，得到区域边界像素的坐标，以及各个区域内像素值，本发明采用Freeman链码检索边界近似方法存取轮廓，Freeman链码一般是采用8个方向，即0、1、2、3、4、5、6、7的方式进行轮廓检测的，八个方向示意图如图4所示。

以初始点为中心，以逆时针或顺时针的方式检测八个方向的像素值，并按照从上到下，从左到右的方式检测整个图，当检测到边界点时，则定义该点为检测边缘起始点，并保存在链码内，以此继续向下检测，直到回到边缘起始点，则完成了一个轮廓的检测，并将表示轮廓的八个方向的编码存储于链码内。其可表示形式如表1所示：

表1一个轮廓的Freeman连码表结构

其中(x₀，y₀)为边界跟踪起始点的坐标，n为边界上点的总数，B_x为连码序列。检测步骤具体为：

a)检测图3中每一个高亮区域，获取每一个区域的边界信息；

b)通过边界信息获取每个连通区域的面积大小；

c)设定一个阈值，依次将每个区域面积与该阈值进行对比，大于该阈值的区域保留下来，而小于该阈值的区域会被消除。

至此可以获得各个区域的边界上各像素点的坐标值，为了直观地显示出所提取的边界是否满足需要，将提取的边界点的坐标依次连线构成一条封闭曲线，然后将该封闭曲线叠加到原始图像之上，在各区域的中心点显示出各区域的标号，这样便于评估所提取放电区域的提取效果，若封闭曲线与原始图像的边界较吻合，说明提取的效果好，否则需要重新进行提取。

采用多区域轮廓跟踪算法后，可得到图3中四个放电区域边界点的坐标值，将各坐标值连接起来构成封闭曲线叠加到原始图像后，其边界提取的结果如图5所示。

经过轮廓提取后，会产生各区域的连码表，将连码表经线性变换可得到线段表，线段表内存有放电区域边界上各点坐标。因此通过连码表和线段表可以求出放电区域的面积。

区域面积的计算方法是指定区域内点的总数和(也就是该图像区域内的像素点的个数)。若将二值图像中放电区域灰度值为255的点定义为1，则面积为该区域中1的总数。计算式如下

$S=\underset{(x,y)\&Element;Q}{\&Sigma;}1---\left(1\right)$

上式中，(x，y)表示图像中某一像素点的坐标值。

基于上述参数的定义方法，对图5中的四个放电区域计算得到的量化参数如表2所示。

表2提取紫外检测放电量化参数

1.2光斑面积序列提取

光斑面积序列体现了一段时间内被检测对象表面放电变化情况，而该光斑面积的提取方法与1.1小结中相关参数的提取方法相同，区别为该光斑面积序列的提取是对紫外视频进行多帧提取处理，并对每一帧依照1.1节方法进行处理得到每一帧图像的放电光斑总面积，该面积的大小为所有放电区域的面积和，具体实现流程如图6所示。

以瓷悬式污秽绝缘子紫外检测放电视频为例，CoroCAM504紫外成像仪拍摄视频以每秒25帧进行存储，若对该视频提取300帧，即提取了12秒的视频段，对提取的每一帧进行放电光斑面积参数提取，所有300帧紫外图像的放电光斑面积参数存于规定的数据库中，根据所得的光斑面积序列可得到如图7所示的光斑面积变化曲线图。

图7可以认为是绝缘子表面放电强度在12秒内的变化情况，从图中可以看出，整个时间段内，绝缘子放电强度基本稳定，符合电晕放电特点，放电频率大，幅值小。

1.3放电强度空间分布曲线提取

瓷悬式绝缘子串在湿污时干燥带的产生随机性较大，而且绝缘子串的表面场强分布不均匀，使得各片绝缘子之间表面放电强度存在差异，通过分析沿绝缘子表面的放电强度的分布有助于对放电的大小、放电分布规律的研究分析。

