CN103941120B - 一种复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于液滴放电紫外光学特征的复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置，在保证输变电设备安全运行前提下有效获取复合绝缘子表面液滴放电的紫外光学特征，用以反映复合绝缘子表面液滴存在的状态、分布以及复合绝缘子的老化状况，并提供相应的老化评估判据，能够对导致外绝缘闪络事故的憎水性下降因素进行早期检测和诊断，提高复合绝缘子表面憎水性检测的分辨度与准确度，有效保障了电力***供配电的连续性和可靠性。

Description

一种复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置

技术领域

本发明涉及电力***输变电设备外绝缘的检测装置，特别是一种基于液滴放电紫外光学特征的复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置。

背景技术

复合绝缘子以其优越的电气性能及较高的经济效益，在电力***输变电设备中得到了日益广泛的应用，同时也成为影响电网安全稳定运行的重要因素。与传统的陶瓷绝缘子相比，运行中的复合绝缘子普遍表现出了不同程度的老化现象，导致憎水性下降而影响绝缘性能。因此，开展复合绝缘子的憎水性检测与老化评估，是保障电力***输变电设备外绝缘可靠性以及提高电力***安全运行的重要途径之一。

当前，在复合绝缘子憎水性检测与老化评估方面，国内外主要采用如下方法：

(1)静态接触角法

静态接触角法采用微量进样器将液滴置于绝缘子表面，通过测量液滴边沿与绝缘子表面之间形成的接触角来表征憎水性，虽然具有较高的测量精度，但是需要严格的测试环境，并且忽略了与实际运行复合绝缘子密切相关的表面液滴动态变化，无法有效反映复合绝缘子的运行状况。

(2)喷水分级法

喷水分级法由瑞典输配电研究所(STRI)提出，通过观察喷洒水滴在绝缘子表面的分布情况，对比分级判据和标准图片，采用HC等级表征绝缘子憎水性。该方法操作简捷直观，但对憎水性分级较为粗糙，并且等级划分主要依靠操作人员肉眼评判，精确度较差。

(3)泄漏电流法

泄漏电流贯穿于绝缘子运行始终，虽然能够反映绝缘子表面动态特征，并且便于实现在线检测，但是由于在不同环境运行下不同类型绝缘子的泄漏电流时域变化存在较大的随机性和分散性，目前缺乏统一的定义方法和评估标准。

综上所述，由于复合绝缘子材料结构及其影响因素的复杂性，对于复合绝缘子憎水性检测与老化评估尚处于发展与完善阶段，所采用的静态接触角、HC等级和泄漏电流等方法在不同程度上均存在着缺点与不足。因此，本发明能够在保证输变电设备安全运行前提下，有效获取复合绝缘子表面液滴放电的紫外光学特征，用以反映复合绝缘子表面液滴存在的状态、分布以及复合绝缘子的老化状况，并提供相应的老化评估判据。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于液滴放电紫外光学特征的复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置，在保证输变电设备安全运行前提下有效获取复合绝缘子表面液滴放电的紫外光学特征，用以反映复合绝缘子表面液滴存在的状态、分布以及复合绝缘子的老化状况，并提供相应的老化评估判据，能够对导致外绝缘闪络事故的憎水性下降因素进行早期检测和诊断，提高复合绝缘子表面憎水性检测的分辨度与准确度，有效保障了电力***供配电的连续性和可靠性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于液滴放电紫外光学特征的复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置是由匀速升压与保护控制单元、微升液体自动滴落单元、日盲型紫外成像的放电光学检测单元和紫外图像的特征提取与老化评估单元构成。

1、匀速升压与保护控制单元是由交流高压供电电源、连接电源与检测电极的高压接头、绝缘操作杆、嵌入绝缘杆内的铜排接地线等构成，实现对检测试样以约1kV/s的速率匀速施加高压，直至发生沿面放电与闪络，然后能够迅速降低电压至归零；其中，1kV/s的升压速率能够缩短检测所需时间以达到检测所需电压的同时保证电极间试样表面电场匀速增强而不发生局部放电、当试样表面发生沿面放电与闪络后，迅速降低电压至归零；

