Overfladeudløsningssporing af ekstern isolation på udendørs vakuumkredsløbsbryder baseret på ultravioletbilledfrembringelse

Udendørs vakuumkredsløbsafbrydere (der i følge henvist til som afbrydere herunder) anvendes bredt i forsyningsnettet på grund af deres fordele som lille størrelse, let vægt, brand- og eksplosionsbestandighed, jævn drift, lav støj, lille kontaktavstand, kort buevarighed og nem vedligeholdelse. Da atmosfæriske forureninger bliver stadig alvorligere, kan det under dårlige vejrforhold som tåge, dråben, kondensering eller issmeltning opstå partielle udladninger (PD) på overfladen af afbryderens isolatorpost. Dette kan endda føre til flaskehalsudslag, forkorte afbryderens levetid og påvirke den sikre og stabile drift af strømsystemet.

I denne artikel bruges ZW32 - 12 udendørs pælemonteret højspændingsvakuumkredsløbsafbryder (herunder henvist til som HV ZW32 - 12 afbryder) som eksempel, gennemgår test i forskellige klimatiske forhold. Overfladeudladningsprocessen på ZW32 - 12 afbryders isolatorpost optages med en UV-kamera, mens dens udladningsmængde samtidigt måles. Efter billedbehandling af de UV-billeder, extraheres karakteristiske parametre for at beskrive trækene af disse billeder. Herefter beregnes udladningsmængden ved hjælp af mindste kvadraters supportvektor maskinemetode, hvilket gør det muligt at kalibrere de UV-billeder. Dette repræsenterer en ny ikke-kontaktmæssig detektionsteknik for partielle udladninger af afbrydere.

ZW32 - 12 afbryder er en tre-fased, 50Hz, 12kV AC udendørs strømforsyningsenhed. Den anvendes primært til at afbryde og lukke belastningsstrøm, overbelastningsstrøm og kortslutningsstrøm. Dens struktur vises i figur 1.

For at samtidigt optage udladnings-UV-billedet af isolatorposten og måle partielle udladnings (PD) mængden, er et isolatoroverfladeudladningstestsystem designet, som vist i figur 2. I figur 2 repræsenterer T spændingsregulatoren, B er optrappetransformator, R₁ er begrænsende resistor, og C₂ er koblingskapacitoren, der anvendes til at prøvesample PD-måling. 

Transformator, der anvendes i systemet, er en YDWT - 10kVA/100kV model, som vist i figur 3 - a. Den anvendes til at generere den højspænding, der kræves for isolator.

En OFIL Superb UV-kamera anvendes til at optage de UV-billeder af isolatoroverfladeudladning, som vist i figur 3 - b. Prøven er isolatorpost fra en ZW32 - 12 afbryder, der har været i drift i tre år, som vist i figur 3 - c. Prøven placeres i en kunstig klimakammer, hvor relativ luftfugtighed kan kontrolleres stabil.

I dette system anvendes pulscurrentmetoden til at måle partielle udladnings (PD) mængden. Kontrollen kontrollerer spændingsregulatoren og transformator for at generere den ønskede spænding. Herefter transmitteres PD-signal til PD-detektor JFD - 3 via en koblingskapacitance og en detektionsimpedans.

Gennem periodisk fugtiggørelse kan den relative luftfugtighed i den kunstige klimakammer opretholdes på et stabil niveau. Isolatorer udsættes for en spænding i to timer for at sikre, at de er grundigt våde. Derefter anvendes en 12kV spænding på isolator i 5 minutter. Under denne periode optages UV-billeder, og PD-mængden måles. UV-kameraets skudafstand er 5 meter, med en vinkel på 0° og en forstærkning på 110%. Gentagne test udføres på hver relativ luftfugtighedsniveau, der varierer fra 70% til 90%, med en trinoptrapping på 5%.

 Behandling af uv-billeder

UV-kamera optager en video, så rammebehandling er nødvendig for at få successive rammer af UV-videoen til yderligere analyse. Hver billedramme er et RGB farvebillede [3]. Isolatorens overfladeudladning afspejles på UV-billedet som en lys punkt. Jo intensere overfladeudladningen, jo større er punktområdet. Derfor er billedforbehandling og billedsegmentering nødvendige trin for at filtrere billedbaggrunden og udtrække punktdelen.

Da rød komponent (R), grøn komponent (G) og blå komponent (B) i RGB farverum kun angiver farveratiet mellem rød, grøn og blå og ikke kan repræsentere billedets lysstyrke, analyseres hver billedramme i HSL farverum. HSL står for Hue, Saturation og Luminance henholdsvis. HSL komponenterne af en billedramme vises i figur 4. Ifølge figur 4 kan vi konstatere, at H eller S komponent ikke kan skelne punktet fra baggrunden, mens L komponent kan udføre denne diskrimination [4].

Som ses i figur 4 - c, er L komponenten af punktdelen større end den af baggrunden. Derfor er terskelsegmentering en effektiv metode til at udtrække punktdelen. Nøglen ligger i at vælge en passende L komponent terskel. Her anvendes Otsu's terskelmetode til at beregne L komponent terskelen [5]. Efter implementering af Matlab kodning for Otsu's metode, fastsættes den optimale L komponent terskel til 216, og segmenteringsresultatet vises i figur 5 - c. Det er tydeligt, at baggrunden er filtreret bort, kun UV punktdelen er tilbage.

Som vist i figur 5 - c, er der udover UV punktdelen stadig mange små støjpunkter. For at løse dette, anvendes matematisk morfologi operationer med en strukturel enhed i form af en cirkel med en radius på 4 pixels til at fjerne disse støjpunkter [6]. Efter matematisk morfologi behandling, vises resultatet i figur 5 - d. Alle støjpunkter er fjernet, kun punktdelen er tilbage. Vi definerer antallet af pixels i punktdelen som "facula area" af dette UV-billede.