为了实现绝缘子表面空间放电分析，本发明采Radon坐标变换将设备表面的放电图像沿着某一方向进行投影，从而得到沿该方向上不同位置放电图像的像素点个数分布曲线。上述算法的基本思想如下：首先采用1.1节中所示的方法对紫外图像进行预处理，然后将上述图像沿某一直线方向进行投影，在放电强的地方，像素点多，因而对应的值大，反之放电弱的地方像素点少，对应的值小，最后得到图像像素点沿该直线的累加结果曲线，由上述分布曲线可以直观地显示出放电的分布情况。

Radon变换的原理是将XY平面内一条直线y＝ax+b变换到以A、B为坐标轴的平面内，则原来在XY平面上的一条直线的所有的点，在AB平面上都位于同一个点。通过记录下AB平面上的点的积累厚度，可反知XY面该直线的长度。若用极坐标表示平面坐标，则直线为xcosθ+ysinθ＝ρ，θ为与原直线垂直且过O点的直线与X轴的夹角，ρ为极半径。以图像的中心为极坐标原点，设f(x,y)为XY平面内图像上一点的像素值，x、y为该点的坐标值，X’、Y’为变化后新的投影坐标，θ为角度，则原坐标上的一条直线的radon变换就是按式(2)所示的求垂直于X’轴直线的线积分。Radon原理图如图9所示。

$R_{\mathrm{\&theta;}}\left(x^{\&prime;}\right)={\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{\mathrm{\&infin;}}f(x^{\&prime;}cos\mathrm{\&theta;}-y^{\&prime;}sin\mathrm{\&theta;},x^{\&prime;}sin\mathrm{\&theta;}+y^{\&prime;}cos\mathrm{\&theta;}){\mathrm{dy}}^{\&prime;}---\left(2\right)$

其中：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\&prime;}\\ y^{\&prime;}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\&theta;}& sin\mathrm{\&theta;}\\ -sin\mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]---\left(3\right)$

因此radon变换所要求的，是一条垂直于上图x’的一条直线，而非x’本身。

下面以图1为例以获取沿绝缘子串方向上放电强度分布曲线，因此需要将紫外图像上放电区域沿垂直于绝缘子串方向做投影。在该绝缘子串与导线的接触处点设为B点，然后移动到第7片绝缘子上的钢帽时设为A点，A、B间画一条直线，其显示效果如图10所示。

经处理将变换的数据显示出来即可得放电沿直线AB投影得到的曲线，该曲线反映了放电沿绝缘子表面的分布情况如图11所示。

分析图11中的曲线可知，该曲线可直观地表示出沿绝缘子串表面的放电分布情况，从高压(A)到低压(B)放电依次增强，这说明本发明所提出方法的有效性。

2实验系统的构建及实验方法

2.1实验系统的构建

由于需要研究湿污状态下绝缘子串的放电特性，为此整个实验在一个小型人工气候室内进行，实验系统的基本接线原理图如图12所示。

图12中，使用的是型号为YDTW-1200/300实验变压器，其最大短路电流为6A，人工气候室的长、宽、高分别为1.8×1.8×2.7m，其具体构造如图13所示，采用一台工业用超声波冷雾加湿器进行加湿，出雾量最大为12kg/h，且可人工控制，实测该人工气候室可达到的最大相对湿度为97％。由于冷雾的密度比空气大且分子量相对于空气水分大很多，导致水汽容易沉积在气候室下方，造成绝缘子加湿不均匀，因此在人工气候室的对角处安放了两台电扇，电扇以与地面呈45°角的方向工作。此外，为了在加湿过程中方便进行紫外检测而又保持室内湿度，在雾室门的一侧安装了一块长、宽分别为1.5m和1m透紫外玻璃，该玻璃在240-280nm波段紫外光信号的透光率可达95％以上。实验采用七片XP-100瓷悬式绝缘子串联模拟110kV线路，加压到70kV，所用的缺陷绝缘子经人工处理后阻值接近于0，并且在加压和加湿的过程中其阻值变化不超过2MΩ，本次试验使用的紫外成像仪为CoroCAM 504，红外成像仪为Flir T450SC。

