離散液滴誘發復合絕緣子沿面放電的紫外成像特征

張 奇，馬全亮，孫建剛，李超群

（天津市電力公司濱海供電分公司，天津300450）

與傳統的瓷絕緣子相比，復合絕緣子以其重量輕，耐污閃、濕閃性能好，運行維護方便和不易破碎等優點，在電力系統輸配電設備中得到了日益廣泛的應用[1-4]。但是，隨著運行環境的惡劣與電壓等級的提高，復合絕緣子表面不斷沉積各種固體污穢和鹽分，在干燥環境下，絕緣子表面電阻仍然很大，不會影響其正常運行；在大氣濕度較高時，特別是在霧、露等惡劣氣象條件下，絕緣子表面在污穢物與濕度共同作用下發生沿面放電，乃至閃絡事故，嚴重影響電力系統的安全穩定運行[5-8]。因此，開展復合絕緣子沿面放電與閃絡機理的研究工作，對防止輸變電設備閃絡事故的發生，保障電力系統安全可靠運行具有重要的理論意義與工程價值。

根據污閃過程可知，其發生的三要素為表面積污、潤濕和電壓，其中，液滴在絕緣子表面凝結與潤濕及其誘發的沿面放電是導致閃絡事故的主要原因，也成為國內外研究人員關注的熱點之一[9-13]。Karady 等研究了絕緣子表面存在液滴時，電場分布及其引發的導電通道、放電與閃絡現象[9]；Gorur等研究了離散液滴的大小、形狀和間距對絕緣子表面放電電場強度與放電能量的影響[10]；Cherney等基于泄漏電流與放電模式識別技術研究了硅橡膠絕緣子表面離散液滴誘發的電暈放電與干燥帶電弧放電的轉換過程[11]；我國的研究人員分析了不同復合絕緣子表面憎水性與離散液滴形貌下，表面電場分布、畸變與電暈、電弧放電的關系[12-13]。

綜上所述，雖然研究人員對液滴誘發絕緣子表面放電現象進行了一些研究與分析，但是仍然缺乏對放電機理的系統研究，特別是離散液滴主要參數對放電特征的影響。因此，本文在實驗室條件下采用紫外成像儀觀察分析了離散液滴誘發復合絕緣子沿面放電閃絡現象與過程，通過分析放電紫外圖像特征，獲取了離散液滴大小與位置對放電特征的影響，有助于進一步研究絕緣子污閃放電機理。

1 實驗過程與方法

1.1 實驗試樣

圖1 為實驗采用的試樣與電極結構示意。實驗試樣為硅橡膠絕緣子切片，取自未投入運行的復合絕緣子，其尺寸為70 mm×30 mm×5 mm。實驗電極為“半圓形-平板”不銹鋼電極，采用機械緊壓方式固定在試樣表面，電極間隙為40 mm。在實驗開始前，所有試樣均采用無水乙醇進行清洗，并在室溫下干燥24 h。

圖1 實驗試樣與電極結構示意Fig.1 Experimental specimen and electrode pattern

1.2 實驗裝置與方法

實驗裝置如圖2 所示。半圓形電極通過保護水阻R1接入交流高壓電源，平板電極直接接地。實驗電源的額定容量為100 kV·A，輸出電壓為0～100 kV。實驗用離散液滴為NaCl 與去離子水混合制成，并通過電導率測量儀（MODEL SC82）確定液滴污穢度為1.0 mS/cm。然后采用微升儀將不同體積的液滴放置在電極間試樣表面，液滴位置分別為靠近高壓電極、電極中間和靠近地電極，液滴大小分別為10 μL、20 μL、30 μL 和40 μL。在實驗過程中，采用日盲型紫外成像儀（DayCor）記錄沿面放電閃絡過程中輻射的紫外光學圖像，其工作的紫外波段為240～280 nm。

為降低周圍環境光源對放電光紫外檢測的干擾，所有放電實驗均在暗室中開展。當試樣固定在電極間，并將液滴置于試樣表面后，采用勻速升壓法在試樣上施加交流電壓，升壓速率為1.0 kV/s，待試樣表面發生閃絡時，此時的電壓記為閃絡電壓。沿面放電閃絡過程及其紫外特征通過紫外成像儀所拍攝成放電紫外圖譜，并通過圖像特征提取技術建立紫外圖譜特征量與離散液滴參數的對應關系，進而揭示離散液滴誘發絕緣子沿面放電、閃絡過程及機理。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental arrangement

