CN107561375A - 一种液体介质空间电荷分布的计算方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液体介质空间电荷分布的计算方法和装置，涉及高压绝缘介质领域，为提高变压器油的绝缘性提供研究基础。所述方法包括：对施加电场的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图；对彩色光强图进行灰阶处理，得到灰度图；将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵；将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵；根据时域光强矩阵计算施加的电场强度；根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的密度分布。
Description
技术领域
本发明涉及高压绝缘介质领域，尤其涉及一种液体介质空间电荷分布的计算方法和装置。
背景技术
电力变压器作为电力系统中能量转换和传输的核心设备，其安全稳定运行关系着人们正常的生活和国家的经济命脉，由操作冲击导致的内绝缘放电将带来严重的后果。变压器油是一种绝缘性能优良的液体电介质，并已在电力变压器中广泛应用，随着我国特高压电网的快速发展，电力系统电压等级不断增加，为了节省生产成本的和空间资源，变压器本身逐渐紧凑化，这进一步增加了变压器绝缘的设计与制造难度；同时，变压器油中不可避免地存在空间电荷，空间电荷的出现不一定引起击穿，但能够通过畸变场强，影响变压器油的击穿强度。
因此，从变压器油本身出发，提高其绝缘性能，这对提升变压器的绝缘水平和保障电力系统的安全运行具有重要的价值。而提高变压器油的绝缘性能，不可避免的需要对变压器油空间电荷的分布情况进行研究，为变压器油的操作冲击击穿特性进行理论或仿真分析提供基础，以提高变压器油的绝缘性能。
发明内容
本发明的实施例提供一种液体介质空间电荷分布的计算方法和装置，通过计算液体介质空间电荷分布情况，为提高变压器油的绝缘性提供研究基础。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供一种液体介质空间电荷分布的计算方法，包括：对施加电场的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图；对彩色光强图进行灰阶处理，得到灰度图；将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵；将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵；根据时域光强矩阵计算施加的电场强度；根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的密度分布。
优选的，将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵后，所述方法还包括：根据线性灰度转换方程对所述时域光强矩阵进行线性灰度转换。
优选的，将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵的步骤包括：利用二维离散傅立叶变换将灰度图转换到频域空间进行处理，得到光强频域空间矩阵I0(u,v)为：
通过高通滤波器对所述光强频域空间矩阵进行滤波处理得到滤波后的频域空间光强矩阵，所述高通滤波器的函数为：
频域空间光强矩阵I’0(u,v)为：
I’0(u,v)＝H(u,v)I0(u,v)，
其中，M、N分别为灰度图水平和垂直方向的总像素值，(x,y)和(u,v)分别为灰度图在时域和频域空间中的像素位置，D0是高通滤波器的截止频率，D(u,v)是在频域空间中像素点(u,v)离中心像素点的距离，n为常数。
优选的，将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵的步骤包括：将所述频域空间光强矩阵利用二维反傅立叶变换转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵I(x,y)为：
其中，M、N分别为灰度图水平和垂直方向的总像素值，(x,y)和(u,v)分别为灰度图在时域和频域空间中的像素位置，I0(u,v)为频域空间中的光强矩阵。
优选的，根据线性灰度转换方程对所述时域光强矩阵进行线性灰度转换的步骤包括：
根据线性灰度转换方程对所述时域光强矩阵进行线性灰度转换为：
其中，时域中进行处理后在像素位置(x,y)处的灰度值为f(x,y)，灰度值范围为f(x,y)∈[a,b]，线性灰度转换后的灰度图在像素位置(x,y)处的灰度值为g(x,y)，目标灰度值范围为g(x,y)∈[c,d]。
优选的，根据时域光强矩阵计算施加的电场强度的步骤包括：当待计算像素位置处的电场强度比前一个像素位置处电场强度增加时，若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强大，电场强度E的计算公式为：
若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强小，电场强度E的计算公式为：
其中，r为彩色光强图上暗条纹或者亮条纹的序号(0，1，2…rmax)，并且从图中最外层处r＝0，通常此处的电场也接近于0，依次向电场最大值处r＝rmax增加1；Em为光强第一次到达最大值或者第一次到达最小值时的电场大小，I为输出光强，Im为输入光强。
当待计算像素位置处的电场强度比前一个像素位置处电场强度减小时，若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强大，电场强度E的计算公式为：
若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强小，电场强度E的计算公式为：