实验中使用的瓷绝缘子为电力系统中常用的XP-100，基本的结构参数如表3所示。

表3测试绝缘子的基本结构参数

为保证实验准确，已用兆欧表对正常绝缘子进行了阻值测量，以确保无缺陷绝缘子存在。

2.2实验方法

为了研究受污绝缘子在不同盐密，不同湿度及零值绝缘子在不同位置时，缺陷绝缘子及正常绝缘子的发热及放电特性，实验分别在受污绝缘子表面污秽干燥、中等湿和饱和湿条件下，利用红、紫外成像仪检测记录了上述实验条件下整个绝缘子串各个绝缘子的温升及表面放电情况，实验中绝缘子串由7片绝缘子串联，每片绝缘子从高压到低压依次编号为1～7号，盐密共分为0.01mg/cm²、0.05mg/cm²及0.1mg/cm²三个等级，为了确保污秽湿润度在规定的湿度下保持相近，实验中灰密按照国家电网的规定选取为2mg/cm²保持不变。在污秽不加湿时，环境相对湿度影响绝缘子表面污秽受潮程度，若两次实验的环境湿度相差太大，会改变绝缘子的等效电路模型进而改变绝缘子的发热模式，因此对实验结果影响较大，不易处理，并且不同位置实验数据不具有对比性，因此选取环境相对湿度为65％左右，前后变化不超过正负5％，天气晴朗且环境温度在27℃到28℃之间进行实验，实验时，红外在加压两小时后检测绝缘子温度。污秽加湿时，由于在人工气候室内进行实验，因此忽略环境温度及相对湿度影响，实验过程中，在不同盐密以及零值绝缘子在不同位置时，红、紫外分别在加湿半小时及一小时后检测绝缘子串发热及放电情况。

1)污秽干燥条件下实验步骤

(1)对实验设备进行连线及实验前的准备。接线图按图12连接，连线前确保隔离开关处于断开状态，先接地线再悬挂绝缘子，悬挂过程中，避免接触绝缘子伞裙，在确保其他线路无误后，最后连接高压线。为了防止高压线与绝缘子的铁脚处放电影响实验和防止脱落引发安全隐患，则在高压绝缘线与绝缘子连接的部位使用绝缘胶带及橡皮泥进行固定。连好线后，规定紫外观测距离，紫外成像仪固定于离绝缘子串21米处，并保证七片绝缘子处于观测框中央，同时实验前利用AZ8910五合一温湿度计测量环境湿度、温度、大气压强并进行记录。实验时将AZ8910至于人工气候室内时刻对气候室内湿度进行检测。实验首先从表面污秽为0.01mg/cm²的绝缘子串进行实验；

(2)首先将一片零值绝缘子放置在高压侧第一个位置即1号位置，在干燥状态下，对绝缘子串加压到70kV，然后保持不变，在不加湿的条件下共加压2小时，每半小时进行一次温度检测，紫外成像仪一直处于检测状态，并在发生放电时进行视屏录制。一次实验完毕后，运用AZ8910对环境温度进行测量。为避免绝缘子加压后余温对二次实验的影响，将绝缘子在不加压的状态下放置半小时，二次实验前用红外进行检测确保绝缘子温度降到稳定状态。

(3)更换零值绝缘子位置。在后几次实验，分别将零值绝缘子从2号到7号的位置依次替换正常绝缘子，且每次实验都要消除绝缘子上次实验的余温保证绝缘子表面温度不受上次实验的影响，完成所有位置的实验后，更换盐密。更换盐密值。分别在0.05mg/cm²及0.1mg/cm²下重复(2)、(3)。