2、微升液体自动滴落单元主要包括溶液储存容器、微型水泵、微升计、液位传感器、抽水控制阀和滴水控制阀，实现对检测试样表面放置大小、位置与污秽度可控的检测液滴；具体的，所述的微升液体自动滴落单元，其溶液储存容器通过管线与微型水泵连接，微型水泵通过管线与微升计连接，微升计通过管线与下方设置的滴水口连接，在微型水泵与微升计的连接管线线路上设置抽水控制阀，在微升计与滴水口的连接管线线路上设置滴水控制阀，在微升计内设置液位传感器；液位传感器与控制器的信号输入端连接，微型水泵、抽水控制阀和滴水控制阀与控制器的信号输出端连接；

3、日盲型紫外成像的放电光学检测单元是由日盲型紫外成像探头、采样电路、保护电路等构成，实现对匀速升压过程中检测试样表面放电与闪络现象的紫外成像检测与存储；具体的，所述的检测单元，其具有放置待检测试样的环氧绝缘支架，支架上设置可调半圆形不锈钢高压电极和可调平板形不锈钢地电极，所述可调半圆形不锈钢高压电极和可调平板形不锈钢地电极通过机械螺旋装置将待检测试样固定在支架上并压紧，在交流高压供电电源与可调半圆形不锈钢高压电极之间设置100kΩ保护电阻，所述的日盲型紫外成像探头设置在环氧绝缘支架下方，并与PC机连接以将成像输入至PC机；

4、紫外图像的特征提取与老化评估单元是将获取的闪络紫外图像在时间轴上进行分割、转换与数字化，经过降维、消噪处理后，通过计算闪络时刻下放电紫外图像的灰度直方图与熵值，判断复合绝缘子表面的老化程度，为复合绝缘子运行状态评估和老化判断提供更加准确的依据，具体算法如下：

首先，将获取的放电紫外图像转换成三维数字矩阵的形式存储，进而通过降维得到紫外图像的一维灰度图，矩阵中的灰度值在0到255之间以表征放电的紫外辐射强度，其中0表示未发生放电和检测背景，255表示放电辐射的紫外强度最大，放电最为强烈。

其次，采用公式(1)计算灰度级放电紫外图像中具有每种灰度级象素的个数，获取紫外灰度直方图，反映图像中每种灰度出现的频率，并且初步评断放电特征与老化特性：直方图倾向于灰度级高的一侧，表明出现了强烈放电，老化较为严重；低对比度图像的直方图窄而且集中于灰度级的中部，表明放电强度相对较小且特征较为一致，憎水性较好。

$A_n=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

其中，An为某一灰度值的统计量，当第i行第j列的像素点灰度值为n时，Iij的值为1；当第i行第j列的像素点灰度值不为n时，Iij的值为0。

最后，通过对放电紫外图像的灰度直方图进行特征统计，获取离散液滴作用下绝缘子沿面放电特征，进而建立放电紫外光学特征参量与复合绝缘子憎水性变化的对应关系，对老化特性进行定量评估。

1)采用公式(2)计算灰度直方图的灰度值总和，能够反映出放电强度，灰度值总和越大反映放电强度越大，产生的电弧发光越剧烈，老化程度越严重。

S=∑I(i，j) (2)

其中，S为灰度值总和，I(i,j)为第i行第j列的像素点灰度值。

2)采用公式(3)计算灰度直方图的熵，能够反映放电图像的细节变化，熵值越高表明放电越复杂，老化程度加剧。

$h=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}p(i,j)\ln \left(p(i,j)\right)---\left(3\right)$

其中，

$p(i,j)=I(i,j)\×\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}I(i,j)---\left(4\right)$

I(i，j)为第i行第j列的像素点灰度值。

5、***显示单元主要包括闪络紫外图像显示界面、灰度直方图分布界面、以及基于放电紫外图像熵值的老化评估分析界面。

与现有检测技术相比，本发明检测安全、迅速、准确，便于工作人员操作诊断，具体的有益效果如下：

1、采用液体微升自动滴落装置，可以迅速、精准控制检测液滴的污秽等级、液滴大小与滴落位置，便于形成标准的检测液滴，降低了液滴误差所造成的检测偏差，提高了检测的可比性与准确性；