其中，l为彩色光强图上暗条纹或者亮条纹的序号(lmax，lmax-1，lmax-2…)，并且从图中电场最大处l＝lmax，依次向电场减小方向递减1。
优选的，根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的分布密度的步骤包括：根据高斯定理和泊松方程得到液体中空间电荷的分布密度：
ρ(x)＝ε0εrdE/dx，
其中，ε0和εr分别为真空介电常数和液体的相对介电常数；x为距离。
优选的，对施加电场后的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图的步骤包括：通过电荷耦合元件采集彩色光强图。
第二方面，提供一种计算液体介质空间电荷分布的装置，包括：图像采集模块，用于对施加电场后的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图；灰阶处理模块，用于对彩色光强图进行灰阶处理，得到灰度图；频域空间处理模块，用于将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵；时域处理模块，用于将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵；电场强度计算模块，用于根据时域光强矩阵计算施加的电场强度；空间电荷计算模块，用于根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的密度分布。
本发明实施例提供一种液体介质空间电荷分布的计算方法和装置，可计算液体介质的空间电荷分布情况，为研究变压器油的绝缘性能提供基础研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种液体介质空间电荷分布的计算方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种彩色图案测量装置；
图3为本发明实施例提供的一种光强图；
图4为本发明实施例提供的一种计算液体介质空间电荷分布的装置。
附图说明
10-图像采集模块；20-灰阶处理模块；30-频域空间处理模块；40-时域处理模块；50-电场强度计算模块；60-空间电荷计算模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种液体介质空间电荷分布的计算方法，如图1所示，包括：
S10、通过如图2所述的测量系统，对施加电场的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图。
即，将液体放入克尔(Kerr)盒中，通过向Kerr盒中的上下电极施加电压，以使上下电极向液体施加电场。在液体的一侧放置光源对液体进行光照，例如可以采用氦氖激光源进行光照，在光源的相对测放置光信号接收装置，采集光强信号，生成包含三维颜色信息的彩色图像。
其中，本领域技术人员应该明白，根据图2中的测量装置可知，光信号接收装置所采集的图像表征的应是液体与上下电极垂直的截面的信息，并且光路的方向与电场的方向垂直。
S20、对彩色光强图进行灰阶处理，得到灰度图。
此处，现有技术中的灰阶处理方法均可适用，得到只包含光强度值和像素位置信息的灰度图即可。
S30、将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵。
其中，图像通常可以用离散的像素矩阵表示，图像上每一像素处的光强信息都体现在像素矩阵中，为了使灰度图所表征的信息更清楚，对灰度图进行进一步的处理。
即，将在频域空间进行处理后的灰度图用频域空间光强矩阵来表示。
S40、将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵。
即，将在时域中进行处理后的灰度图用时域光强矩阵来表示。
S50、根据时域光强矩阵计算施加的电场强度。
此处计算出的电场强度应为多个像素位置处的电场强度。
S60、根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的密度分布。
为得到更高饱和度、更大动态范围和对比度的图像，有必要对灰度图像进行进一步的线性灰度转换。本发明实施例优选的，如图1所示，在步骤S40后、S50前，所述方法还包括：
S45、根据线性灰度转换方程对时域光强矩阵进行线性灰度转换。
具体的，S10步骤可以通过电荷耦合元件(CCD)来完成。
CCD对光更加敏感，能够采集高分辨率、高质量的电光场分布图信息，因此本发明采用CCD完成彩色图像采集工作。
S30步骤可以通过利用二维离散傅立叶变换将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到光强频域空间矩阵I0(u,v)为：
通过高通滤波器对所述光强频域空间矩阵进行滤波处理得到滤波后的频域空间光强矩阵，高通滤波器的函数为：
频域空间光强矩阵I’0(u,v)为：
I’0(u,v)＝H(u,v)I0(u,v)，
其中，M、N分别为灰度图水平和垂直方向的总像素值，(x,y)和(u,v)分别为灰度图在时域和频域空间中的像素位置，D0是高通滤波器的截止频率，D(u,v)是在频域空间中像素点(u,v)离中心像素点的距离，n为常数。
S40步骤可以通过将所述频域空间光强矩阵利用二维反傅立叶变换转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵I(x,y)为：
其中，M、N分别为灰度图水平和垂直方向的总像素值，(x,y)和(u,v)分别为灰度图在时域和频域空间中的像素位置，I0(u,v)为频域空间光强矩阵。
S45步骤可以通过以下方程完成线性灰度转换，线性灰度转换方程为：
其中，时域中进行处理后在像素位置(x,y)处的灰度值为f(x,y)，灰度值范围为f(x,y)∈[a,b]，线性灰度转换后的灰度图在像素位置(x,y)处的灰度值为g(x,y)，目标灰度值范围为g(x,y)∈[c,d]。
S50步骤可以通过以下方程完成计算：
第一，当待计算像素位置处的电场强度比前一个像素位置处电场强度增加时：
