10 kV 中壓配電網局部放電紫外檢測系統設計

白?卓

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，甘肅蘭州 730030）

隨著配電網絡技術的發展，電力設備的電壓不斷升高，對設備絕緣性能提出了更高的要求。電力設備發生局部放電的主要原因有電極/絕緣表面缺陷、導體外絕緣破損/老化。在電場作用下，僅有局部絕緣被放電的情況，被破壞的部分會發生局部放電，在被氣體圍繞的導線周圍發生的局部放電稱為電暈。局部放電可以在導線的邊沿或絕緣層的內部或表面上產生，在物體表面的局部放電，稱為表面的局部放電，而在物體內部的局部放電稱為內部的局部放電。如果不能及時地解決局部放電問題，將會造成絕緣最終破裂，嚴重時會對電力設備造成毀滅性傷害。為避免這種事故的發生，必須對電力設備的局部放電進行實時檢測。

皮昊書[1]等人提出了基于光纖傳感技術的局部放電監測方法，使用相敏光時域反射儀可以及時判斷中間接頭的絕緣狀況，通過檢測干涉信號，能夠得到電纜中間接頭局部放電信號的相關信息，進而判斷局部放電的位置與數值大??；關少平[2]等人提出了基于聯合檢測的局部放電方法，將脈沖電流法與特高頻聯合檢測方法相結合，能夠檢測局部放電位置。雖然使用上述這兩種方法能夠判定局部放電的嚴重程度，但是容易受到一次回路干擾影響，導致檢測結果不精準。為此，設計了10 kV 中壓配電網局部放電紫外檢測（UV 檢測）系統，該系統在檢測過程中與一次回路完全隔離，避免干擾因素影響檢測結果。

1 系統硬件結構設計

以SIM32 開發板為基礎，設計一個低功耗、高便攜性、實時人機交互、可視化的紫外信號檢測系統，其硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

采用紫外傳感器和紫外光敏管對電力設備參數進行采集[3]；GPS 定位模塊可以精確地確定線路的位置；通過LCD、報警系統，操作人員可以方便、準確地了解電器的工作狀況[4]；使用高精度A/D 轉換器把模擬信號轉化成數字信號，并將數據傳送給監控中心，經過運算、分析后顯示檢測結果。

1.1 紫外光敏管

從光電發射角度出發，利用紫外光敏管將電壓加到光敏管正負電極上，從而在兩極之間形成一個電場[5]。在一定波長范圍內，紫外光敏管接收特定波長的紫外線，并在一定能量下產生光輻射，從而迅速形成電子繁流放電。紫外光敏管結構如圖2所示。

圖2 紫外光敏管結構

紫外光敏管的工作原理為：在光電管的正負電極間施加一個電壓，就會產生一個電場[6]。因紫外光的能量大于其釋放功，因此會產生光輻射，導致光電子逸出[7]。紫外光敏管在紫外線照射下，其釋放的金屬光產生發光效應，使其與周圍的氣體分子高速撞擊，使之電離為正離子和電子。離子化的電子會受到電場的加速作用，并將其他氣體分子以強大的能量帶入陽極[8]。同時，在電離狀態下，氣體分子所生成的正、負離子也會受電磁場作用而與光陰極發生碰撞，從而產生更多的電子。這種效應會導致陽極和光電陰極間產生大量的電流，導致大量放電現象的產生。利用在不同入射光強時所生成的脈沖頻率（脈沖間隔），可以從背景噪音中辨識出有用的信號[9-10]。若放電頻率較低，則應予以消除；若脈沖數目超過某一特定數值，則為局部放電信號[11]。

1.2 紫外成像儀

紫外成像儀是一種用于監控電源設備的局部放電的設備，它在局部電壓應力超過臨界值時，會產生電暈、閃絡或電弧。特別是在高壓電器中，由于設計、制造、安裝和維護不當，容易產生電暈、閃絡或電弧。在放電過程中，大氣中的電子不斷地吸收和釋放能量，并在放電時釋放出紫外光，這個過程會產生一小部分熱量，這些熱量通常無法被紅外探測到[12]，因此，使用紫外成像儀。

1.3 GPS定位模塊

GPS 定位模塊由北斗通信系統和北斗天線組成，用于接收北斗衛星所發的北斗短消息，并將其解析為局部放電信號，其結構如圖3 所示。

圖3 GPS定位模塊結構

北斗通信系統是把局放信號轉化成北斗短報文，而北斗天線則是把北斗短報文傳送到北斗衛星[13]。

2 軟件部分設計

2.1 紫外檢測流程設計

設計基于多線程的紫外檢測系統軟件，主線程的任務是響應用戶接口[14]。數據采集線程用于采集紫外放電信號，數據采集完成后，將信息傳送給主線程以進行圖像顯示，圖4 所示為紫外檢測的整個流程。

