變電站高壓電氣設(shè)備局部放電檢測方法研究

包士杰

摘? ?要：在變電站系統(tǒng)中，高壓電氣設(shè)備是否正常運行關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的安全性、可靠性。針對電壓電氣設(shè)備局部放電的問題，提出了實時檢測局部放電的方法，并設(shè)計出整套電氣設(shè)備局部放電檢測系統(tǒng)。采用監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測變電站現(xiàn)場檢測狀況，通過旋轉(zhuǎn)攝像頭實時變換立體空間實現(xiàn)變電站檢測的視頻、圖像采集，并基于結(jié)合 Sobel 算子的四幀差分法算法對所采集到的視頻、圖像分析。根據(jù)存在的不同問題，選擇比如紅外線檢測單元、超聲波檢測單元和特高頻檢測單元的不同檢測單元，從而實現(xiàn)電氣設(shè)備局部放電的高精度、實時檢測。通過試驗，比起不采用旋轉(zhuǎn)攝像頭檢測的情況，設(shè)計的技術(shù)方案檢測精度更高，大大提高了設(shè)備的安全性，降低了維修成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：變電站;局部放電;檢測單元;旋轉(zhuǎn)攝像頭;四幀差分法算法

中圖分類號：TP24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

Research on Partial Discharge Detection Method

for High Voltage Electrical Equipment in Substation

BAO Shi-jie

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology，Huainan， Anhui 232001， China）

Abstract：In the substation system，whether the high-voltage electrical equipment is in normal operation or not is related to the safety and reliability of the entire power system. A method for detecting partial discharge in real time is proposed for the problem of partial discharge of voltage electrical equipment，and a complete partial discharge detection system for electrical equipment is designed. This paper monitors the on-site detection status of the substation by using the monitoring system，and realizes the video and image acquisition of the substation detection by rotating the camera in real time to transform the three-dimensional space，and the collected videos and images are analyzed based on the four-frame difference method algorithm combined with Sobel operator，according to different problems，different detection units such as an infrared detecting unit，an ultrasonic detecting unit and an ultra high frequency detecting unit are selected，thereby the detection of partial discharge of electrical equipment is achieved with high precision and real-time. Through experiments，compared with the case of not using the rotating camera detection，the technical scheme designed has higher detection accuracy，which greatly improves the safety of the equipment，and the maintenance cost is reduced，the economic benefits of the enterprise is improved.

Key words：substation;partial discharge;detection unit;rotating camera;four-frame difference method

在變電站系統(tǒng)中，局部放電是高壓電力設(shè)備絕緣劣化的主要原因之一[1-4]，在高壓電場的作用下設(shè)備缺陷處發(fā)生局部的、重復(fù)的放電通常叫做局部放電[5-8]。局部放電對變電站高壓電氣設(shè)備的絕緣體具有致命性的破壞，通常表現(xiàn)為：

1.由于局部放電攜帶高能量的帶電粒子飛速

四散，帶電粒子將猛烈沖撞電氣設(shè)備的絕緣材料，長期沖撞將使絕緣材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)變異，絕緣材料劣蛻，絕緣性能降低;

2.引起電氣設(shè)備絕緣材料局部溫度過高，局部升高過快，導(dǎo)致絕緣材料碳化、氧化;

3.造成工作現(xiàn)在的潛在危害，由于是高壓放

電，工作人員長期在高壓漏電的環(huán)境下工作，無法保證自身安全，嚴重時會危及生命。

因此如果不加強避免高壓電氣設(shè)備局部放電現(xiàn)象，將導(dǎo)致加速劣化絕緣材料，進而使局部放電現(xiàn)象更加惡化，造成不可預(yù)測的潛在危險[9-13]。局部放電主要表現(xiàn)為材料表面放電、電暈放電和懸浮放電[14]。由于放電類型不同，就需要選擇合適的檢測方式，提高檢測精度，這對提高電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性具有較高的理論意義和實用價值[15]。

