Детекција на површински одлесоци на спољна изолација на отвореног вакуумског прекидача базирана на ултравиолетско снимкове

Народните вакуумски прекинувачи (во наредок се нарекуваат прекинувачи) се широко користат во распределбената мрежа поради нивните предности како мал габарит, лесна работа, одоливост на пожар и експлозија, гладка операција, ниски шумови, мал отворен контакт, кратко време на дуга и лесно одржување. Со зголемувањето на атмосферското замурлување, во лоши временски услови како густ магла, капчица, кондензација или топење на лед, веројатно ќе се појави парцијална дисипација (PD) на површината на изолаторот на прекинувачот. Ова може да доведе до преблеснување, скраќајќи животниот век на прекинувачите и влијајќи на сигурната и стабилна работа на системот за енергија.

Во овој труд, ZW32 - 12 надворешен столбест високонапонски вакуумски прекинувач (во наредок се нарекува HV ZW32 - 12 прекинувач) служи како пример, подложен на тестови во различни климатски услови. Површинскиот процес на дисипација на изолаторот на ZW32 - 12 прекинувач е запечатен со UV камерата, додека количината на дисипација се мерува истовремено. След обработката на UV слики, се извлекуваат карактеристични параметри за да се опишат карактеристиките на овие слики. Последователно, количината на дисипација се пресметува со методот на најмали квадрати на поддршка вектор машината, што овозможува калибрација на UV слики. Ова претставува нова не-директна техника за детекција на парцијална дисипација на прекинувачите.

ZW32 - 12 прекинувач е трифазен, 50Hz, 12kV AC надворешен уред за распределба на електрична енергија. Неговата основна функција е да прекине и затвори ток на терет, прекомерен ток и кратки споеви. Нејзината структура е прикажана на Слика 1.

За да се запечати UV слика на површинска дисипација на изолаторот и да се измери количината на парцијална дисипација (PD), дизајниран е систем за испитување на површинска дисипација на изолаторот, како што е прикажано на Слика 2. На Слика 2, T претставува регулатор на напон, B е трансформатор за подигање на напон, R₁ е ограничителен резистор, а C₂ е комплетен кондензатор, кој се користи за узорковање на меренјето на PD.

Трансформаторот користен во системот е модел YDWT - 10kVA/100kV, како што е прикажано на Слика 3 - а. Се користи за генерирање на високонапонски извор потребен за изолаторот.

OFIL Superb UV камерата се користи за запечатување на UV слики на површинска дисипација на изолаторот, како што е прикажано на Слика 3 - б. Пробниот образец е изолатор на столб од ZW32 - 12 прекинувач, кој е во употреба три години, како што е прикажано на Слика 3 - ц. Образецот е поставен во искуствена климатска камера, каде што се може стабилно да контролира релативната влажност.

Во овој систем, методот на импулсниот ток се користи за измерување на количината на парцијална дисипација (PD). Конзолата контролира регулаторот на напон и трансформаторот за да генерира желаниот напон. Последователно, сигналот на PD се пренесува до детекторот JFD - 3 преку комплетен кондензатор и детектиски импеданс.

Со интермитентно влажење, релативната влажност во искуствената климатска камера може да се одржува на стабилно ниво. Изолаторите се изложени на напон за два часа за да се осигура дека се целосно намочени. Потоа, напон од 12kV се применува на изолаторот за 5 минути. Токму во овој период, UV слики се запечатуваат, а количината на PD се мерува. Удалината на снимање на UV камерата е 5 метри, со агол од 0° и генерација од 110%. Повторувани тестови се вршат на секое ниво на релативна влажност, која варира од 70% до 90%, со процес на подигање од 5%.

 Процес на обработка на UV слики

UV камерата запечатува видео, така што е потребна обработка на фрејмови за да се добиат последователни фрејмови од UV видеото за подоцнежна анализа. Секој фрејм е RGB истинско бојно слика [3]. Површинската дисипација на изолаторот е рефлектирана на UV сликата како светло петно. Колку што површинската дисипација е интензивна, толку што областа на петното е поголема. Затоа, претпроцесирањето на слика и сегментацијата на слика се важни чекори за филтрирање на позадината на сликата и извлечување на делот петно.

Бидејќи компонентите на црвена (R), зелена (G) и сина (B) во RGB просторот на бои само покажуваат односот на црвена, зелена и сина боја и не можат да претстават яркоста на сликата, ние анализираме секој фрејм на слика во HSL просторот на бои. HSL значи Hue, Saturation и Luminance. Компонентите на HSL на фрејмот на слика се прикажани на Слика 4. Според Слика 4, можеме да заклучиме дека компонентите H или S не можат да го разликуваат петното од позадината, додека компонентот L може да го направи тоа [4].

Како што може да се види од Слика 4 - ц, компонентот L на делот петно е поголем од позадината. Значи, сегментацијата со праг е ефективен метод за извлекување на делот петно. Клучниот момент е изборот на соодветен праг на компонентот L. Еве, користиме методот на Otsu за пресметување на прагот на компонентот L [5]. По имплементација на Matlab код за методот на Otsu, оптималниот праг на компонентот L се определува на 216, а резултатот од сегментацијата е прикажан на Слика 5 - ц. Јасно е дека позадината е филтрирана, оставајќи само делот петно UV.

Како што е прикажано на Слика 5 - ц, освен делот петно UV, има многу мали точкови шум. За да се справиме со ова, применуваме математички морфолошки операции со структурен елемент во форма на круг со радиус од 4 пиксели за да се отстранат овие точкови шум [6]. Последователно, резултатот од математичката морфолошка обработка е прикажан на Слика 5 - д. Сите точкови шум се елиминирани, а останува само делот петно. Дефинираме бројот на пиксели во делот петно како "плоштината на факела" на оваа UV слика.

