10 kV開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法研究

汪晨　余嘉文　陳強(qiáng)

摘 要：針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電的問(wèn)題，提出了10 kV開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)出開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)的整套系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)的方案中，采用監(jiān)控裝置對(duì)開(kāi)關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)工業(yè)CCD攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)變換立體空間，從而360°無(wú)死角地實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜檢測(cè)的視頻、圖像采集，然后引用結(jié)合 Sobel 算子的四幀差分法算法，對(duì)所采集到的視頻、圖像進(jìn)行計(jì)算、分析。然后根據(jù)開(kāi)關(guān)柜中的異常數(shù)據(jù)，選擇不同的檢測(cè)單元，比如紅外線檢測(cè)單元、超聲波檢測(cè)單元和特高頻檢測(cè)單元，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜局部放電的高精度、實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)，本研究設(shè)計(jì)的技術(shù)方案檢測(cè)精度較高，大大提高了設(shè)備的安全性。

關(guān)鍵詞：10 kV;局部放電;Sobel 算子;CCD攝像機(jī);四幀差分法算法;檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP24????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Partial Discharge Detection Method of 10 kV Switchgear

WANG Chen，YU Jia-wen，CHEN Qiang

（Wuhu Power Supply Company of State Grid Corporation of China，Wuhu， Anhui 241000， China）

Abstract：Aiming at the problem of partial discharge in high-voltage switchgear， a partial discharge detection method for 10 kV switchgear was proposed， and a complete system for partial discharge detection in switchgear was designed. In the scheme designed， the monitoring device is used to detect the switchgear on-site， and the stereo space is transformed in real time by an industrial CCD camera， so that the video and image acquisition of the switchgear can be captured 360 ° without dead angles. The sub-frame four-frame difference algorithm calculates and analyzes the collected video and images. Then， according to the abnormal data in the switch cabinet， different detection units are selected， such as infrared detection unit， ultrasonic detection unit and UHF detection unit， so as to achieve high-precision， real-time detection of partial discharge in the switch cabinet. Through experiments， the technical scheme designed? has higher detection accuracy， which greatly improves the safety of the equipment.

Key words：10 kV; partial discharge; Sobel operator; CCD camera; four-frame difference algorithm; detection

10 kV開(kāi)關(guān)柜作為配網(wǎng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其安全性能及可靠性是關(guān)系到電力電網(wǎng)能否順利正常運(yùn)行的關(guān)鍵[1-3]。在開(kāi)關(guān)柜中，諸如隔離開(kāi)關(guān)、電氣互感器、絕緣子、耦合電容器、高壓電纜等部件一旦出現(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，尤其是高壓局部放電現(xiàn)象，很容易給用戶構(gòu)成威脅，其中高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電能夠提前預(yù)告設(shè)備絕緣劣化狀況[4-5]，如果設(shè)備在運(yùn)行中，長(zhǎng)期保持劣化狀態(tài)，則影響電力運(yùn)行的使用壽命，這對(duì)設(shè)備的安全性提出了巨大挑戰(zhàn)，給用戶或設(shè)備造成嚴(yán)重的后果。因此對(duì)設(shè)備的高電壓放電檢測(cè)就顯得十分必要。

目前，在漏電檢測(cè)方面，現(xiàn)有技術(shù)仍舊不夠成熟。在高壓側(cè)，如果采用原始的人工檢測(cè)方法，顯然難以保證檢測(cè)人員的人身安全，傳統(tǒng)方法中，通常采用萬(wàn)用表等工具，這很難保證檢測(cè)的正確性，傳統(tǒng)技術(shù)中，也有采用超聲檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，但是其主要原理是借助于超聲波傳感器感測(cè)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的信號(hào)，然后對(duì)設(shè)備局部放電進(jìn)行檢測(cè)和定位[6-7]。這種方法雖然在一定程度上具有技術(shù)先進(jìn)性，但是超聲波檢測(cè)法很容易受環(huán)境噪聲的影響，比如電網(wǎng)諧波、電磁干擾、磁場(chǎng)等。因此，就需要一種新型的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)柜的漏電檢測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