2、采用匀速升压与保护自动控制装置，可以迅速在检测试样两端施加电压，并在发生沿面闪络后能够将电压迅速归零，保障了检测人员的安全性，缩短了检测周期，节约了检测时间；

3、采用日盲型紫外成像的放电光学检测装置，可以迅速获取检测试样沿面闪络的高清晰度紫外影像，基于影像的高速时间轴分割与转换、处理技术，获取闪络时刻下放电紫外图像的灰度直方图与熵值，进而直接判断复合绝缘子表面的老化程度，能在最短的时间内满足检测精度和定量要求，为复合绝缘子运行状态评估和老化判断提供更加准确的依据；

4、检测装置方便快捷，可以随意放置各种试样，对试样的厚度、大小均可以任意选取而不影响测量结果，便于节省人力物力，提高检测效率。

附图说明

图1为本发明的检测装置结构示意图。图1中的符号表示：1-检测试样；2-环氧绝缘支架；3-可调半圆形不锈钢高压电极；4-可调平板形不锈钢地电极；5-交流高压电源；6-100kΩ保护电阻；7-日盲型紫外成像探头；8-PC机。

图2为本发明的液体微升自动滴落装置示意图。图2中的符号表示：9-检测溶液储存容器；10-微型水泵；11-微升计；12-液位传感器；13-抽水控制阀；14-滴水控制阀；15-滴水口。

图3为试样表面电极结构与液滴位置示意图。图3中的符号表示：1-检测试样；3-可调半圆形不锈钢高压电极；4-可调平板形不锈钢地电极；16-污秽液滴。

图4为不同老化程度试样表面放电紫外图谱的灰度直方图。

图5为不同老化程度试样的直方图灰度值。

图6为不同老化程度试样的直方图熵值。

具体实施方式

下面通过具体实施例来详细说明本发明的内容。

如图1、2、3所示，本发明的主要目的在于实现基于液滴放电紫外光学特征的复合绝缘子憎水性可视化检测功能，实现对复合绝缘子老化的快速评估。本发明的目的可以通过以下措施来达到：所述的装置主要由匀速升压与保护控制单元、微升液体自动滴落单元、日盲型紫外成像的放电光学检测单元和紫外图像的特征提取与老化评估单元构成。通过液体微升自动滴落装置将污秽液滴滴落至试样表面，日盲型紫外成像探头采集试样表面的放电辐射的紫外线，并将其成像输入至PC机，然后通过图像处理***将紫外图像转换成数字信号，经过紫外图像特征提取与老化评估***获取放电紫外特征参数，从而实现对试样表面憎水性的评估目的。

具体检测评估步骤如下：

将待检测试样1平行放置在环氧绝缘支架2上，通过机械螺旋装置调节可调半圆形不锈钢高压电极3和可调平板形不锈钢地电极4能够以一定的压力挤压在试样表面；

通过交流高压电源5在可调半圆形不锈钢高压电极3上施加峰值为30kV交流电压；30kV电压下能够保证试样表面发生沿面放电与闪络，使***对放电紫外辐射具有最佳的检测与评估效果；

连接好PC机8与日盲型紫外成像探头7等测量装置，并准备由PC机8自动记录放电紫外图像；

微型水泵10由电机控制，电机的开启通过继电器控制，通过抽水控制阀13和滴水控制阀14的开启，将一定体积的溶液从检测溶液储存容器9抽取到微升计11并通过滴水口15滴落至试样表面；具体的，抽水控制阀13和滴水控制阀14的开闭通过液位传感器12来控制，当液位低于检测所需液滴体积时，液位传感器12将信号传输给控制器，控制器控制抽水控制阀13打开，微型水泵10开始工作，滴水控制阀14关闭；当液位达到检测所需液滴体积时，抽水控制阀13关闭，微型水泵10停止工作，滴水控制阀14打开，完成液滴滴落。