2)污秽湿润条件下实验步骤

(1)重复干燥污秽实验步骤(1)；

(2)进行中等湿度状态下实验。首先将一片零值绝缘子放于1号位置，运用恒压加湿发，在绝缘子串加压到70kV后进行加湿，为控制湿度处于一定的范围，实验过程中时刻通过望远镜观测人工气候室内的湿度测试仪的示数，确保示数在75％到80％内。实验时气候室内湿度达到要求后开始计时，共30min，紫外成像仪在计时后一直处于检测状态，并在发生放电时进行视屏录制。

(3)进行饱和湿度状态下实验。继续加湿，电压依然保持70kV，待人工气候室内的湿度增大到95％以，开始计时，加湿半小时，紫外成像仪在计时后同样一直处于检测状态，进行放电视屏录制。由于湿度大，绝缘子边缘出现水滴，造成污秽流失，因此每次实验完毕需要将绝缘子清洗，重新涂污，盐密保持不变，绝缘子阴干后进行二次实验。

(4)更换零值绝缘子位置。后几次的加湿实验中，依次将零值绝缘子放置于4号位置、7号位置进行实验。

(5)更换盐密值。进行完0.01mg/cm²实验后，分别在0.05mg/cm²及0.1mg/cm²下重复(2)、(3)、(4)步骤。

2.3实验结果分析

1)干燥污秽含零值绝缘子串发热特性研究

实验整个过程中，无放电现象，说明在干燥污秽状态下，紫外不能检测零值绝缘子，因此只针对绝缘子的发热特性进行了分析研究。图14(a)、(b)分别为5号零值的加压半小时后红外检测图及加压两小时后的检测图。

实验中利用红外成像仪读取了各个绝缘子片瓷件最高温度，并定义新的参数，即温升比进行数据分析，该参数可以消除环境温度对实验的影响，并且可以实现数据归一化，该参数定义如下：

${\mathrm{\&delta;}}_j=\frac{T_j-T_0}{{(T_j-T_0)}_{max}}=\frac{{\mathrm{\&Delta;T}}_j}{{\mathrm{\&Delta;T}}_{max}}---\left(4\right)$

其中，j等于1，2，3，…，7表示1到7号绝缘子，T₀是7片绝缘子中绝缘子的最低温度，ΔT_max为该绝缘子串中的最高温升，ΔT_j为第j个绝缘子的温升，δ_j为第j个绝缘子的温升与最大温升的比值。

经实验结果发现干燥污秽下不同盐密对绝缘子的温升影响不大，图15所示为2号为零值绝缘子时，每片绝缘子瓷件下表面相对环境温升曲线。

当绝缘子表面污秽干燥时，由于可导电的离子数很小，所以表面电阻率仍然很大，泄漏电流依然很小，对于不同盐密的干燥污秽其可导电离子数变化不大，因此盐密对绝缘子表面电阻率影响不大，此时绝缘子电压分布仍主要以极间电容分布，发热源为大部分的绝缘子内部极化损耗和较小部分的表面电阻损耗。

因此为了分析零值绝缘子在不同位置时整个绝缘子串的温度分布情况，选取盐密为0.1mg/cm²时干污状态下红外检测图谱进行数据处理分析，运用温升比将所有温升统一到[0,1]范围内，得到图16所示的零值绝缘子分别在1到7号的绝缘子串的温升比曲线，其中ΔT_max为所有实验的最高温升为5.1℃，0号位置表示无零值的绝缘子串。

图16表明以下几点：①零值绝缘子的位置编号由1到7，其温升也随之下降；②与0号位置曲线中相对应编号绝缘子温升程度对比，除7号位置曲线，其他位置曲线中零值绝缘子显著提高其后一片的正常绝缘子温升；③有缺陷的绝缘子串与正常绝缘子串温升对比，当零值绝缘子在5到7号位置时，整串绝缘子中大部分正常绝缘子的温升程度略高于无零值时，有的点甚至偏低，而在1到4号位置时，其温升程度整体偏高于无零值情况下的温升。