10 kV開(kāi)關(guān)柜在結(jié)構(gòu)上主要包括真空斷路器、電流互感器、就地安裝的微機(jī)保護(hù)裝置、操作回路附件、各種位置輔助開(kāi)關(guān)[8-10]。在10 kV開(kāi)關(guān)柜中，通常將斷路器和電流互感器設(shè)置在開(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部，將微機(jī)保護(hù)、智能電能表安裝在繼電器室內(nèi)的面板上，其中端子排與各種電源空氣開(kāi)關(guān)則安裝在繼電器室內(nèi)部，端子排通過(guò)控制電纜或?qū)Ｓ貌遄c斷路器機(jī)構(gòu)連接[11-13]。在檢測(cè)10 kV開(kāi)關(guān)柜局部放電時(shí)，在檢測(cè)位置上需要考慮容易放電的地方。由于高壓放電對(duì)人體造成的危害較大，不易使用戶接近，因此在分析數(shù)據(jù)時(shí)，可以將圖像處理融合到檢測(cè)方式中，實(shí)現(xiàn)局部放電的精準(zhǔn)檢測(cè)，如圖1所示，本系統(tǒng)在檢測(cè)漏電時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)狀況。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)攝像頭，旋轉(zhuǎn)攝像頭能夠?qū)崿F(xiàn)立體空間范圍內(nèi)的360°旋轉(zhuǎn)，在配置時(shí)，使用高清工業(yè)CCD攝像頭，將拍攝的圖片通過(guò)Internet傳遞到PC，采集不同角度的開(kāi)關(guān)柜圖像，使用戶遠(yuǎn)程操控現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況[14]。在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)置LED點(diǎn)陣矩陣背光源，為工作現(xiàn)場(chǎng)提供光照度，拍攝的圖像更為清晰、可信。在PC端基于結(jié)合 Sobel 算子的四幀差分法算法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析，根據(jù)存在的不同問(wèn)題，選擇不同類型的檢測(cè)單元，比如紅外線檢測(cè)單元、超聲波檢測(cè)單元和特高頻檢測(cè)單元，檢測(cè)單元檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)DSP計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算，本系統(tǒng)可以采用TI公司DSP芯片TMS320C6203B和ADS5422實(shí)現(xiàn)30 MHz，20 ms高速數(shù)據(jù)采集，將模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供PC機(jī)識(shí)別、應(yīng)用。計(jì)算結(jié)果傳遞到PC端，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜局部放電的高精度、實(shí)時(shí)檢測(cè)[15]。在PC端通過(guò)診斷設(shè)備診斷檢測(cè)結(jié)果，顯示單元將檢測(cè)結(jié)果顯示給用戶分析、研究。檢測(cè)結(jié)果也可以通過(guò)無(wú)線發(fā)射的方式傳遞給PDA、智能手機(jī)或者平板電腦等智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)分享[16]。在PC客戶端的數(shù)據(jù)可以通過(guò)以太網(wǎng)的方式遠(yuǎn)程傳遞到中央控制中心，供更高一級(jí)的管理系統(tǒng)使用并發(fā)布指令。

2 局部放電檢測(cè)分析方法

基于旋轉(zhuǎn)攝像頭拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖片，將拍攝圖上傳至PC機(jī)進(jìn)行圖像分析，根據(jù)分析結(jié)果能夠快速、精準(zhǔn)地判斷放電位置，再結(jié)合超聲波檢測(cè)單元、紅外線檢測(cè)單元和特高頻檢測(cè)單元“三位一體”的檢測(cè)方式，有效地測(cè)出高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電情況[17]，供開(kāi)關(guān)柜工作人員掌握最新的放電情況。

2.1 基于旋轉(zhuǎn)攝像頭的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用Xilinx FPGA進(jìn)行動(dòng)態(tài)視頻圖像采集系統(tǒng)，其主要包括攝像頭、圖像采集單元、圖像數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元、VGA顯示驅(qū)動(dòng)單元。攝像頭為360°旋轉(zhuǎn)的OV7670攝像頭，其像素為30 W，采用雙口通訊的RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，顯示圖像窗口尺寸為320x240，實(shí)施立體圖像無(wú)死角圖像采集[18]。其中攝像頭配置為采用SCCB協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，SCCB也稱為I2C總線。PC接收到攝像機(jī)收到的圖片時(shí)，使用結(jié)合 Sobel 算子的四幀差分法算法步驟分析圖片，以用于指導(dǎo)啟動(dòng)哪些傳感器[19]。在分析圖像時(shí)，首先對(duì)采集到視頻圖像的序列中連續(xù)的兩幀圖像做差分運(yùn)算，這樣可以獲取現(xiàn)場(chǎng)傳感器（超聲波檢測(cè)單元、紅外線檢測(cè)單元或特高頻檢測(cè)單元中）的運(yùn)動(dòng)輪廓。當(dāng)在監(jiān)控過(guò)程中出現(xiàn)異常物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰的兩幀圖像之間會(huì)出現(xiàn)比較明顯的差異，將具有差異的兩幀圖像相減，得出圖像相應(yīng)位置的像素值之差的絕對(duì)值，進(jìn)一步判斷該絕對(duì)值是否大于設(shè)定的閾值，然后分析出所采集到傳感器的運(yùn)動(dòng)特征。下面結(jié)合圖2和算法公式進(jìn)一步說(shuō)明。

