基于旋翼無人機的絕緣子憎水性檢測

鄭武略，張富春，翁珠奮，湯杰，黃海，袁鑫

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405)

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基于旋翼無人機的絕緣子憎水性檢測

鄭武略，張富春，翁珠奮，湯杰，黃海，袁鑫

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405)

傳統(tǒng)的絕緣子憎水性檢測采用人工帶電作業(yè)方式，不僅耗時費力，而且存在一定的安全隱患，為此設計了一種基于旋翼無人機的憎水性檢測裝置。利用旋翼無人機搭載的電動噴水裝置、GoPro微型數碼攝像機和圖像傳輸設備，對輸電線路絕緣子進行噴水、拍攝、圖像傳輸等高空操作；然后在地面站通過圖像處理軟件分析絕緣子憎水性等級，其中主觀判別采用噴水分級法，客觀判別采用改進形狀因子法。采用該裝置對4組絕緣子進行憎水性測試，主觀判別與客觀判別所得結果一致。測試效果表明該裝置能提高檢測效率、準確性和安全性。

絕緣子；憎水性；旋翼無人機；噴水分級法；改進形狀因子法

輸電線路中的絕緣子經常會被灰塵等污穢物所污染，當氣候比較濕潤時，絕緣子表面由于附著大量污穢物，導致閃絡電壓降低，甚至在額定工作電壓下都會發(fā)生閃絡，使電網的安全運行受到很大的影響[1]。因此必須檢查輸電線路絕緣子表面的污穢情況，并對污穢進行清除。經研究發(fā)現，絕緣子表面的污垢狀況與其憎水性存在一定的相關性，因此可以根據絕緣子的憎水性強弱來判斷其表面附著污垢的程度。

目前檢測絕緣子憎水性主要采用人工方式，由人爬上鐵塔對絕緣子進行噴水試驗，然后進行圖像采集，最后將采集的照片進行圖像處理，判斷絕緣子的憎水性等級[2]。這種方式費時費力，檢測效率很低，也會因人為因素無法找到污穢的絕緣子[3]。近年來，無人機技術在電網運維中得到了廣泛的應用[4]，為無人機應用于絕緣子憎水性試驗提供了可能。本文設計了一套基于旋翼無人機的憎水性檢測裝置，利用此裝置對輸電線路絕緣子進行憎水性測試，不僅節(jié)省人力，而且可提高檢測效率。

1　常用憎水性評價方法

目前，憎水性檢測方法主要有靜態(tài)接觸角法、噴水分級法和憎水性指示函數法。

1.1靜態(tài)接觸角法

靜態(tài)接觸角法[5-6]是通過測量被測物體表面與水珠的接觸角，以接觸角的大小來反映材料表面憎水特性，靜態(tài)接觸角θt的大小通過接觸角測量儀測量。這種方法操作簡單，可以方便地用于材料表面憎水性等級的評估，但受圖像清晰度和人為干擾的影響較大。

1.2噴水分級法

絕緣子憎水性測試經常使用的方法是噴水分級法。該方法將憎水性分成HC1—HC7共7個等級[7]，其中HC1—HC3為憎水性狀態(tài)，HC4為中間過渡狀態(tài)，HC5—HC7為親水狀態(tài)，表1給出了分級標準。判斷時，要分別從不同的角度仔細觀察絕緣子表面水滴的情況，然后將所觀察到的情形與表1的7種級別特征進行比較，得出憎水等級。噴水分級法可對絕緣子表面的憎水性能進行較為準確的評價。

表1噴水分級法憎水性分級判據

級別絕緣子表面水滴形態(tài)HC1僅形成分離的水珠,大部分水珠θt>80%HC2僅形成分離的水珠,大部分水珠50%<θt≤80%HC3僅形成分離的水珠,水珠不再是圓的,大部分水珠20%<θt≤50%HC4同時存在分離的水珠和水膜,總的水膜覆蓋面積小于被測面積的90%,最大水膜面積小于2cm2HC5總的水膜覆蓋面積小于被測面積的90%,最大水膜面積大于2cm2HC6總的水膜覆蓋面積大于被測面積的90%,有少量的干燥區(qū)域(點或狹窄帶)HC7全部試驗面積上覆蓋了連續(xù)的水膜

