Detecció de descàrrega superficial de l'aislament extern del disjuntor de vacuï a l'exterior basada en la imatge ultraviolada

Els interruptors de circuit amb buit exterior (d'ara endavant anomenats interruptors) són ampliament utilitzats en la xarxa de distribució gràcies a les seves avantatges com el petit volum, el baix pes, la naturalesa ignífuga i antiexplosiva, el funcionament suau, el baix soroll, l'escassa separació del contacte obert, el curt temps d'arc i la facilitat de manteniment. A mesura que la contaminació atmosfèrica es fa cada vegada més greu, en condicions meteorològiques adverses com la boira densa, la bruïna, la condensació o la fusió de gel, és probable que es produeixi una descàrrega parcial (DP) a la superfície de l'aïllador de post de l'interruptor. Això pot arribar fins i tot a provocar flashovers, reduint la vida útil dels interruptors i afectant la operació segura i estable del sistema elèctric.

En aquest article, l'interruptor de circuit de buit exterior ZW32 - 12 montat en post (d'ara endavant anomenat HV ZW32 - 12) serveix com a exemple, sotmès a proves en diverses condicions climàtiques. El procés de descàrrega superficial de l'aïllador de post del ZW32 - 12 s'adquiereix mitjançant un imatger UV, mentre que la quantitat de descàrrega es mesura simultàniament. Després del processament d'imatges de les imatges UV, es treuen paràmetres característics per descriure les característiques d'aquestes imatges. Posteriorment, la quantitat de descàrrega es calcula utilitzant el mètode de màquina de vectors de suport dels mínims quadrats, permetent la calibració de les imatges UV. Això representa una tècnica novel de detecció sense contacte per a la descàrrega parcial dels interruptors.

L'interruptor ZW32 - 12 és un dispositiu de distribució d'energia exterior de tres fases, 50Hz, 12kV AC. Es destina principalment a interrompre i tancar la corrent de càrrega, la corrent de sobrecàrrega i la corrent de curto-circuit. La seva estructura es mostra a la Fig. 1.

Per adquirir simultàniament l'imatge UV de la descàrrega de l'aïllador de post i mesurar la quantitat de descàrrega parcial (DP), s'ha dissenyat un sistema de prova de descàrrega superficial de l'aïllador, tal com es mostra a la Fig. 2. A la Fig. 2, T representa el regulador de tensió, B és el transformador elevador, R₁ és el resistor limitador, i C₂ és el capacitor de couplament, que s'utilitza per a la mostreig de la mesura de DP. 

El transformador utilitzat en el sistema és un model YDWT - 10kVA/100kV, tal com es mostra a la Fig. 3 - a. S'utilitza per generar la font d'alta tensió necessària per a l'aïllador.

S'utilitza un imatger UV Superb OFIL per capturar les imatges UV de la descàrrega superficial de l'aïllador, tal com es mostra a la Fig. 3 - b. La mostra de prova és l'aïllador de post d'un interruptor ZW32 - 12 que ha estat en servei durant tres anys, tal com es mostra a la Fig. 3 - c. La mostra es col·loca dins d'una cambra climàtica artificial on es pot controlar establement l'humitat relativa.

En aquest sistema, s'adopta el mètode de corrent d'impuls per mesurar la quantitat de descàrrega parcial (DP). La consola controla el regulador de tensió i el transformador per generar la tensió desitjada. Posteriorment, la senyal de DP es transmet al detector de DP JFD - 3 a través d'un capacitor de couplament i una impedància de detecció.

Mitjançant humidificació intermitent, l'humitat relativa dins de la cambra climàtica artificial es pot mantenir a un nivell estable. Els aïlladors es sotmeten a una tensió durant dues hores per assegurar-se que estan ben humectats. A continuació, s'aplica una tensió de 12kV a l'aïllador durant 5 minuts. Durant aquest període, es capturen imatges UV i es mesura la quantitat de DP. La distància de captura de l'imatger UV és de 5 metres, amb un angle de 0° i un guany del 110%. Es realitzen proves repetides a cada nivell d'humitat relativa, que va del 70% al 90%, amb un increment de 5%.