1? ?系統(tǒng)整體設(shè)計方案

將圖像處理與檢測方式選擇相結(jié)合，實現(xiàn)局部放電的精準(zhǔn)檢測，如圖1所示。本系統(tǒng)在檢測漏電時，在現(xiàn)場安裝監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測變電站現(xiàn)場檢測狀況。同時在現(xiàn)場設(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，使用高清工業(yè)CCD攝像頭，將拍攝的圖片通過Internet傳遞到PC，采集不同角度的電氣設(shè)備圖像，使用戶遠程操控現(xiàn)場檢測情況。在檢測現(xiàn)場，設(shè)置LED點陣矩陣背光源，為工作現(xiàn)場提供光照度，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采集到的圖像進行分析，根據(jù)存在的不同問題，選擇不同類型的檢測單元，比如紅外線檢測單元、超聲波檢測單元和特高頻檢測單元，檢測單元檢測到的數(shù)據(jù)通過DSP計算單元進行計算，本系統(tǒng)可以采用TI公司DSP芯片TMS320C6203B和ADS5422實現(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，供PC機識別、應(yīng)用。計算結(jié)果傳遞到PC端，從而實現(xiàn)電氣設(shè)備局部放電的高精度、實時檢測。在PC端通過診斷設(shè)備診斷檢測結(jié)果，顯示單元將檢測結(jié)果顯示給用戶分析、研究。檢測結(jié)果也可以通過無線發(fā)射的方式傳遞給PDA、智能手機或者平板電腦等智能設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時分享。在PC客戶端的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)的方式遠程傳遞到中央控制中心，供更高一級的管理系統(tǒng)使用并發(fā)布指令。

2? ?局部放電檢測方案設(shè)計

基于旋轉(zhuǎn)攝像頭拍攝現(xiàn)場圖片，將拍攝圖上傳至PC機像分析結(jié)果，根據(jù)圖像分析能夠快速、精準(zhǔn)地判斷放電位置，再結(jié)合超聲波檢測單元、紅外線檢測單元和特高頻檢測單元“三位一體”的檢測方式，有效地測出高壓電氣設(shè)備局部放電情況，供變電站工作人員掌握最新的放電情況，下面對檢測方法做詳細說明。

2.1? ?基于旋轉(zhuǎn)攝像頭的圖像采集設(shè)計

采用Xilinx FPGA進行動態(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)儲存單元、VGA顯示驅(qū)動單元。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進行數(shù)據(jù)存儲，顯示圖像窗口尺寸為320x240，實施立體圖像無死角圖像采集。其中攝像頭配置為采用SCCB協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，SCCB也稱為I2C總線。PC接收到攝像機收到的圖片時，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)啟動哪些傳感器。在分析圖像時，首先對采集到視頻圖像的序列中連續(xù)的兩幀圖像做差分運算，這樣可以獲取現(xiàn)場傳感器（超聲波檢測單元、紅外線檢測單元或特高頻檢測單元中）的運動輪廓。當(dāng)在監(jiān)控過程中出現(xiàn)異常物體運動時，相鄰的兩幀圖像之間會出現(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值，進一步判斷該絕對值是否大于設(shè)定的閾值，從而分析所采集到傳感器的運動特征。下面結(jié)合圖2和算法公式進一步說明。

四幀差分算法的基本流程如下：

在進行四幀差分法運算時，它是對連續(xù)的四幀圖像進行相應(yīng)的差分運算，得到前景目標(biāo)。四幀差分法是在三幀差分算法的基礎(chǔ)上進行的改進。三幀差分算法對于慢速運動的物體具有較差的計算能力，而四幀差分法運算能夠有效地解決這個問題。在本文應(yīng)用中，通過對旋轉(zhuǎn)攝像頭的特征選擇，可以準(zhǔn)確地判定在哪個點具有高壓放電現(xiàn)象，而后通過PC發(fā)布命令。

2.2? ?檢測單元的檢測、定位

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

紅外線檢測單元檢測主要采用紅外線傳感器基于紅外熱成像檢測方法對發(fā)熱部位進行的檢測，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發(fā)熱位置檢測，比起其他傳感器對發(fā)熱位置檢測更準(zhǔn)確。該檢測方法不僅直觀、檢測靈敏度較高，使得用戶能夠快速從檢測位置獲取檢測數(shù)據(jù)。其不僅能夠測量高壓放電，還能夠基于紅外測距的方式獲取檢測距離，即放電距離。其結(jié)構(gòu)外形圖如圖4所示。