1.3憎水性指示函數法

近年來，數字圖像處理技術和相機小型化技術的發(fā)展，為精確和客觀地評價絕緣子表面的憎水性等級提供了新的方法[8]，其中均嫡法和形狀因子法最為典型。

1.3.1均嫡法

均嫡法是一種基于絕緣子憎水性圖像空間灰度信息的統(tǒng)計特征分析方法。設X為采集的憎水性圖像信息，ai為第i個圖像像素值，圖像像素取值范圍A={ai|i=1,2,…,256}。定義像素值出現的自信息量

式中p(ai)為ai在圖像中出現的概率。

對憎水性圖像信息源X中的自信息量取平均值，得X的嫡

(1)

式中m為自取信息量的個數。

由式(1)可知，圖像嫡H(X)越大，圖像X含有的信息就越多，各個灰度級等概率的可能性就越大，絕緣子憎水性越好。

1.3.2改進形狀因子法

改進形狀因子法[9]是結合形狀因子fc和水跡的圖像面積比K來反映絕緣子憎水性的，計算公式為

式中：a為最大水跡面積，b為圖像總面積，c為最大水珠的周長。

相應的分級判據見表2[10]。

表2改進形狀因子法憎水性分級判據

級別K和fcHC1K∈(0,1%),fc∈[0.5,1]HC2K∈[1%,4%),fc∈[0.5,1]HC3K∈[4%,10%),fc∈[0.5,1]HC4K∈[10%,40%),fc∈(0,1]HC5K∈[40%,80%),fc∈[0,1]HC6K∈[80%,95%),fc∈[0,1]HC7K∈[95%,100%],fc∈(0,1)

2　無人機憎水試驗平臺

本文設計的絕緣子憎水檢測裝置由移動端和地面端兩部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。移動端包括六旋翼無人機、遙控電動噴水裝置、圖像拍攝裝置和圖像傳輸設備。地面端包括圖傳接收機、無人機地面監(jiān)視器和憎水性數據處理平臺。

2.1六旋翼無人機

使用無人機平臺來代替人工攀爬操作，檢測效率和安全性會更高。本裝置使用的是TX-60型六旋翼無人機(如圖2所示)，并裝載有遙控電動噴水裝置、圖像拍攝裝置和圖像傳輸設備。首先無人機靠近絕緣子周圍，并由電動噴水裝置進行噴水操作；然后圖像拍攝裝置對絕緣子表面進行實時拍攝，并通過圖像傳輸設備將圖像傳回地面站；最后地面站軟件對拍攝的照片進行處理，判斷憎水性等級。TX-60型六旋翼無人機的性能參數：軸距1 000mm，起飛質量7kg，續(xù)航時間20min，懸停精度垂直±0.5m、水平±2m。

2.2遙控電動噴水裝置

圖3　遙控電動噴水裝置

遙控電動噴水裝置主要由電動抽水泵、噴霧嘴、空心絕緣桿和水箱組成，其外殼由碳纖板制成，示意圖如圖3所示。噴霧嘴固定在空心絕緣桿的桿頭，空心絕緣桿的桿尾與電動抽水泵相連，水箱安裝在噴水裝置的下方，電動抽水泵和水箱通過軟管相連，噴霧器噴嘴可以調節(jié)出水的霧化程度。出水口直徑2mm，水箱容積15L，滿容量質量為2.5kg，空心絕緣桿長1m左右。

水箱的加水操作由自動抽水機完成，操作簡單、方便，示意圖如圖4所示。

圖4　自動抽水機

2.3圖像拍攝裝置

本裝置要求在距離絕緣子2～3m處進行拍攝，并且無人機在空中會發(fā)生抖動，因此需要配備成像質量高的相機。本裝置選用GoPro微型數碼運動攝像機，它具有體積小、像素高的特點。

3　現場測試

利用無人機對絕緣子進行憎水性測試主要采取塔上和地面相結合的工作方式。測試工作共需要2名工作人員，一名工作人員操作無人機靠近絕緣子，并通過地面站的監(jiān)視器觀察絕緣子與無人機的相對位置，實時調整無人機的位置；當無人機處于合適的位置時，撥動噴水開關，遙控電動噴水裝置對絕緣子進行噴水測試。具體噴水方法是：噴水裝置的噴頭距離絕緣子表面1～2m時，撥動噴水裝置的控制開關，每2～3s撥動1次，間斷性撥動5～10次。在噴水過程中，另一名工作人員在地面站對無人機圖像傳輸設備傳回來的圖像進行處理，通過圖像處理軟件分析絕緣子的憎水性等級。憎水試驗的現場操作如圖5所示。