四幀差分算法的基本流程如下：

（1）從攝像中選取所獲得圖像中的相鄰四幀像素，定義第一幀為Ik（x，y）、第二幀為Ik+1（x，y）、第三幀為Ik+2（x，y）、第四幀為Ik+3（x，y），然后分別計(jì)算到兩幀差值得到灰度圖像DFk， k+3， DFk+1， k+2[20]。則灰度圖像的計(jì)算公式為：

DFk，k+3=|Ik+3（i，j）-Ik（i，j）|

DFk+1，k+2=|Ik+2（i，j）-Ik+1（i，j）|（1）

（2）設(shè)閾值X，作為參考比較值，將采集到的圖像進(jìn)行二值化操作，Mk，k+3， Mk+1，k+2為最終的二值化圖像。則得到公式：

Mk，k+3=1DFk，k+3≥T

0其他（2）

Mk+1，k+2=1DFk+1，k+2≥T

0其他（3）

（3）將計(jì)算到的二值化圖像值Mk，k+3和 Mk+1，k+2進(jìn)行“與”操作。得到Mk，Mk即是拍攝傳感器的組最終運(yùn)動(dòng)信息，即：

Mk=0Mk，k+3∩Mk+1，k+2=1

0其他（4）

在進(jìn)行四幀差分法運(yùn)算時(shí)，它是對(duì)連續(xù)的四幀圖像進(jìn)行相應(yīng)的差分運(yùn)算，得到前景目標(biāo)。四幀差分法是在三幀差分算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)。三幀差分算法對(duì)于慢速運(yùn)動(dòng)的物體具有較差的計(jì)算能力[21]，而四幀差分法運(yùn)算能夠有效地解決這個(gè)問(wèn)題。在本研究應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)攝像頭的特征選擇，可以準(zhǔn)確地判定在哪個(gè)點(diǎn)具有高壓放電現(xiàn)象，而后通過(guò)PC發(fā)布命令。

2.2 檢測(cè)單元的檢測(cè)、定位

圖像采集完畢并利用四幀差分法運(yùn)算后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)攝像頭不僅僅要實(shí)現(xiàn)巡檢的功能，還要根據(jù)巡檢情況再定位傳感器位置，精確檢測(cè)出局部放電的位置，再根據(jù)檢測(cè)單元檢測(cè)放電情況，傳感器檢測(cè)方法如圖3所示。

紅外線檢測(cè)單元檢測(cè)主要采用紅外線傳感器基于紅外熱成像檢測(cè)方法對(duì)發(fā)熱部位進(jìn)行的檢測(cè)，由于高壓放電，使設(shè)備集中放電的位置處的溫度陡增，采用紅外線傳感器對(duì)發(fā)熱位置檢測(cè)，比起其他傳感器對(duì)發(fā)熱位置檢測(cè)更準(zhǔn)確。該檢測(cè)方法不僅直觀、檢測(cè)靈敏度較高，使得用戶能夠快速?gòu)臋z測(cè)位置獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)[22]。其不僅能夠測(cè)量高壓放電，還能夠基于紅外測(cè)距的方式獲取檢測(cè)距離，即放電距離[23]。其結(jié)構(gòu)外形圖如圖4所示。

圖5是基于一種熱釋電紅外傳感器進(jìn)行紅外測(cè)溫的電路，其中傳感器單元電路中接入有溫度補(bǔ)償電路，采樣信號(hào)通過(guò)C1被耦合到放大信號(hào)的放大器A1，其輸出端輸出的信號(hào)經(jīng)由有源濾波器進(jìn)行不必要成分的濾除，補(bǔ)償電路基于2 mV/℃的硅二極管，輸入信號(hào)通過(guò)A4進(jìn)行放大，而后輸出信號(hào)輸出到放大器A3的輸入端，并且與該信號(hào)進(jìn)行相加，最后輸出，在應(yīng)用時(shí)，比如在200℃下，輸出電壓為4 V，放大器的輸出電壓為3 V，溫度補(bǔ)償器的輸出電壓為1 V。

紅外線檢測(cè)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是檢測(cè)的持續(xù)性較差，難以實(shí)時(shí)檢測(cè)。超聲波檢測(cè)的方法能夠有效地克服上述缺點(diǎn)。