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

紅外線檢測雖然有諸多優(yōu)點，但是檢測的持續(xù)性較差，難以實時檢測。在此，又附加超聲波檢測的方法能夠有效地克服上述缺點。

超聲波檢測單元為基于超聲波傳感器的檢測單元。在應(yīng)用時根據(jù)用戶需要將超聲波檢測傳感器設(shè)置在局部放電的位置處。在物理學(xué)中，機械波傳播時，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行的分類。超聲波的物理特性包含聲強、聲壓以及聲阻抗。在變電站電氣設(shè)備局部放電時，會產(chǎn)生猛烈的沖擊波，當(dāng)沖擊波傳播到超聲波傳感器時，超聲波傳感器將根據(jù)電學(xué)壓電原理將超聲振動信號變成數(shù)字電信號。并對收到的電信號計算（比如放大、變換等），示波器可以得到收到其信息（比如信號波形、到達時間等），根據(jù)收到的數(shù)據(jù)信息便可實現(xiàn)變電站高壓設(shè)備內(nèi)部局部放電事故進行科學(xué)分析，以備后患。但超聲波在傳播過程中衰減比較嚴重，會降低檢測的靈敏度。

特高頻檢測單元利用特高頻性能的傳感器檢測特高頻發(fā)出的電磁波，進一步檢測電氣設(shè)備是否有局部放電。該傳感器能夠克服上述兩種傳感器檢測單元的技術(shù)弊端，能夠處理高頻信息，當(dāng)發(fā)生局部放電時，具有很強的抗噪能力。放電現(xiàn)象發(fā)出的電磁波處于500 MHz ～1500 MHz，檢測現(xiàn)場噪聲不超過 400 MHz。但是針對電暈放電時，特高頻檢測法的效果無法發(fā)揮最大。上述三種檢測方式相得益彰。因此，用戶根據(jù)使用環(huán)境來選擇使用。其檢測實例如圖7所示。

3? ?測試驗證及分析

在測試時，選擇的操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 2010，64 位。主要開發(fā)工具為Visual Studio 2015，OpenCV 3.0。運行環(huán)境硬件參數(shù)為CPU：Inter（R）Core（TM）i7;主頻為2.59GHz;內(nèi)存8G。實驗中在 Visual Studio 2015 的環(huán)境下利用 C++來實現(xiàn)對異常圖像的保存，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的時間或者尺寸大小保存在對應(yīng)文件夾下。而后再用過 socket 在其保存的對應(yīng)文件夾下獲取相應(yīng)的異常圖像傳遞到用戶可隨時查看的智能移動設(shè)備端（包括但不限于平板電腦、智能手機或PDA）。圖8為攝像頭安裝示意圖。

圖9為電氣設(shè)備測試點示意圖，在試驗時，選擇不同的4個點位置，作為高壓放電試驗點。

根據(jù)上述測試，對4個不同的采樣點進行對比分析，檢測對比圖如表1所示。

圖9中的電氣設(shè)備中，選擇測試點A、B、C、D，分別對A、B、C、D進行40次放電試驗，分別用超聲波檢測單元、紅外線檢測單元和特高頻檢測單元在安裝旋轉(zhuǎn)攝像頭和未安裝攝像頭的情況下進行測試。測試結(jié)果見表1所示。其中在未使用旋轉(zhuǎn)攝像頭情況下，三種不同檢測方式檢測到的正確率為85%以下，而在使用旋轉(zhuǎn)攝像頭測量放電情況，三種不同檢測方式檢測到的正確率為90%以上，可見，在通過旋轉(zhuǎn)攝像頭監(jiān)控的情況下，檢測效果更好。

4? ?結(jié)? ?論

將圖像采集技術(shù)與傳感器檢測技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)變電站高壓電氣設(shè)備的局部放電檢測，大大提高了檢測的精度。無需工作人員在場，便可實現(xiàn)實時遠程檢測，電力工作人員只需通過軟件分析的數(shù)據(jù)即可獲取現(xiàn)場檢測情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析調(diào)整檢測措施，大大提高了檢測工作的安全性。比起傳統(tǒng)方案，本方案使高壓電氣設(shè)備的維修費用節(jié)約了 50%～80%，設(shè)備突發(fā)事故減少 85%以上，變電站的整體工作性能穩(wěn)定性提高了80%以上，具有極好的經(jīng)濟效益和社會效益，也為下一步高壓放電的檢測技術(shù)提供一定的參考價值。

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