①若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强大，电场强度E的计算公式为：
②若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强小，电场强度E的计算公式为：
其中，r为灰度图上暗条纹或者亮条纹的序号(0，1，2…rmax)，并且从图中最外层处r＝0，通常此处的电场也接近于0，依次向电场最大值处r＝rmax增加1，Em为光强第一次到达最大值或者第一次到达最小值时的电场大小，I为输出光强，Im为输入光强。
在电场增加的方向，①与②中所描述的状态发生互换时，r便需要增加1。
第二，当待计算像素位置处的电场强度比前一个像素位置处电场强度减小时：
①若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强大，电场强度E的计算公式为：
②若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强小，电场强度E的计算公式为：
其中，l为灰度图上暗条纹或者亮条纹的序号(lmax，lmax-1，lmax-2…)，并且从图中电场最大处l＝lmax，依次向电场减小方向递减1。在电场减小的方向，①与②中所描述的状态发生互换时，l便需要减小1。
从上述公式可以看出，电场强度与光强大小和明暗条纹序数r、l决定，对于明暗条序数的确定，示例的，可以通过以下方法确定：
沿与施加的电场方向垂直的平面取一维归一化光强分布，如图3所示，明暗条纹从最外侧电场为0处(r＝0)向电场最大处(上下极板中心附近，r＝rmax)，由0逐渐增加至19，经历了10个波峰和10个波谷；然后相对称地，由最大值19逐渐减小至0，由此确定了电极中心处的条纹序数为rmax＝19。
S60步骤可以根据高斯定理和泊松方程得到液体中空间电荷的分布密度：
ρ(x)＝ε0εrdE/dx，
其中，ε0和εr分别为真空介电常数和液体的相对介电常数；如图1所示，电场是由上下电极产生，因此x为两平行板电极间离上电极的距离。
本发明实施例还提供一种计算液体介质空间电荷分布的装置，如图4所示，包括：
图像采集模块10，用于对施加电场后的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图。
例如可通过电荷耦合元件采集彩色光强图。
灰阶处理模块20，用于对彩色光强图进行灰阶处理，得到灰度图。
频域空间处理模块30，用于将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵。
例如可利用二维离散傅立叶变换将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到频域空间光强矩阵。
时域处理模块40，用于将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵。
例如可利用二维反傅立叶变换转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵。
电场强度计算模块50，用于根据时域光强矩阵计算施加的电场强度。
空间电荷计算模块60，用于根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的密度分布。
其中，该计算装置中的多个模块可以集成在一个单元中，也可以分别为单独的模块。
所述装置还可以包括线性灰度转换模块，用于对所述时域光强矩阵进行线性灰度转换，得到更高饱和度、更大动态范围和对比度的图像。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种液体介质空间电荷分布的计算方法，其特征在于，包括：
对施加电场的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图；
对彩色光强图进行灰阶处理，得到灰度图；
将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵；
将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵；
根据时域光强矩阵计算施加的电场强度；
根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的密度分布。
2.根据权利要求1所述的空间电荷分布计算方法，其特征在于，将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵后，所述方法还包括：
根据线性灰度转换方程对所述时域光强矩阵进行线性灰度转换。
3.根据权利要求1所述的空间电荷分布计算方法，其特征在于，将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵的步骤包括：
利用二维离散傅立叶变换将灰度图转换到频域空间得到光强频域空间矩阵I0(u,v)为：
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通过高通滤波器对所述光强频域空间矩阵进行滤波处理得到滤波后的频域空间光强矩阵，所述高通滤波器的函数为：
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频域空间光强矩阵I’0(u,v)为：
I’0(u,v)＝H(u,v)I0(u,v)，
其中，M、N分别为灰度图水平和垂直方向的总像素值，(x,y)和(u,v)分别为灰度图在时域和频域空间中的像素位置，D0是高通滤波器的截止频率，D(u,v)是在频域空间中像素点(u,v)离中心像素点的距离，n为常数。
4.根据权利要求1所述的空间电荷分布计算方法，其特征在于，将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵的步骤包括：