由于绝缘子是电压制热性设备，其温升与绝缘子所承受的电压成正比，因此上述曲线可以反映不同情况下绝缘子串的电压分布特性。

此外对每一串的绝缘子瓷件表面温升进行了整理，得到表4。

表4每一串的绝缘子瓷件温升表

由表4数据分析得到：零值绝缘子与其相邻的正常绝缘子温升差一般大于1℃，甚至达到3℃，而正常绝缘子间的温升差一般小于1℃。

2)湿润污秽含零值绝缘子串发热及放电特性研究

此实验过程中绝缘子表面有明显的放电现象，从中等湿度到饱和湿度放电主要为电晕放电，火花放电和间歇性的电弧放电。本发明主要利用紫外成像仪对稳定的电晕放电进行了录制及分析，图17(a)、(b)分别为盐密0.1mg/cm²，1号为零值绝缘子中等湿度时紫外放电图及红外检测温度图。

(1)发热特性结果分析

在湿污状态下由于加湿的过程中为防止水汽下沉导致加湿不均匀，在人工气候室内安装了电风扇，因此会加快室内气体流动，提高了绝缘子表面对流散热，并且加湿的水汽温度相对环境偏低，因此在加湿过程中水汽很大程度上具有一定的冷却作用。如图18(a)、(b)、(c)所示为中等湿度时红外检测不同盐密时零值绝缘子在1号位置、4号位置及7号位置时检测瓷件最高温升。

图18表明，当零值绝缘子在1号位置时，正常绝缘子表面温升明显高于零值绝缘子，在4号及7号位置时，盐密越大越容易出现正常绝缘子温升与零值绝缘子温升相近情况，此时对于温度分辨率较低的红外成像仪容易发生会误判。

(2)放电特性结果分析

实验过程中利用紫外成像仪同时检测了绝缘子上表面和下表面放电情况，以避免因观测角度而产生漏检现象，并利用数字图像处理技术提取了紫外检测放电量化参数及空间放电强度曲线，实现了实验检测的瓷悬式绝缘子放电特性结果分析。图19为中等湿度时，盐密为0.1mg/cm²的紫外检测绝缘子上表面放电图片。

图19表明当零值绝缘子在1号位置且污秽严重时，除零值绝缘子外其他正常绝缘子表面放电剧烈，紫外检测可以区分零值绝缘子，但在其他位置时出现正常绝缘子有放电和不放电的现象，因此无法判别零值绝缘子。

为了进一步分析污秽受潮时绝缘子串的放电特性，对紫外视频进行处理，提取了三种盐密零值绝缘子在不同位置时300帧紫外检测图像，经处理得到每一种条件下的放电光斑面积序列，并求取了平均值S，图20为每一种条件下光斑面积平均值的对比图。

图20表明盐密为0.1mg/cm²时放电光斑面积明显高于其他盐密值，且重污秽时当零值绝缘子在高压侧时，放电越剧烈，而越靠近低压侧时，盐密影响越小。

对绝缘子下表面进行紫外成像检测发现，在盐密较小或污秽湿度不大时，零值绝缘子的相邻绝缘子尤其是其后一片绝缘子下表面放电的概率较大。图21为盐密为0.01mg/cm²的1、4和7号绝缘子为零值绝缘子时，相邻正常绝缘子下表面出现放电现象的紫外检测图。

从紫外检测放电结果表明零值绝缘子由于表面发热小并且内部阻值也很小导致零值绝缘子表面不会发生放电现象，而当零值绝缘子在高压侧且表面污秽盐密较大时，绝缘子串中正常绝缘子会发生剧烈放电，进而可以区分零值绝缘子，而在盐密较小或污秽湿度不大时，零值绝缘子的相邻绝缘子尤其是其后一片绝缘子易发生下表面放电。

3仿真分析

通过实验研究发现，零值绝缘子的位置、污秽湿润程度及污秽盐密的大小都会对绝缘子串的表面电场分布及温度分布产生很大的影响，为了验证实验检测结果并且可以从场的角度进行分析，利用ANSYS有限元法对XP-100绝缘子进行电场及热场的仿真，得到不同污秽条件下零值绝缘子在不同位置的绝缘子串电场分布及表面热场分布图，并提取仿真计算结果与实验进行了对比分析。