После пресметување на плоштината на факела за последователни фрејмови во UV видео, можеме да добиеме кривата на плоштината на факела. Кривата на плоштината на факела при 85% влажност е прикажана на Слика 6. Како што покажува Слика 6, плоштината на факела варира во мала рамнина, со понекогаш појавување на голема област на петно. Затоа, дефинирани се три параметри за карактеризирање на интензитетот на дисипацијата: средната плоштина на факела, интермитентната плоштина на факела и бројот на повторувања на интермитентната плоштина на факела [7]. Изберуваме 100 последователни фрејмови следејќи појавувањето на парцијална дисипација како објекти на студија. Средната плоштина на факела е просекот на плоштините на факела на 100 фрејмови. Интермитентната плоштина на факела е просекот на плоштините на факела кои се поголеми од средната плоштина на факела, додека бројот на повторувања на интермитентната плоштина на факела е бројот на факела со плоштина поголема од средната плоштина на факела. Според Слика 6, средната плоштина на факела е 665 пиксели. Интермитентната плоштина на факела е 902 пиксели. Бројот на повторувања на интермитентната плоштина на факела е 32.

Кога се пресметаат трите карактеристични параметри и синхронно се измери количината на парцијална дисипација (PD), се обидуваме да го определиме количината на PD со помош на овие три UV параметри на слика преку методот на најмали квадрати на поддршка вектор машината.

Избрано е 90 примероци на UV видеа. За секој фрејм од овие примероци, пресметани се три UV параметри на слика, а соодветната количина на PD е записана со JFD3 детектор на PD. Аргументите на влез за вектор машината се избрано да бидат средната плоштина на факела, интермитентната плоштина на факела, бројот на повторувања на интермитентната плоштина на факела и релативната влажност. Аргументот на излез е количината на PD. Одбранета е Радијалната базисна функција (RBF) како јадровата функција. Последователно, нормализирано, 80 примероци се користат за тренирање. И јадрото и параметрите за казнување на вектор машината се поставени на стандардни вредности. Резултатот од тренирањето е прикажан на Слика 7.

Како што е прикажано на Слика 7, за повеќето примероци за тренирање, грешката во споредба со измерената количина на PD е релативно мала. Меѓутоа, за некои примероци, грешката надминува 20%. Средната квадратна грешка (MSE) се пресметува како што следува:

За да се минимизира MSE на резултатот од регресијата и да се подобри точноста на вектор машината, се користи генетски алгоритам (GA) за оптимизација на јадрото и параметрите за казнување. [8 - 9]

Завршната генерација е поставена на 100, а големината на популацијата е поставена на 20. Процесот на оптимизација е прикажан на Слика 8. Како што е прикажано на Слика 8, по 30 генерации на еволуција, MSE се намалува од 0,07 до 0,01, што указува дека генетскиот алгоритам достигнал својот оптимален момент. [10] Оптимизираните јадрото и параметрите за казнување се 0,2861 и 82,65 соодветно.

После оптимизација на параметрите со генетски алгоритам (GA), истите 80 примероци се претренираат, а резултатот од регресијата е прикажан на Слика 9. Како што може да се види од Слика 9, скоро сите примероци покажуваат многу мала грешка во споредба со измерената количина на PD. MSE сега е 10, што е значително помало од вредноста од 80 пред оптимизација на параметрите. Значи, јасно е дека оптимизацијата на GA параметрите може ефективно да го намали MSE-от на резултатот од регресијата и да го подобри точноста на вектор машината.

Финалните 10 примероци се користат за провежување на тест на моделот. Резултатите од регресијата се прикажани во Табела 1. Јасно може да се забележи дека грешката помеѓу резултатите од регресијата и реалната количина на PD е помала од 6,1%. Ова открива дека обучениот модел покажува отлична генерализација.

Технологијата на UV снимка се користи за детекција на површинска дисипација на изолаторот на столб на надворешен вакуумски прекинувач. Врската помеѓу плоштината на факела во UV слики и количината на парцијална дисипација се истражува преку методот на најмали квадрати на поддршка вектор машината, што претставува нов пристап за дијагностика на изолациони грешки на надворешни вакуумски прекинувачи базиран на ултравиолетска снимка.

A. Обработка на слики и дефинирање на параметри

После претворање на прагот на компонентот L и математички морфолошки операции на UV слики, делот петно на UV сликата е извлечен, што овозможува пресметување на плоштината на факела. Дефинирани се три параметри за квантифицирање на интензитетот на дисипацијата: средната плоштина на факела, интермитентната плоштина на факела и бројот на повторувања на интермитентната плоштина на факела.

B. Придобивање и анализа на податоци

Кога се запечатени UV видеа и синхронно се измери количината на парцијална дисипација (PD), релативната влажност и трите карактеристични параметри на UV слика се користат како влезни променливи. Преку регресија анализирање со најмали квадрати на поддршка вектор машината, заедно со оптимизација на јадрото со генетски алгоритам (GA), количината на PD може точно да се определи.

C. Точност на дијагностика и значење

Преку регресија анализа за да се установи врската помеѓу количината на површинска дисипација на изолаторот и плоштината на факела на UV сликата, откриваме дека количината на PD диагностицирана само од UV слики има грешка помала од 6% во споредба со измерената количина на PD. Овој ниво на точност задоволува барањата на практичните применби и претставува нова не-инвазивна метода за дијагностика на екстерна изолациони грешки на надворешни вакуумски прекинувачи базирана на ултравиолетска снимка.

Ова истражување беше финансирано од Националниот фонд за природни науки на Кина и Државната клучна лабораторија за електрична изолација и опрема. Авторите би сакале да изразат својата искрена благодарност на сите кои даваа поддршка на овој проект.