كشف التفريغ السطحي للعزل الخارجي لقواطع الدائرة الفراغية الخارجية بناءً على التصوير فوق البنفسجي

يُستخدم المفاتيح الكهربائية الخارجية ذات الفراغ (والتي ستشير إليها كـ "المفاتيح" فيما بعد) بشكل واسع في شبكة التوزيع بسبب مزاياها مثل الحجم الصغير والوزن الخفيف ومكافحة الحرائق والانفجارات والعمل السلس والضوضاء المنخفضة والفجوة الصغيرة للاتصال المفتوح وزمن القوس القصير والصيانة السهلة. مع زيادة تلوث الهواء، في ظروف الطقس السيئة مثل الضباب الكثيف أو الغبار أو الندى أو ذوبان الجليد، من المحتمل حدوث تفريغ جزئي (PD) على سطح العازل العمودي للمفتاح. يمكن أن يؤدي هذا حتى إلى الانفجارات، مما يقلل من عمر الخدمة للمفاتيح ويؤثر على التشغيل الآمن والاستقرار لنظام الطاقة.

في هذا البحث، يتم استخدام المفتاح ZW32 - 12 ذو الفراغ عالي الجهد المثبت خارجياً على الأعمدة (ويشار إليه فيما بعد بـ "مفتاح ZW32 - 12 عالي الجهد") كمثال، حيث يتم اختباره في ظروف مناخية مختلفة. يتم التقاط عملية التفريغ السطحي لعازل العمود لمفتاح ZW32 - 12 بواسطة كاميرا الأشعة فوق البنفسجية، بينما يتم قياس كمية التفريغ في الوقت نفسه. بعد معالجة الصور للأفلام الأشعة فوق البنفسجية، يتم استخراج المعلمات المميزة لوصف ميزات هذه الصور. ثم يتم حساب كمية التفريغ باستخدام طريقة آلة المتجهات الداعمة بأقل مربعات، مما يسمح بمعايرة الصور الأشعة فوق البنفسجية. وهذا يمثل تقنية جديدة لا تتطلب الاتصال للكشف عن التفريغ الجزئي للمفاتيح.

مفتاح ZW32 - 12 هو جهاز توزيع كهربائي خارجي ثلاثي الأطوار بتردد 50 هرتز وجهد 12 كيلوفولت متناوب. يتم استخدامه بشكل أساسي لقطع وإغلاق تيار الحمل وتوفير الحماية ضد تيار الحمل الزائد وتوفير الحماية ضد تيار القصر. يتم توضيح هيكله في الشكل 1.

للتقطيع المتزامن لصورة الأشعة فوق البنفسجية للتفريغ السطحي للعازل ولقياس كمية التفريغ الجزئي (PD)، تم تصميم نظام اختبار التفريغ السطحي للعازل كما هو موضح في الشكل 2. في الشكل 2، يمثل T المعدل للجهد، B هو المحول المرتفع الجهد، R₁ هو المقاوم الحدودي، وC₂ هو المكثف المزدوج المستخدم لأخذ عينات القياس PD.

المحول المستخدم في النظام هو نموذج YDWT - 10kVA/100kV كما هو موضح في الشكل 3-أ. يتم استخدامه لإنتاج مصدر الجهد العالي المطلوب للعازل.

يتم استخدام كاميرا الأشعة فوق البنفسجية OFIL Superb لالتقاط صور الأشعة فوق البنفسجية للتفريغ السطحي للعازل كما هو موضح في الشكل 3-ب. العينة المعروضة هي العازل العمودي من مفتاح ZW32 - 12 والذي كان في الخدمة لمدة ثلاث سنوات كما هو موضح في الشكل 3-ج. يتم وضع العينة داخل غرفة المناخ الصناعية حيث يمكن التحكم بمستوى الرطوبة النسبية بشكل مستقر.