 Procés de les imatges UV

L'imatger UV captura un vídeo, per tant, és necessari processar els fotogrames per obtenir els fotogrames successius del vídeo UV per a una anàlisi posterior. Cada fotograma és una imatge de color RGB veritable [3]. La descàrrega superficial de l'aïllador es reflecteix en l'imatge UV com un punt brillant. Quan més intensa sigui la descàrrega superficial, més gran serà l'àrea del punt. Per tant, el pre-processament d'imatges i la segmentació d'imatges són passos essencials per filtrar el fons de la imatge i extreure la part del punt.

Com que els components vermell (R), verd (G) i blau (B) en l'espai de color RGB només indiquen la proporció de colors vermell, verd i blau i no poden representar la lluminositat de la imatge, analitzem cada fotograma en l'espai de color HSL. HSL significa Hue, Saturation i Luminance respectivament. Els components HSL d'un fotograma d'imatge es mostren a la Fig. 4. Segons la Fig. 4, podem determinar que el component H o S no pot diferenciar el punt del fons, mentre que el component L pot fer aquesta discriminació [4].

Com es pot veure a la Fig. 4 - c, el component L de la part del punt és més gran que el del fons. Per tant, la segmentació per llindar és un mètode eficient per extreure la part del punt. La clau està en triar un llindar adequat del component L. Aquí, utilitzem el mètode de llindarització d'Otsu per calcular el llindar del component L [5]. Després d'implementar el codi Matlab per al mètode d'Otsu, es determina que el llindar òptim del component L és 216, i el resultat de la segmentació es presenta a la Fig. 5 - c. És evident que s'ha filtrat el fons, deixant només la part del punt UV.

Com es mostra a la Fig. 5 - c, a més de la part del punt UV, encara hi ha molts punts de soroll petits. Per abordar això, aplicam operacions de morfologia matemàtica amb un element estructural en forma de cercle amb un radi de 4 píxels per eliminar aquests punts de soroll [6]. Després del processament de morfologia matemàtica, el resultat es mostra a la Fig. 5 - d. S'han eliminat tots els punts de soroll, i només queda la part del punt. Definim el nombre de píxels en la part del punt com l'àrea de "facula" d'aquesta imatge UV.

Després de calcular l'àrea de facula per a fotogrames consecutius en un vídeo UV, podem obtenir la corba de l'àrea de facula. La corba de l'àrea de facula a l'85% d'humitat es mostra a la Fig. 6. Com indica la Fig. 6, l'àrea de facula fluctua en un rang petit, amb un punt gran que apareix ocasionalment. Per tant, es defineixen tres paràmetres per caracteritzar la intensitat de la descàrrega: l'àrea mitjana de facula, l'àrea de facula intermitent i el nombre de repeticions de facula intermitent respectivament [7]. Seleccinem 100 fotogrames consecutius després de l'ocurrència de la descàrrega parcial com objectes d'estudi. L'àrea mitjana de facula és la mitjana de les àrees de les facules de 100 fotogrames. L'àrea de facula intermitent és la mitjana de les àrees de les facules que són més grans que l'àrea mitjana de facula, mentre que el nombre de repeticions de facula intermitent és el nombre de facules amb una àrea més gran que l'àrea mitjana de facula. Segons la Fig. 6, l'àrea mitjana de facula és de 665 píxels. L'àrea de facula intermitent és de 902 píxels. El nombre de repeticions de facula intermitent és 32.

Un cop s'han calculat els tres paràmetres característics i s'ha mesurat la quantitat de descàrrega parcial (DP) de manera sincronitzada, intentem determinar la quantitat de DP utilitzant aquests tres paràmetres d'imatge UV a través del mètode de màquina de vectors de suport dels mínims quadrats.

Es seleccionen noranta mostres de vídeos UV. Per a cada fotograma d'aquestes mostres, es calculen tres paràmetres d'imatge UV, i la quantitat de descàrrega parcial (DP) corresponent es registra amb el detector de DP JFD3. S'escullen com a arguments d'entrada per a la màquina vectorial l'àrea mitjana de facula, l'àrea de facula intermitent, el nombre de repeticions de facula intermitent i l'humitat relativa. L'argument de sortida és la quantitat de DP. Es selecciona la Funció de Base Radial (RBF) com a funció de nucli. Després de la normalització, es fan servir 80 mostres per a l'entrenament. Tant els paràmetres de nucli com els paràmetres de castig de la màquina vectorial es configuren amb valors per defecte. El resultat de l'entrenament es mostra a la Fig. 7.