圖4 紫外檢測流程

系統中的自動主線程模塊將圖像數據自動存儲到內存中，然后通過內存直接讀取和寫入，提高了數據的收集速度[15]。程序打開紫外線探測設備的文件，啟動計時器。在定時器中，通過脈沖計讀取紫外脈沖的時間，并把所得到的測試結果和相關的測量信息發送給主線程進行處理，從而達到紫外檢測的目的。

2.2 基于紫外線成像的局部放電定位

圖像融合主要針對局部放電故障進行檢測，利用紫外影像中的亮點判斷放電區域，并將其定位到融合影像中。該過程中，最容易出現的是高斯噪聲，為了去除高斯噪聲，提出了一種利用濾波窗進行圖像處理的方法。過濾窗的中點為中心，其權重最大，離中心越近，權重就越大[16]。將每個點的灰度與其權重相乘再相加，最終將經處理的圖像點相加，以此作為濾波結果，計算過程如下。

假設紫外成像的圖像點坐標為O(a,b)，以該點坐標作為中心，按照n×n窗口進行圖像點排序，由此計算任意點與中值的距離，公式為：

式中，Q(x1,x2)表示任意點坐標；Q(x3,x4)表示中值點坐標。

由于圖權值大小與距離呈負相關性，所以各個坐標點分配的權值可表示為：

從上述公式中可以看出，中值點權值越大，式（2）計算結果就越小，從而可以抑制紫外成像中包含的高斯噪聲。

在抑制噪聲數據支持下，基于紫外線成像的局部放電定位過程如下。

步驟一：將紫外線影像轉化成0～255 的灰度值，并對其進行二值化處理。

步驟二：在二值圖的邊緣檢測中，采用3×3 的高斯平滑模板。

使用Canny 邊緣檢測算子進行邊緣檢測時，應先計算算子水平方向Gx和垂直方向Gy的參數[17-18]，公式為：

通過上述公式計算梯度后會得到梯度幅度和角度值。在獲取上述全部數值后，遍歷圖像像素點，去除所有非邊緣點。如果這個點是梯度方向上的局部最大值，則應保留該點，否則抑制該點。通過雙閾值定義邊緣，如果與強邊緣直接相連，那么該邊緣處理結果為邊緣；如果與強邊緣不能直接相連，那么該邊緣處理結果為弱邊緣，并將其抑制。

步驟三：通過邊緣檢測可以獲得各封閉區域的面積，從而判斷出各封閉區域的失效范圍。選擇的影像大小為300×180，斑點面積超過整個影像0.5%的區域為失效區，斑點面積大的部分為失效點，其余可以忽略。

步驟四：利用紫外影像獲取的邊緣點坐標對融合影像中的斷層進行定位，并對其位置及程度進行明確判斷，由此完成配電網局部放電紫外檢測。

3 實 驗

3.1 缺陷環境及原因分析

2020 年9 月10 日，某供電公司配電室內帶電測試小組在圖像探測中發現，10 kV 279 線##40 極A 相絕緣子放電。檢查人員在檢修中發現，在絕緣導線與絕緣體的接觸處，有一處絕緣層被破壞，從而確定了絕緣導線的絕緣破裂后，導體芯對環狀電極放電，并進行了相應的測試。除了絕緣子和避雷器的表面被污染，沒有發現任何其他的異常現象。

3.2 局部放電實際數據統計

在上述現象下的局部放電時域波幅值如表1所示。

表1 局部放電時域波實際幅值

由表1 可知，在實際局部放電時域波幅值變化范圍內，時域波幅值上下波動幅度較大，設0.18 dB為一個結點，將超過這個結點的值視為峰值點。在實際波動幅值中，超過0.18 dB 的峰值出現了兩次。

3.3 實驗結果與分析

局部放電會出現時域波，為了驗證10 kV 中壓配電網局部放電紫外檢測系統設計的合理性，將該系統與基于光纖傳感技術的局部放電監測方法、基于聯合檢測的局部放電方法進行對比，分析局部放電時域波幅度變化情況，如圖5 所示。

由圖5（a）可知，隨著頻率的增加，局部放電時域波幅值最大值為0.19 dB，且超過0.18 dB 的峰值只有一個；由圖5（b）可知，隨著頻率的增加，局部放電時域波幅值最大值為0.25 dB，且超過0.18 dB 的峰值出現了三次；由圖5（c）可知，隨著頻率的增加，局部放電時域波幅值最大值為0.25 dB，且超過0.18 dB 的峰值出現了兩次。

圖5 不同方法檢測時域波幅值

通過上述分析結果可知，只有使用紫外檢測技術檢測的局部放電時域波幅值與實際情況基本一致，說明使用該方法設計的系統具有精準的檢測結果。

4 結束語

通過設計10 kV 中壓配電網局部放電紫外檢測系統獲得紫外放電圖像，使用濾波窗口去除高斯噪聲，再結合Canny 邊緣檢測方法可對經過處理后的紫外圖像進行局部放電定位。局部放電紫外檢測系統易于對高壓設備進行無線組網檢測，可廣泛應用于電力紫外裝置檢測。