Efter beregning af facula area for consecutive rammer i en UV-video, kan vi få facula area kurve. Facula area kurven ved 85% luftfugtighed vises i figur 6. Som indikeres af figur 6, fluctuerer facula area inden for en lille område, med et stort punkt, der opstår lejlighedsvis. Derfor defineres tre parametre til at karakterisere udladningsintensiteten: middel facula area, intermittente facula area, og gentagelses gange af intermittente facula henholdsvis [7]. Vi vælger 100 consecutive rammer efter forekomsten af partielle udladninger som objekter for studie. Middel facula area er gennemsnittet af arealerne af 100 frames' faculae. Intermittente facula area er gennemsnittet af arealerne af faculae, der er større end middel facula area, mens gentagelses gange af intermittente facula er antallet af faculae med et areal, der er større end middel facula area. Ifølge figur 6 er middel facula area 665 pixels. Intermittente facula area er 902 pixels. Gentagelses gange af intermittente facula er 32.

Når de tre karakteristiske parametre er beregnet, og partielle udladnings (PD) mængden er målt synkront, forsøger vi at bestemme PD mængden ved hjælp af disse tre UV-billedparametre gennem mindste kvadraters supportvektor maskinemetode.

Nioghalvfjerds prover af UV-videoer er valgt. For hver ramme af disse prover, beregnes tre UV-billedparametre, og den tilsvarende partielle udladnings (PD) mængde registreres af JFD3 PD-detektor. Input argumenterne for vektormaskinen vælges som middel facula area, intermittente facula area, gentagelses gange af intermittente facula, og relativ luftfugtighed. Output argumentet er PD mængden. Radial Basis Function (RBF) vælges som kernel funktion. Efter normalisering, anvendes 80 prover til træning. Både kernel parametre og straffeparametre for vektormaskinen sættes til standardværdier. Træningsresultatet vises i figur 7.

Som vist i figur 7, for de fleste træningsprover, er fejlen sammenlignet med den målte PD mængde relativt lille. Dog for nogle prover, overstiger fejlen 20%. Mean Square Error (MSE) beregnes som følgende:

For at minimere Mean Square Error (MSE) af regressionsresultatet og forbedre præcisionen af vektormaskinen, anvendes en genetisk algoritme (GA) til at optimere kernel parametre og straffeparametre. [8 - 9]

Terminationsgenerationen sættes til 100, og populationsstørrelsen sættes til 20. Optimeringsprocessen illustreres i figur 8. Som vist i figur 8, efter 30 generations evolution, falder MSE fra 0.07 til 0.01, hvilket indikerer, at genetiske algoritmen har nået sin optimale point. [10] De optimale kernel og straffeparametre er 0.2861 og 82.65 henholdsvis.

Efter at have optimeret parametrene ved hjælp af en genetisk algoritme (GA), retraines de samme 80 prover, og regressionsresultatet vises i figur 9. Som ses i figur 9, viser næsten alle prover en meget lille fejl, når de sammenlignes med den målte partielle udladnings (PD) mængde. Mean Square Error (MSE) er nu 10, hvilket er betydeligt mindre end værdien 80, før parameteroptimering. Derfor er det tydeligt, at at optimere GA parametre effektivt kan reducere MSE af regressionsresultatet og forbedre præcisionen af vektormaskinen.

De sidste 10 prover anvendes til at udføre en test på modellen. Regressionsresultaterne vises i tabel 1. Det kan klart observeres, at fejlen mellem regressionsresultaterne og den faktiske partielle udladnings (PD) mængde er mindre end 6.1%. Dette resultat indikerer, at den trænede model viser fremragende generaliserings evne.

UV-billedteknologi anvendes til at detektere overfladeudladning af udendørs vakuumafbryders isolatorposter. Forholdet mellem facula area i UV-billeder og partielle udladningsmængde undersøges gennem mindste kvadraters supportvektor maskinemetode, hvilket tilbyder en ny tilgang til isolationsfejl diagnosticering af udendørs vakuumkredsløbsafbrydere baseret på ultraviolet billedtagning.

A. Billedbehandling og parameterdefinition

Efter at have udført L-komponent terskelsegmentering og matematisk morfologi operationer på UV-billeder, udtrækkes punktdelen af UV-billedet, hvilket gør det muligt at beregne facula area. Tre parametre defineres for at kvantificere udladningsintensiteten: middel facula area, intermittente facula area, og gentagelses gange af intermittente faculae.

B. Dataindsamling og analyse

Når UV-videoer optages, og partielle udladnings (PD) mængden måles synkront, anvendes relativ luftfugtighed og de tre UV-billedkarakteristikker som input variable. Gennem regressionsanalyse via mindste kvadraters supportvektor maskine, sammen med kernel parameteroptimering ved hjælp af en genetisk algoritme (GA), kan PD mængden præcist fastsættes.

C. Diagnostic præcision og betydning

Ved at udføre regressionsanalyse for at etablere forholdet mellem isolatoroverfladeudladningsmængde og dens UV-billed facula area, findes det, at PD mængden diagnoseret udelukkende fra UV-billeder har en fejl på mindre end 6% sammenlignet med den målte PD mængde. Dette præcisionsniveau opfylder kravene i praktiske applikationer og giver en ny ikke-invaderende metode til at diagnosticere eksterne isolationsfejl i udendørs vakuumkredsløbsafbrydere baseret på ultraviolett billedtagning.

Dette forskningsprojekt blev finansieret af National Natural Science Foundation of China og State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment. Forfatterne vil gerne give deres oprigtige tak til alle, der har givet støtte til dette projekt.