في هذا النظام، يتم استخدام طريقة التيار النبضي لقياس كمية التفريغ الجزئي (PD). يقوم لوحة التحكم بتوجيه المعدل للجهد والمحول لإنتاج الجهد المطلوب. ثم يتم نقل إشارة PD إلى جهاز اكتشاف PD JFD - 3 عبر مكثف مزدوج ومقاومة الاكتشاف.

من خلال الترطيب المتقطع، يمكن الحفاظ على الرطوبة النسبية داخل غرفة المناخ الصناعية عند مستوى مستقر. يتم تعريض العوازل للجهد لمدة ساعتين لضمان رطوبتها بشكل كامل. ثم يتم تطبيق جهد 12 كيلوفولت على العازل لمدة 5 دقائق. خلال هذه الفترة، يتم التقاط صور الأشعة فوق البنفسجية وقياس كمية التفريغ. تكون المسافة بين الكاميرا والأجسام 5 أمتار، وبزاوية 0° ومكسب 110٪. يتم إجراء الاختبارات المتكررة في كل مستوى من مستويات الرطوبة النسبية التي تتراوح من 70٪ إلى 90٪ بخطوات متدرجة بواقع 5٪.

معالجة صور الأشعة فوق البنفسجية

تلتقط كاميرا الأشعة فوق البنفسجية فيديو، لذا يكون من الضروري معالجة الإطارات للحصول على إطارات متتالية من الفيديو الأشعة فوق البنفسجية لتحليلها بشكل أعمق. كل إطار صورة هو صورة بالألوان الحقيقية RGB [3]. يتم عكس التفريغ السطحي للعازل على صورة الأشعة فوق البنفسجية كبقعة مضيئة. كلما زاد شدة التفريغ السطحي، زادت مساحة البقعة. لذلك، تعتبر خطوات ما قبل المعالجة والتقطيع الصوري ضرورية لتصفية خلفية الصورة واستخراج الجزء المضيء منها.

نظرًا لأن المكون الأحمر (R) والمكون الأخضر (G) والمكون الأزرق (B) في فضاء الألوان RGB يشير فقط إلى نسبة الألوان الحمراء والخضراء والأزرق ولا يمكنه تمثيل سطوع الصورة، فإننا نقوم بتحليل كل إطار صورة في فضاء الألوان HSL. HSL يشير إلى اللون والتشبع والإضاءة على التوالي. يتم عرض مكونات HSL لإطار صورة في الشكل 4. بناءً على الشكل 4، يمكننا تحديد أن مكون H أو S غير قادر على تمييز البقعة عن الخلفية، بينما يمكن لمكون L القيام بذلك [4].

كما يمكن رؤيته من الشكل 4-ج، فإن مكون L للجزء المضيء أكبر من ذلك للخلفية. لذلك، يعتبر التقطيع بالعتبة طريقة فعالة لاستخراج الجزء المضيء. يكمن الأمر الأساسي في اختيار عتبة مكون L المناسبة. هنا، نستخدم طريقة عتبة Otsu لحساب عتبة مكون L [5]. بعد تنفيذ ترميز Matlab لطريقة Otsu، تم تحديد العتبة المثلى لمكون L لتكون 216، وتم تقديم نتيجة التقطيع في الشكل 5-ج. من الواضح أن الخلفية قد تم تصفية، مع ترك الجزء المضيء فقط من الأشعة فوق البنفسجية.

كما هو موضح في الشكل 5-ج، بالإضافة إلى الجزء المضيء من الأشعة فوق البنفسجية، لا يزال هناك العديد من النقاط الضوضائية الصغيرة. لحل هذه المشكلة، نطبق عمليات الشكل الرياضي مع عنصر بناء دائري نصف قطره 4 بكسل لإزالة هذه النقاط الضوضائية [6]. بعد معالجة الشكل الرياضي، يتم عرض النتيجة في الشكل 5-د. تم إزالة جميع النقاط الضوضائية، ويبقى الجزء المضيء فقط. نحدد عدد البكسلات في الجزء المضيء باسم "مساحة الفقاعة" لهذه الصورة الأشعة فوق البنفسجية.