3.1瓷绝缘子的结构与建模

XP-100绝缘子主要由四部分构成，即钢帽、瓷件、水泥胶合剂及铁脚，由于瓷悬式绝缘子是轴对称结构，因此为了减小计算量，仿真采用二维轴对称模型，对于零值绝缘子的建模，本文将绝缘子的钢帽及铁脚间的局部瓷件与胶合剂设为金属导体材料，代表贯穿性缺陷，外部仍为瓷件材料，其正常绝缘子及零值绝缘子截面如图22所示。

3.2电场分析

电场的仿真包括以下主要内容：

1)污秽干燥时一片零值绝缘子在1、4和7号位置时电位及电场分布规律；

2)湿污时，高压侧正常绝缘子的沿面电场分布规律及盐密为0.01mg/cm²、0.05mg/cm²和0.1mg/cm²时一片零值绝缘子分别在1、4和7号位置时电位分布规律；

对绝缘子的电场仿真需要知道绝缘子各个部分的介电常数和电阻率，相关材料属性如表5所示，而对于湿污层的设置，本文以纯净水作为污秽的溶解液，纯净水为良好的电介质，其相对介电常数为81，并且认为在不同盐密时，其介电常数不变恒为81。污秽水膜的厚度根据绝缘子表面吸附300ml水量来确定，水膜均匀覆盖在绝缘子表面，厚度为水量与绝缘子表面积的商值为2mm。

表5电场仿真材料属性设置

不同污秽盐密的中等湿度及饱和湿度时的电导率的设置参数见表5所示。

表5湿污秽层属性表

1)污秽干燥时，零值绝缘子在不同位置的电场仿真结果及分析

由于污秽干燥时，表面电流很小，因此认为电场主要以容性分布因此采用静态电场仿真分析，首先对污秽干燥时，七片绝缘子无零值绝缘子时的仿真结果如下图23所示。

由图23得当污秽干燥时，高压侧1到3号绝缘子周围电位线较密集，说明大部分的压降分布在1号到3号绝缘子，而且电位分布主要在绝缘子内部，呈现电容性分布。

当零值处于1号、4号及7号位置时，提取轴向电位及电场计算结果得到仿真结果如图24所示。

图24(a)中相邻两点电位差表示绝缘子钢帽与铁脚间的电压。图24表明当零值绝缘子为高压侧时，会使得其余正常绝缘子的电压普遍升高，升高程度由高压侧到低压侧逐渐降低，正常绝缘子承受的电压值增量最大为原来正常电压的1.44倍，但是当零值绝缘子在靠近低压侧的位置时，除增大高压第一片绝缘子电压外使其他正常绝缘子的电位与无零值时普遍降低，承受的电压值与正常时相近，甚至有降低的趋势。此外，零值绝缘子可提高后一片绝缘子的电压值。仿真结果与红外检测温升率分析结果吻合。

2)污秽加湿时，零值绝缘子在不同位置的电场仿真结果及分析

当绝缘子表面湿润时，表面电阻减小，阻性电流增大，阻性电场不能忽略，因此采用准静态电场分析方法仿真，同样对七片绝缘子无零值绝缘子进行仿真，图25为盐密0.01mg/cm²时仿真结果。

图25表明当污秽湿润时，七片绝缘子电压分布较均匀，呈现阻容性分布。由于此时大部分的电流为表面泄漏电流，因此电场主要以阻性电场分布在绝缘子表面，内部电场很小。

当污秽盐密为0.01mg/cm²时，同样对零值绝缘子在1、4和7号位置时七片绝缘子的仿真结果，沿对称轴方向的电位分布如图26所示。

图26表明湿污条件下电位分布相对均匀，零值绝缘子对绝缘子串的电位分布影响结果与干污时相似，但是影响程度相对较小。同样对盐密0.05mg/cm²及盐密0.1mg/cm²进行仿真计算并提取轴向电位得图27。