2 圖像處理與特征提取

一般全彩色圖像的數字存儲形式為三維矩陣，數據結構較為復雜，不便于放電特征量的提取。因此，在進行特征量提取前先將全彩圖像轉化為灰度圖像，其存儲結構降為一維矩陣，灰度值與放電紫外輻射強度相關，在0～255 之間，其中0 表示未發生放電和實驗背景，255 表示發生了最強烈的放電。

2.1 放電紫外圖像的灰度直方圖分析

灰度直方圖是圖像處理中常用的一種統計工具，它是灰度級的函數，表示圖像中具有每種灰度級象素的個數，反映圖像中每種灰度出現的頻率[14]，其計算方法為

式中：An為某一灰度值的統計量；m、n 分別為矩陣的行、列數；當第i 行第j 列的像素點灰度值為n時，Iij的值為1；當第i 行第j 列的像素點灰度值不為n 時，Iij的值為0。

通過灰度直方圖可以初步評斷放電圖像的一些性質：明亮圖像的直方圖傾向于灰度級高的一側，表明出現了強烈放電；低對比度圖像的直方圖窄而且集中于灰度級的中部，表明放電強度相對較小且特征較為一致；高對比度圖像的直方圖覆蓋的灰度級很寬而且像素分布不均，表明放電強度較為分散且分布不均。

2.2 灰度直方圖的特征統計

從直方圖的定義與獲取中可看出，直方圖能夠直觀定性地反映放電強度與分布特征，但缺乏一些定量特征參數。因此，為了對絕緣子沿面放電進行定量分析，需要對放電紫外圖像的灰度直方圖進行特征統計，以獲取不同離散液滴參數下放電紫外圖譜的特征。

首先，提取灰度直方圖的灰度值總和，能夠反映出放電強度，灰度值總和越大反映放電強度越大，產生的電弧發光越劇烈，其計算公式為

式中：S 為灰度值總和；I（i，j）為第i 行第j 列的像素點灰度值。

其次，計算灰度直方圖的熵，能夠反映放電圖像的細節變化，熵值越高表明放電越復雜，其計算公式為

3 結果與討論

3.1 放電閃絡過程的紫外特征

圖3 為液滴置于電極中間，體積為10 μL 時絕緣子沿面閃絡過程中放電紫外圖像。從圖中可看出，隨著施加電壓的逐漸升高，高壓電極及電極間的場強逐漸增大，當電場強度達到了電極場致發射和空氣的電離場強時，首先在高壓電極附近出現電暈放電，并在電極間形成了較為微弱的電離通道，如圖3（a）所示；隨著電壓的繼續升高，高壓電極和電極間的電場強度逐漸增大，電離通道連讀逐漸增強，液滴周圍出現了淡紫色的電暈放電，但是由于電極中間位置液滴的存在，對形成貫穿電極的電離通道具有一定阻礙作用，導致液滴上方空氣在強電場作用下形成了飛弧狀的電離通道，如圖3（b）所示；當電壓再次升高后，電極間的電離通道變得更加明亮，同時在電極間形成了更為明亮的飛跨液滴的空氣電離通道，如圖3（c）所示；當施加電壓達到了閃絡電壓后，電極間形成了強烈的電弧放電，放電亮度達到最大，同時由于強烈放電導致圖像中出現了紫外成像儀的光暈圓圈，但其不影響放電紫外特征的統計，如圖3（d）所示（圖3 中：L 為高壓電極側；R 為地電極側）。

圖3 沿面閃絡過程中放電的紫外圖像Fig.3 UV images of surface discharges during the flashover process

為了定量描述閃絡過程中放電紫外圖像特征，圖4 和圖5 分別給出了放電圖像的灰度直方圖及其定量紫外特征參數。從圖4 可看出，在發生沿面閃絡之前，試樣表面放電紫外圖像的像素主要集中在50 以下，表明在這一過程中沿試樣表面主要發生的是電暈放電，放電的發光強度較弱，對應的灰度直方圖主要集中在低灰度值范圍。但是，隨著電壓的升高，低灰度值范圍內的像素個數呈現增大的趨勢，表明電暈放電逐漸增強。當發生沿面閃絡時，放電紫外圖像的灰度直方圖在各個灰度值均呈現一定的分布，并且在低灰度值（30 左右）和高灰度值（250 左右）出現了峰值，這主要是由于試樣表面發生了貫穿兩極的強烈放電現象，放電紫外亮度很高，同時在電弧與空氣接觸區域內存在空氣電離，在電弧周圍產生較弱的放電，其紫外亮度相對較弱，但仍高于閃絡前的電暈放電。

圖4 沿面閃絡過程中放電紫外圖像的灰度直方圖Fig.4 Gray-scale histogram analysis of UV images of surface discharges during the flashover process