بعد حساب مساحة الفقاعة للإطارات المتتالية في فيديو الأشعة فوق البنفسجية، يمكن الحصول على منحنى مساحة الفقاعة. يتم عرض منحنى مساحة الفقاعة بنسبة رطوبة 85٪ في الشكل 6. كما يشير الشكل 6، فإن مساحة الفقاعة تتقلب ضمن نطاق صغير، مع ظهور بقعة كبيرة أحيانًا. لذلك، يتم تعريف ثلاثة معلمات لتوصيف شدة التفريغ: متوسط مساحة الفقاعة، مساحة الفقاعة المتقطعة، وتكرار مرات الفقاعة المتقطعة على التوالي [7]. نختار 100 إطار متتالي بعد حدوث التفريغ الجزئي كموضوعات للدراسة. متوسط مساحة الفقاعة هو متوسط مساحات الفقاعات في 100 إطار. مساحة الفقاعة المتقطعة هي متوسط مساحات الفقاعات التي تكون أكبر من متوسط مساحة الفقاعة، بينما تكرار مرات الفقاعة المتقطعة هو عدد الفقاعات التي تكون مساحتها أكبر من متوسط مساحة الفقاعة. وفقًا للشكل 6، فإن متوسط مساحة الفقاعة هو 665 بكسل. مساحة الفقاعة المتقطعة هي 902 بكسل. تكرار مرات الفقاعة المتقطعة هو 32.

بعد حساب الثلاث معلمات المميزة وقياس كمية التفريغ الجزئي (PD) بشكل متزامن، نحاول تحديد كمية PD باستخدام هذه الثلاث معلمات للصورة الأشعة فوق البنفسجية من خلال طريقة آلة المتجهات الداعمة بأقل مربعات.

تم اختيار 90 عينة من مقاطع الفيديو الأشعة فوق البنفسجية. لكل إطار من هذه العينات، تم حساب ثلاث معلمات للصورة الأشعة فوق البنفسجية، وتم تسجيل كمية التفريغ الجزئي (PD) المقابلة بواسطة جهاز اكتشاف PD JFD3. يتم اختيار الوسيطات للآلة المتجهية كمتوسط مساحة الفقاعة، ومساحة الفقاعة المتقطعة، وتكرار مرات الفقاعة المتقطعة، والرطوبة النسبية. الوسيطة الناتجة هي كمية PD. يتم اختيار دالة الأساس الشعاعي (RBF) كدالة النواة. بعد التطبيع، يتم استخدام 80 عينة للتدريب. يتم ضبط وسيطات النواة ومعاملات العقوبة للآلة المتجهية على القيم الافتراضية. يتم عرض نتيجة التدريب في الشكل 7.

كما هو موضح في الشكل 7، بالنسبة لمعظم عينات التدريب، فإن الخطأ مقارنة بكمية PD المقاسة صغير نسبيًا. ومع ذلك، بالنسبة لبعض العينات، يتجاوز الخطأ 20٪. يتم حساب متوسط مربعات الخطأ (MSE) كما يلي:

لتخفيض متوسط مربعات الخطأ (MSE) لنتيجة الانحدار وتحسين دقة الآلة المتجهية، يتم استخدام خوارزمية الجينات (GA) لتحسين وسيطات النواة ومعاملات العقوبة. [8-9]

يتم تحديد الجيل النهائي إلى 100، وحجم السكان إلى 20. يتم توضيح عملية التحسين في الشكل 8. كما هو موضح في الشكل 8، بعد 30 جيل من التطوير، ينخفض MSE من 0.07 إلى 0.01، مما يشير إلى أن خوارزمية الجينات قد وصلت إلى نقطة الأمثل لها. [10] الوسيطات المحسنة للنواة ومعاملات العقوبة هي 0.2861 و 82.65 على التوالي.