超聲波檢測(cè)單元為基于超聲波傳感器的檢測(cè)單元。在應(yīng)用時(shí)根據(jù)用戶需要將超聲波檢測(cè)傳感器設(shè)置在局部放電的位置處。在物理學(xué)中，機(jī)械波傳播時(shí)，其在彈性介質(zhì)傳播被分類，即次聲波、聲波以及超聲波，這是按波不同頻率為進(jìn)行的分類。超聲波的物理特性包含聲強(qiáng)、聲壓以及聲阻抗[24]。在開(kāi)關(guān)柜開(kāi)關(guān)柜局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生猛烈的沖擊波，當(dāng)沖擊波傳播到超聲波傳感器時(shí)，超聲波傳感器能夠?qū)⒊曊駝?dòng)信號(hào)變成數(shù)字電信號(hào)。并對(duì)收到的電信號(hào)計(jì)算（比如放大、變換等），示波器可以得到收到其信息（比如信號(hào)波形、到達(dá)時(shí)間等），根據(jù)收到的數(shù)據(jù)信息便可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)柜高壓設(shè)備內(nèi)部局部放電事故進(jìn)行科學(xué)分析，以備后患。但超聲波在傳播過(guò)程中衰減比較嚴(yán)重，會(huì)降低檢測(cè)的靈敏度。

特高頻檢測(cè)單元利用特高頻性能的傳感器檢測(cè)特高頻發(fā)出的電磁波，進(jìn)一步檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜是否有局部放電。該傳感器能夠克服上述兩種傳感器檢測(cè)單元的技術(shù)弊端，能夠處理高頻信息，當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，具有很強(qiáng)的抗噪能力。放電現(xiàn)象發(fā)出的電磁波處于500 MHz ～1500 MHz，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)噪聲不超過(guò) 400 MHz。但是針對(duì)電暈放電時(shí)，特高頻檢測(cè)法的效果無(wú)法發(fā)揮最大，其檢測(cè)實(shí)例如圖7所示。

3 測(cè)試驗(yàn)證及分析

在測(cè)試時(shí)，選擇的操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 2010，64 位。主要開(kāi)發(fā)工具為Visual Studio 2015，OpenCV 3.0。運(yùn)行環(huán)境硬件參數(shù)為CPU：Inter（R）Core（TM）i7;主頻為2.59 GHz;內(nèi)存8 G。實(shí)驗(yàn)中在 Visual Studio 2015 的環(huán)境下利用 C++來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異常圖像的保存，opencv 中提供了 cvSaveImage（）函數(shù)保存采集的圖像，將異常圖像按照檢測(cè)的時(shí)間或者尺寸大小保存在對(duì)應(yīng)文件夾下。再用socket 在其保存的對(duì)應(yīng)文件夾下獲取相應(yīng)的異常圖像，然后傳遞到用戶可隨時(shí)查看的智能移動(dòng)設(shè)備端（包括但不限于平板電腦、智能手機(jī)或PDA）。圖8為攝像頭安裝示意圖。

圖9為開(kāi)關(guān)柜測(cè)試點(diǎn)示意圖，在試驗(yàn)時(shí)，選擇不同的4個(gè)點(diǎn)位置，作為高壓放電試驗(yàn)點(diǎn)。

然后將測(cè)試的波形以局部放電分解圖譜的形式顯示，如圖11所示。

根據(jù)上述測(cè)試，對(duì)4個(gè)不同的采樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，檢測(cè)對(duì)比圖如表1所示。

在圖9中的開(kāi)關(guān)柜中，選擇測(cè)試點(diǎn)A、B、C、D，分別對(duì)A、B、C、D進(jìn)行40次放電試驗(yàn)，分別用超聲波檢測(cè)單元、紅外線檢測(cè)單元和特高頻檢測(cè)單元在安裝旋轉(zhuǎn)攝像頭和未安裝攝像頭的情況下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所示。其中在未使用旋轉(zhuǎn)攝像頭情況下，三種不同檢測(cè)方式檢測(cè)到的正確率為85%以下，而在使用旋轉(zhuǎn)攝像頭測(cè)量放電情況，三種不同檢測(cè)方式檢測(cè)到的正確率為90%以上，可見(jiàn)，在通過(guò)旋轉(zhuǎn)攝像頭監(jiān)控的情況下，檢測(cè)效果更好。

4 結(jié) 論

將圖像采集技術(shù)與傳感器檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜高壓開(kāi)關(guān)柜的局部放電檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)的精度。無(wú)需工作人員在場(chǎng)，便可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程檢測(cè)，電力工作人員只需通過(guò)軟件分析的數(shù)據(jù)即可獲取現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析調(diào)整檢測(cè)措施，大大提高了檢測(cè)工作的安全性。比起傳統(tǒng)方案，本方案節(jié)省了高壓開(kāi)關(guān)柜的維修費(fèi)，減少了設(shè)備突發(fā)事故發(fā)生率，提高了開(kāi)關(guān)柜的整體工作性能穩(wěn)定性，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也為下一步高壓放電的檢測(cè)技術(shù)提供一定的參考價(jià)值。

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