圖5 沿面閃絡過程中放電的紫外特征提取Fig.5 UV imaging characteristics of surface discharges during the flashover process

圖5（a）給出了沿面閃絡各個階段的紫外光子數，通過測量規定區域內的紫外光子數可以表征放電強度，隨著放電階段的發展，放電紫外光子數呈現增大的趨勢，在發生閃絡時輻射的紫外光子最多。與之相對應的放電紫外圖像的灰度值之和也呈現增大的趨勢，如圖5（b）所示。同時，放電紫外圖像灰度直方圖的熵值隨著放電階段的發展逐漸增大，并且在閃絡階段顯著增大，表明在閃絡發生前試樣沿面放電分散性較小，主要呈現一定規律的電暈放電和空氣電離；當發生閃絡時，沿面放電較為復雜，放電的不規律性增大。

3.2 液滴大小對放電紫外特征的影響

在液滴電導率與液滴位置不變時，液滴體積對絕緣子沿面放電紫外特征的影響如圖6 所示。從圖中可以看出，隨著液滴體積的增大，放電紫外光子數、放電紫外直方圖的灰度值和熵值均呈現增大的趨勢，表明雖然較大體積的液滴對沿面電離通道形成與帶電離子運動起到一定的抑制作用，但其最終引發的放電閃絡較為劇烈。這主要是由于絕緣子沿面放電閃絡最主要的形成方式是電子、離子等帶電離子與空氣發生的碰撞電離。當試樣表面不存在液滴時，陰極發射的初始電子沖擊試樣表面解吸附氣體發生碰撞電離，導致電子崩的形成與發展；當存在液滴時，液滴在電場下發生極化，正離子偏向陰極側液滴表面，當電子沖擊液滴表面時被正離子捕獲，發生復合，從而對放電的起始與發展產生一定的抑制作用[15-17]。

圖6 不同液滴體積下沿面放電的紫外特征提取Fig.6 UV imaging characteristics of surface discharges under different droplet volume

隨著液滴體積的增大，電極間沿絕緣子表面的絕緣有效距離減小，表面干區所承受的電壓相對增大，較易引發電暈放電和空氣電離，導致在沿面放電發展各個階段輻射出較多的紫外光子，同時放電也變得較為強烈和復雜。

3.3 液滴位置對放電紫外特征的影響

在液滴體積與液滴電導率不變時，液滴位置對絕緣子沿面放電紫外特征的影響如圖7 所示。從圖中可以看出，隨著液滴位置從地電極側到高壓電極側，放電紫外光子數、放電紫外圖像直方圖的灰度值和熵值均呈現下降的趨勢，表明液滴處于地電極側的時候放電起始與發展受到了一定的抑制，但所引發的放電閃絡比較劇烈。這主要是由于在強電場作用下，試樣表面電子運動速度高于正離子移動速度，當液滴置于高壓電極側時，液滴的阻擋作用導致液滴兩側迅速積聚大量的正電荷和電子，并且較易形成高電場引發跨接液滴的電弧放電，從而導致閃絡較易發生。與之相對應，液滴在地電極側的時候，液滴對電子移動起到了一定阻礙作用，當外加電場足夠高時才能誘發沿面閃絡。

液滴的介電常數要高于空氣和復合絕緣子試樣表面的介電常數，因此，當液滴置于試樣表面后，在試樣表面、液滴和空氣交界處形成較強的局部電場，沿面電場畸變程度隨著液滴從地電極側向高壓電極側發展呈現下降的趨勢。由于沿面放電與電弧的發展是從電極兩端向著液滴位置，只有當電壓達到臨界值的時候，電弧在電場力切向分量與弱法向分量共同作用下形成跨接液滴的沿面閃絡。

圖7 不同液滴位置下沿面放電的紫外特征提取Fig.7 UV imaging characteristics of surface discharges under different droplet location

4 結論

基于沿面放電閃絡的紫外成像特征研究了離散液滴參數（液滴位置與液滴體積）對復合絕緣子沿面放電的影響規律，主要結論如下。

（1）當絕緣子表面存在液滴時，隨著沿面放電的起始、發展以至閃絡形成，放電紫外成像的灰度直方圖從較為集中的低像素（0～50）范圍發展到很寬的像素分布，紫外光子數、灰度值之和以及熵值均呈現增大的趨勢，并且在閃絡發生時紫外成像特征參數均顯著出現最大值。

（2）隨著液滴體積的增大，放電紫外光子數、紫外成像的灰度值與熵值均呈現增大的趨勢。

（3）隨著液滴位置從地電極側向高壓電極側移動，放電紫外光子數、紫外成像的灰度值與熵值均呈現減小的趨勢。

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