图26与图27对比得：盐密的越大，绝缘子串的电位分布越均匀，零值绝缘子对绝缘子串的电位分布影响越小，因此在重污秽下不易区分零值绝缘子，仿真结果与实验加湿条件下利用红、紫外成像仪检测结果吻合。

3.3热场仿真分析

在中等湿度及饱和湿度时，污秽绝缘子因发热表面会出现干燥带，绝缘子表面温度先上升，最高温度是在干燥带出现时，而后温度下降，本文针对一片绝缘子表面出现干燥带前进行热场仿真分析。

1)污秽干燥时，绝缘子表面热场仿真结果及分析

在干污时对零值及正常绝缘子进行热场仿真，此时绝缘子表面主要以热对流形式与外界进行热交换，热场仿真分布及瓷件沿面(从低压到高压)的温度分度如图28(a)、(b)、(c)及(d)所示。

图28表明正常绝缘子发热主要分布于绝缘子表面，而零值绝缘子为钢帽内部，并且(c)图表明正常绝缘子整个瓷件温度最高的部位为铁脚附近，钢帽附近次之，所以污秽绝缘子在受潮均匀时，铁脚处及钢帽处易出现干燥带。(d)图表明零值绝缘子上表面基本无温升，此仿真结果与实验检测相同。

在湿污条件下绝缘子表面热交换过程十分复杂，既有热对流换热也有污秽内水分蒸发散热，绝缘子表面发热量大的部位其水分蒸发散热量也大，因此水分蒸发散热是其热量损失的主要原因，并且在进行实验过程中加湿污秽所用的水汽温度稍低于室温且由电扇吹动水汽，导致绝缘子表面热量散失很大，为了与实验对比，绝缘子表面设定大的对流换热系数代替水蒸发散热、水汽冷却以及强迫换热过程。图29分别为不同盐密时正常湿污绝缘子与零值绝缘子表面沿面温度分布特性。

图29表明盐密越大，绝缘子表面温升越高，湿污零值绝缘子表面发热规律与正常相似，温升相对于正常绝缘子偏低但相差不明显，所以当正常绝缘子表面无干燥带时红外对零值检测不敏感。

4基于红外紫外联合检测零值绝缘子的评估方法

综合上述实验分析及电场仿真结果分析，可以得到基于红外、紫外检测零值绝缘子的评估方法，本发明以光斑面积S作为量化放电强弱参数以及红外检测绝缘子温度，根据实验及仿真结果得到在污秽干燥时，零值绝缘子与正常绝缘子温升差别较大，正常绝缘子与其相邻的绝缘子温差一般0～1℃内，而在低压侧的绝缘子间温差一般为0.1℃，若绝缘子串中有零值绝缘子，则零值绝缘子与其相邻绝缘子温差一般为1～3℃，在湿污条件下，由于绝缘子放电具有随机性，因而会产生有正常绝缘子不放电情况，并且有仿真结果可知，当湿污绝缘子没有形成干燥带前，其温升情况和零值温升基本一致，因此红外在湿污时会出现检测漏检或误检现象，而通过紫外检测绝缘子放电及对湿污条件下绝缘子电场仿真得知，在污秽电阻率较大时，零值绝缘子对整串绝缘子电场分布影响较大，尤其零值绝缘子的后一片绝缘子的电场会高于正常时电场，并且实验发现零值后一片绝缘子容易发生表面放电，该放电可能在上表面或是下表面。因此综上分析该系统零值绝缘子诊断的阈值设定根据式(5)、(6)所示。

污秽干燥：

max(T₁-T_min,T₂-T_min)＞1 (5)

污秽湿润：

其中式(5)、(6)中T_min为绝缘子串中最低温度，T₁、T₂分别为绝缘子串中与最低温度绝缘子相邻的两片绝缘子的温度，S₀为绝缘子串中最低温度绝缘子的放电光斑面积，S₁、S₂分别为绝缘子串中与最低温度绝缘子相邻的两片绝缘子的放电光斑面积。