圖5　憎水試驗現場操作

4　數據處理與結果

4.1檢測方法

檢測數據的處理采用2種方式：主觀判別法和客觀判別法。主觀判別法采用瑞典輸電研究所(SwedenTransmissionResearchInstitute，STRI)推出的噴水分級法，利用STRI給出的7個等級的標準圖像，將噴完水后的絕緣子水珠分布圖像與標準圖像進行對比，從而判斷出所屬等級?？陀^判斷法采用改進形狀因子法，計算形狀因子fc和面積比K，根據表2的判別標準對絕緣子的憎水性作進一步的判斷。

4.2檢測結果

使用基于旋翼無人機的憎水性檢測裝置對4組絕緣子進行憎水性測試，所采集的圖片如圖6所示。

圖6　4組絕緣子憎水性測試采集圖像

4.3數據處理

4.3.1主觀判別

主觀判別采用噴水分級法。A組絕緣子的表面同時存在分離的水珠和水膜，憎水性等級屬于HC4；B組絕緣子的表面僅形成分離的小水珠，而且水珠不是圓的，憎水性等級屬于HC3；C組絕緣子的表面只有少量的干燥區(qū)域，且總的水膜覆蓋面積大于被測面積的90%，憎水性等級屬于HC6；D組絕緣子的表面僅形成分離的水珠，憎水性等級屬于HC2。

4.3.2客觀分析

客觀分析采用改進形狀因子法，分別計算4組絕緣子的K和fc值，結果見表3。

由表3可以得出：A、B、C、D組絕緣子的憎水性等級分別為HC4、HC3、HC6、HC2，與主觀分析法得到的結果一致。

表34個樣本的K和fc計算結果

組別K/%fc組別K/%fcA340.7C920.8B70.6D30.5

5　結束語

傳統(tǒng)的絕緣子憎水性檢測主要依靠人工登塔方式進行，工作效率和安全性不高。本文介紹的基于無人機的憎水性檢測裝置，利用無人機代替人工攀爬作業(yè)，提高了操作的安全性；利用無人機搭載的微型數碼運動攝像機和圖像傳輸設備對絕緣子進行拍攝和實時傳送，通過分析軟件對拍攝圖片進行處理，提高了檢測的效率和準確性。

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鄭武略 (1987)，男，湖北宜昌人。助理工程師，工學學士，從事超高壓輸電線路運維工作。

張富春(1982)，男，山東菏澤人。高級工程師，工學碩士，從事超高壓輸電線路運維工作。

翁珠奮(1989)，男，廣東揭陽人。助理工程師, 工學學士，從事超高壓輸電線路運維工作。

(編輯李麗娟)

Detection on Hydrophobicity of Insulator Based on Rotor Unmanned Aerial Vehicle

ZHENG Wulue, ZHANG Fuchun, WENG Zhufeng, TANG Jie, HUANG Hai, YUAN Xin

(Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou, Guangdong 510405, China)

Traditional detection method for hydrophobicity of the insulator adopts artificial charged operation which is not only time-consuming and strenuous but also there are security hidden dangers. Therefore, this paper designs a kind of detection device for hydrophobicity based on rotor unmanned aerial vehicle (UAV) which firstly uses electro-driven water spray device, GoPro micro digital camera and image transmission equipment carried by rotor UAV to conduct high altitude operation for the power transmission line insulator such as water spray, filming, image transmission, and so on. This detection device then uses image processing software to analyze hydrophobicity level of the insulator at the ground station, thereinto it uses water spray classification for subjective discrimination while improved shape factor method for objective discrimination. This device is used for hydrophobicity testing on four groups of insulators. Results of subjective discrimination and objective discrimination are consistent, which indicates that this device is able to improve detection efficiency, veracity and security.

insulator; hydrophobicity; rotor unmanned aerial vehicle; water spray classification; improved shape factor

2016-02-25

2016-04-22

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.022

TM855

B

1007-290X(2016)08-0116-04