Com es mostra a la Fig. 7, per a la majoria de les mostres d'entrenament, l'error comparat amb la quantitat de DP mesurada és relativament petit. No obstant això, per a algunes mostres, l'error supera el 20%. L'Error Quadràtic Mitjà (EQM) es calcula de la següent manera:

Per minimitzar l'Error Quadràtic Mitjà (EQM) del resultat de regressió i millorar la precisió de la màquina vectorial, s'utilitza un algoritme genètic (AG) per optimitzar els paràmetres de nucli i de castig. [8 - 9]

La generació de terminació es configura a 100, i la mida de la població es configura a 20. El procés d'optimització es mostra a la Fig. 8. Com es mostra a la Fig. 8, després de 30 generacions d'evolució, l'EQM disminueix de 0,07 a 0,01, indicant que l'algoritme genètic ha assolit el seu punt òptim. [10] Els paràmetres de nucli i de castig optimitzats són 0,2861 i 82,65 respectivament.

Després d'optimitzar els paràmetres utilitzant l'algoritme genètic (AG), es reentrena la mateixa mostra de 80, i el resultat de la regressió es presenta a la Fig. 9. Com es pot veure a la Fig. 9, gairebé totes les mostres presenten un error molt petit en comparació amb la quantitat de descàrrega parcial (DP) mesurada. L'Error Quadràtic Mitjà (EQM) ara és 10, que és significativament menor que el valor de 80 abans de l'optimització dels paràmetres. Per tant, és evident que optimitzar els paràmetres de l'AG pot reduir eficacement l'EQM del resultat de regressió i millorar la precisió de la màquina vectorial.

Les últimes 10 mostres es fan servir per realitzar una prova del model. Els resultats de la regressió es presenten a la Taula 1. Es pot observar clarament que l'error entre els resultats de la regressió i la quantitat real de descàrrega parcial (DP) és inferior al 6,1%. Aquesta troballa indica que el model entrenat demostra una excelente capacitat de generalització.

La tecnologia d'imaging UV s'utilitza per detectar la descàrrega superficial de l'aïllador de post dels interruptors de circuit amb buit exterior. La relació entre l'àrea de facula en les imatges UV i la quantitat de descàrrega parcial es explora mitjançant el mètode de màquina de vectors de suport dels mínims quadrats, oferint un nou enfocament per al diagnòstic de falles d'aïllament en interruptors de circuit amb buit exterior basat en imaging ultraviolat.

A. Processament d'imatges i definició de paràmetres

Després de realitzar la segmentació per llindar del component L i les operacions de morfologia matemàtica en les imatges UV, es treu la part del punt de la imatge UV, permetent el càlcul de l'àrea de facula. Es defineixen tres paràmetres per quantificar la intensitat de la descàrrega: l'àrea mitjana de facula, l'àrea de facula intermitent i el nombre de repeticions de facula intermitent.

B. Adquisició de dades i anàlisi

Un cop s'han capturat els vídeos UV i s'ha mesurat la quantitat de descàrrega parcial (DP) de manera sincronitzada, s'utilitzen l'humitat relativa i els tres paràmetres característics de les imatges UV com a variables d'entrada. A través de l'anàlisi de regressió mitjançant la màquina de vectors de suport dels mínims quadrats, juntament amb l'optimització dels paràmetres de nucli utilitzant un algoritme genètic (AG), es pot determinar amb precisió la quantitat de DP.

C. Precisió diagnòstica i significació

Realitzant l'anàlisi de regressió per establir la relació entre la quantitat de descàrrega superficial de l'aïllador i l'àrea de facula de la seva imatge UV, es troba que la quantitat de DP diagnosticada només a partir de les imatges UV té un error inferior al 6% en comparació amb la quantitat de DP mesurada. Aquest nivell de precisió compleix els requisits de les aplicacions pràctiques i proporciona un nou mètode no invasiu per al diagnòstic de falles d'aïllament extern en interruptors de circuit amb buit exterior basat en imaging ultraviolat.

Aquesta recerca ha estat finançada per la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina i el Laboratori Estatal Clau de Material d'Aïllament i Equipament Elèctric. Els autors volen expressar la seva sincera gratitud a totes aquelles persones que han proporcionat suport per a aquest projecte.