若在上述污秽条件下红紫外检测结果满足以上条件时认为被检测的绝缘子串中有零值绝缘子，且为串中温度最低的一片。

Claims (4)

1.一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，其特征是，所述方法采用红外成像法检测绝缘子串中各个绝缘子的温度，同时采用紫外成像法检测绝缘子串中各个绝缘子的放电光斑面积，然后根据各个绝缘子的温度和放电光斑面积判断绝缘子串中是否存在零值绝缘子并对零值绝缘子进行定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，其特征是，根据各个绝缘子的温度和放电光斑面积判断绝缘子串中是否存在零值绝缘子并对零值绝缘子进行定位的方法如下：

a.当绝缘子串表面污秽干燥时，若有：

max(T₁-T_min,T₂-T_min)＞1

其中，T_min为绝缘子串中最低温度，T₁、T₂分别为绝缘子串中与最低温度绝缘子相邻的两片绝缘子的温度，则判断被检测的绝缘子串中有零值绝缘子，且零值绝缘子为绝缘子串中温度最低的绝缘子；

b.当绝缘子串表面污秽湿润时，若有：

其中，S₀为绝缘子串中最低温度绝缘子的放电光斑面积，S₁、S₂分别为绝缘子串中与最低温度绝缘子相邻的两片绝缘子的放电光斑面积，则判断被检测的绝缘子串中有零值绝缘子，且零值绝缘子为绝缘子串中温度最低的绝缘子。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，其特征是，采用紫外成像法检测绝缘子串中各个绝缘子的放电光斑面积的步骤如下：

①图像灰度化

将紫外成像仪输出的原始RGB彩色图像转换为灰度图像，其灰度变换的公式如下：

Y＝0.299R+0.587G+0.114B

其中Y为灰度值，其范围为0-255；R、G、B分别为原始彩色图像的红、绿、蓝三个颜色的分量值；

②图像分割

采用阈值分割算法将灰度图像变换为二值图像，其算法为：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& f(x,y)\&GreaterEqual;T_h\\ 0& f(x,y)<T_h\end{array}\right.$

式中T_h为像素点灰度值的阈值；g(x，y)为二值化后的灰度值；f(x，y)为二值化前的灰度值；

③开闭运算滤波

采用数学形态学的开启、闭合运算构成级联滤波器对图像进行滤波处理，其运算定义如下：

$A\&CenterDot;B=(A\&CirclePlus;B)\mathrm{\&Theta;}B$

其中A为待处理的图像，B为结构元素，符号Θ和分别代表腐蚀和膨胀运算，符号ο和·分别表示开运算和闭运算；

④小区域面积消除滤波

首先对图像中各个白色的连通区域进行标记，将每个连通区域内的像素点赋予相同的标签值；然后统计各连通区域内所包含的像素点的个数；再将各连通区域所包含的像素点的个数与设定的面积阈值进行比较，大于面积阈值的区域内的各像素值保持不变，而小于面积阈值的区域内各像素值设置为0(置黑)；

⑤轮廓提取及图片融合

采用Freeman链码检索边界，得到每一个高亮区域的边界上各像素点的坐标值，将提取的边界点的坐标依次连线构成一条封闭曲线，然后将该封闭曲线叠加到原始图像之上，若封闭曲线与原始图像的边界吻合，说明提取的效果好，否则重新进行提取；

⑥光斑面积的提取

将二值图像中放电区域灰度值为255的点定义为1，则光斑面积为该区域中1的总数，计算式如下

$S=\underset{(x,y)\&Element;Q}{\&Sigma;}1$

式中，S为光斑面积，(x，y)表示图像中某一像素点的坐标值，Q为选定的区域。

4.根据权利要求3所述的一种基于红外和紫外成像法的零值绝缘子检测方法，其特征是，在图像分割过程中，像素点灰度值的阈值T_h为200。