بعد تحسين الوسيطات باستخدام خوارزمية الجينات (GA)، يتم إعادة تدريب نفس العينات 80، ويتم تقديم نتيجة الانحدار في الشكل 9. كما يمكن رؤيته من الشكل 9، فإن معظم العينات تظهر خطأ صغير جدًا عند مقارنتها بكمية التفريغ الجزئي (PD) المقاسة. أصبح متوسط مربعات الخطأ (MSE) الآن 10، وهو أقل بكثير من القيمة 80 قبل تحسين الوسيطات. لذلك، من الواضح أن تحسين وسيطات GA يمكن أن يقلل بشكل فعال من MSE لنتيجة الانحدار وتحسين دقة الآلة المتجهية.

يتم استخدام العينات العشر الأخيرة لإجراء اختبار على النموذج. يتم تقديم نتائج الانحدار في الجدول 1. يمكن ملاحظة بوضوح أن الخطأ بين نتائج الانحدار وكمية التفريغ الجزئي (PD) الفعلية أقل من 6.1٪. هذا يشير إلى أن النموذج المدرب يظهر قدرة تعميم ممتازة.

تُستخدم تقنية التصوير بالأشعة فوق البنفسجية لكشف التفريغ السطحي لعازلات الأعمدة في المفاتيح الكهربائية الخارجية ذات الفراغ. يتم استكشاف العلاقة بين مساحة الفقاعة في صور الأشعة فوق البنفسجية وكمية التفريغ الجزئي من خلال طريقة آلة المتجهات الداعمة بأقل مربعات، مما يقدم طريقة جديدة لتشخيص أعطال العزل في المفاتيح الكهربائية الخارجية ذات الفراغ استنادًا إلى التصوير بالأشعة فوق البنفسجية.

أ. معالجة الصور وتعريف المعلمات

بعد إجراء تقطيع العتبة لمكون L وعمليات الشكل الرياضي على صور الأشعة فوق البنفسجية، يتم استخراج الجزء المضيء من الصورة الأشعة فوق البنفسجية، مما يمكّن من حساب مساحة الفقاعة. يتم تعريف ثلاثة معلمات لتقدير شدة التفريغ: متوسط مساحة الفقاعة، مساحة الفقاعة المتقطعة، وتكرار مرات الفقاعة المتقطعة.

ب. جمع البيانات والتحليل

بعد التقاط مقاطع الفيديو الأشعة فوق البنفسجية وقياس كمية التفريغ الجزئي (PD) بشكل متزامن، يتم استخدام الرطوبة النسبية والثلاث معلمات المميزة للصورة الأشعة فوق البنفسجية كمتغيرات إدخال. من خلال تحليل الانحدار عبر آلة المتجهات الداعمة بأقل مربعات، مع تحسين وسيطات النواة باستخدام خوارزمية الجينات (GA)، يمكن تحديد كمية PD بدقة.

ج. دقة التشخيص وأهميته

من خلال إجراء تحليل الانحدار لتأسيس العلاقة بين كمية التفريغ السطحي للعازل ومساحة الفقاعة في صور الأشعة فوق البنفسجية، تم العثور على أن كمية PD المشخصة فقط من صور الأشعة فوق البنفسجية لديها خطأ أقل من 6٪ مقارنة بكمية PD المقاسة. هذا المستوى من الدقة يلبي متطلبات التطبيقات العملية ويوفر طريقة جديدة غير الغازية لتشخيص أعطال العزل الخارجي في المفاتيح الكهربائية الخارجية ذات الفراغ استنادًا إلى التصوير بالأشعة فوق البنفسجية.

تم تمويل هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية الصينية ومختبر الدولة الرئيسي لأجهزة العزل الكهربائي ومعدات الطاقة. يود المؤلفون أن يعبروا عن شكرهم العميق لجميع الذين قدموا الدعم لهذا المشروع.