将PC机8通过日盲型紫外成像探头7记录试样表面放电的紫外图像转换成数字图像，提取放电紫外图像的特征参数；

根据测量时间与测量次数的设置，定时关闭测量装置。

本发明提供的复合绝缘子憎水性老化评估***，能够有效快速适时地测量试样表面液滴诱发放电的紫外图像及其特征参数，从而实现对试样表面憎水性的评估目的。

实施实例：采用上述实验步骤，测量4种不同运行时间的复合绝缘子试样得到的表面液滴诱发放电紫外图像的灰度直方图如图4所示，其具体获取方法如公式(1)计算：

$A_n=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

其中，An为某一灰度值的统计量，当第i行第j列的像素点灰度值为n时，Iij的值为1；当第i行第j列的像素点灰度值不为n时，Iij的值为0。

最后，通过公式(2)和公式(3)分别定量计算灰度直方图的特征参数：灰度值总和与灰度直方图的熵，进而评估试样老化程度，如图5和图6所示。

S=∑I(i，j) (2)

其中，S为灰度值总和，I(i,j)为第i行第j列的像素点灰度值。

$h=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}p(i,j)\ln \left(p(i,j)\right)---\left(3\right)$

其中，

$p(i,j)=I(i,j)\×\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}I(i,j)---\left(4\right)$

I(i,j)为第i行第j列的像素点灰度值。

综合图4-6的测试结果，最终分析得出试样IV老化严重，建议及时进行更换，试样I、试样II和试样III的老化程度逐渐增大，但仍具有良好的憎水性，可以继续使用。

Claims (2)

1.一种基于液滴放电紫外光学特征的复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置，其主要是由匀速升压与保护控制单元、微升液体自动滴落单元、日盲型紫外成像的放电光学检测单元和紫外图像的特征提取与老化评估单元构成，其特征在于：

所述的匀速升压与保护控制单元是由交流高压供电电源、连接电源与检测电极的高压接头、绝缘操作杆、嵌入绝缘杆内的铜排接地线构成，用以实现对检测试样以1kV/s的速率匀速施加高压，直至发生沿面放电与闪络，然后能够迅速降低电压至归零；

所述的微升液体自动滴落单元主要包括溶液储存容器、微型水泵、微升计、液位传感器、抽水控制阀和滴水控制阀，实现对待检测试样表面放置大小、位置与污秽度可控的检测液滴；所述的微升液体自动滴落单元，其溶液储存容器通过管线与微型水泵连接，微型水泵通过管线与微升计连接，微升计通过管线与下方设置的滴水口连接，在微型水泵与微升计的连接管线线路上设置抽水控制阀，在微升计与滴水口的连接管线线路上设置滴水控制阀，在微升计内设置液位传感器；液位传感器与控制器的信号输入端连接，微型水泵、抽水控制阀和滴水控制阀与控制器的信号输出端连接；

所述的日盲型紫外成像的放电光学检测单元是由日盲型紫外成像探头、采样电路、保护电路构成，实现对匀速升压过程中检测试样表面放电与闪络现象的紫外成像检测与存储；所述的检测单元，其具有放置待检测试样的环氧绝缘支架，支架上设置可调半圆形不锈钢高压电极和可调平板形不锈钢地电极，所述可调半圆形不锈钢高压电极和可调平板形不锈钢地电极通过机械螺旋装置将待检测试样固定在支架上并压紧，在交流高压供电电源与可调半圆形不锈钢高压电极之间设置100kΩ保护电阻，所述的日盲型紫外成像探头设置在环氧绝缘支架下方，并与PC机连接以将成像输入至PC机；

所述的紫外图像的特征提取与老化评估单元能够将获取的闪络紫外图像在时间轴上进行分割、转换与数字化，经过降维、消噪处理后，通过计算闪络时刻下放电紫外图像的灰度直方图与熵值，判断复合绝缘子表面的老化程度，为复合绝缘子运行状态评估和老化判断提供更加准确的依据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：进一步包括***显示单元，所述***显示单元主要包括闪络紫外图像显示界面、灰度直方图分布界面、以及基于放电紫外图像熵值的老化评估分析界面。