将所述频域空间光强矩阵利用二维反傅立叶变换转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵I(x,y)为：
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其中，M、N分别为灰度图水平和垂直方向的总像素值，(x,y)和(u,v)分别为灰度图在时域和频域空间中的像素位置，I0(u,v)为频域空间光强矩阵。
5.根据权利要求1所述的空间电荷分布计算方法，其特征在于，根据线性灰度转换方程对所述时域光强矩阵进行线性灰度转换的步骤包括：
根据线性灰度转换方程对所述时域光强矩阵进行线性灰度转换为：
<mrow>
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其中，时域中进行处理后在像素位置(x,y)处的灰度值为f(x,y)，灰度值范围为f(x,y)∈[a,b]，线性灰度转换后的灰度图在像素位置(x,y)处的灰度值为g(x,y)，目标灰度值范围为g(x,y)∈[c,d]。
6.根据权利要求1所述的空间电荷分布计算方法，其特征在于，根据时域光强矩阵计算施加的电场强度的步骤包括：
当待计算像素位置处的电场强度比前一个像素位置处电场强度增加时，若待计算像素位置处的光强比前一个像素位置处的光强大，电场强度E的计算公式为：
<mrow>
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<mi>E</mi>
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其中，r为彩色光强图上暗条纹或者亮条纹的序号(0，1，2…rmax)，并且从图中最外层处r＝0，通常此处的电场也接近于0，依次向电场最大值处r＝rmax增加1；Em为光强第一次到达最大值或者第一次到达最小值时的电场大小，I为输出光强，Im为输入光强；
当待计算像素位置处的电场强度比前一个像素位置处电场强度减小时，若待计算像素位置处的光强比前一个的像素位置处的光强大，电场强度E的计算公式为：
<mrow>
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<mi>E</mi>
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<mi>E</mi>
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<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
</mfrac>
<mi>arccos</mi>
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<mrow>
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</mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
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</msup>
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</mrow>
若待计算像素位置处的光强比前一个的像素位置处的光强小，电场强度E的计算公式为：
<mrow>
<mfrac>
<mi>E</mi>
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<mi>E</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
</mfrac>
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<mi>I</mi>
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<mi>I</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</msup>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</msup>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，l为彩色光强图上暗条纹或者亮条纹的序号(lmax，lmax-1，lmax-2…)，并且从图中电场最大处l＝lmax，依次向电场减小方向递减1。
7.根据权利要求1所述的空间电荷分布计算方法，其特征在于，根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的分布密度的步骤包括：
根据高斯定理和泊松方程得到液体中空间电荷的分布密度：
ρ(x)＝ε0εrdE/dx，
其中，ε0和εr分别为真空介电常数和液体的相对介电常数；x为距离。
8.根据权利要求1-7任一项所述的空间电荷分布计算方法，其特征在于，对施加电场后的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图的步骤包括：
通过电荷耦合元件采集彩色光强图。
9.一种计算液体介质空间电荷分布的装置，其特征在于，包括：
图像采集模块，用于对施加电场后的液体进行光照，以采集光线透过所述液体形成的彩色光强图；
灰阶处理模块，用于对彩色光强图进行灰阶处理，得到灰度图；
频域空间处理模块，用于将灰度图转换到频域空间进行滤波处理，得到滤波后的频域空间光强矩阵；
时域处理模块，用于将所述频域空间光强矩阵转换到时域中进行处理，得到时域光强矩阵；
电场强度计算模块，用于根据时域光强矩阵计算施加的电场强度；
空间电荷计算模块，用于根据施加的电场强度计算液体中空间电荷的密度分布。
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