Overflateavføringssporing av ekstern isolasjon på utendørs vakuumkretsutsluker basert på ultraviolett imaging

Utevne vakuumkretsutslagere (heretter referert til som utslagere) er bredt anvendt i distribusjonsnettverket på grunn av fordeler som liten størrelse, lett vekt, brann- og eksplosjonssikkerhet, jevn drift, lav støy, liten kontaktavstand, kort buevarighet og enkel vedlikehold. Med økende luftforurensning, kan det i ugunstige værbetingelser som tåke, dugg, kondensasjon eller issmeltning, oppstå delvis utløsning (PD) på overflaten av utslagerens postisolator. Dette kan til og med føre til flashekking, korte livstiden til utslagerne og påvirke sikker og stabil drift av strømsystemet.

I denne artikkelen blir ZW32 - 12 ute-polemontert høyspenningsvakuumkretsutslager (heretter referert til som HV ZW32 - 12 utslager) brukt som eksempel, og undergår tester i ulike klimatiske forhold. Overflatedisløsningen av postisolatoren til ZW32 - 12 utslager fanges opp av et UV-kamera, mens dens disløsningsmengde måles samtidig. Etter bildbehandling av UV-bildene, trekkes karakteristiske parametre for å beskrive egenskapene til disse bildene. Deretter beregnes disløsningsmengden ved hjelp av minste kvadraters støttevektormetode, noe som gjør det mulig å kalibrere UV-bildene. Dette representerer en ny non-invasiv deteksjonsteknologi for delvis utløsning av utslagere.

ZW32 - 12 utslager er et trefase, 50Hz, 12kV AC ute-strømforsyningsanlegg. Det brukes hovedsakelig for å bryte og slå sammen belastningsstrøm, overbelastningsstrøm og kortslutningsstrøm. Dets struktur er illustrert i figur 1.

For å samtidig fange UV-bildet av postisolatoren og måle mengden delvis utløsning (PD), er et isolatoroverflateutløsningsprøvesystem designet, som vist i figur 2. I figur 2 representerer T spenningsregulatoren, B er spenningsforhøyende transformator, R₁ er begrensende motstand, og C₂ er koblingskondensator, som brukes for å prøve PD-målingen. 

Transformator som brukes i systemet er en YDWT - 10kVA/100kV modell, som vist i figur 3 - a. Den brukes for å generere den høy spenningen som kreves for isolatoren.

Et OFIL Superb UV-kamera brukes for å fange UV-bildene av isolatoroverflateutløsning, som vist i figur 3 - b. Prøveprøven er postisolatoren fra en ZW32 - 12 utslager, som har vært i bruk i tre år, som vist i figur 3 - c. Prøven plasseres i en kunstig klimakammer, der relativ fuktighet kan kontrolleres stabilt.

I dette systemet blir pulsjarmsstrømmetoden brukt for å måle mengden delvis utløsning (PD). Kontrollpanelet kontrollerer spenningsregulatoren og transformator for å generere ønsket spenning. Deretter sendes PD-signal til PD-detektor JFD - 3 via en koblingskondensator og en detekteringsimpedans.

Gjennom intermittente fuktiggjøring, kan relativ fuktighet i den kunstige klimakammeren opprettholdes på et stabilt nivå. Isolatorer eksponeres for spenning i to timer for å sikre at de blir grundig våte. Deretter påføres 12kV spenning til isolatoren i 5 minutter. Under denne perioden tas UV-bilder, og PD-mengden måles. Avstanden for UV-kameraet er 5 meter, med en vinkel på 0° og en forsterkning på 110%. Gjentatte tester utføres for hver relativ fuktighetsnivå, som varierer fra 70% til 90%, med en stegvis prosess på 5%.

 Prosessering av UV-bilder

UV-kameraet fanger et video, så rammeprosessering er nødvendig for å få sukzessive rammer av UV-videoen for videre analyse. Hver bildeframe er et RGB-fargebilde [3]. Overflatedisløsningen av isolatoren reflekteres i UV-bildet som et lys punkt. Jo mer intens overflatedisløsningen, jo større punktområdet. Derfor er bildeforhåndsbehandling og bildesegmentering nødvendige trinn for å filtrere bort bildbakgrunnen og trekke ut punktdelen.

Siden rød komponent (R), grønn komponent (G) og blå komponent (B) i RGB-fargetilstandsrom bare indikerer fargeforholdet mellom rød, grønn og blå og ikke kan representere bildets lysstyrke, analyserer vi hver bildeframe i HSL-fargetilstandsrom. HSL står for Hue, Saturation, og Luminance. HSL-komponentene av en bildeframe vises i figur 4. Ifølge figur 4 kan vi konstatere at H eller S-komponenten ikke kan skille punktet fra bakgrunnen, mens L-komponenten kan gjøre dette skillingsarbeidet [4].

Som kan sees i figur 4 - c, er L-komponenten av punktdelen større enn bakgrunnen. Derfor er terskelsegmentering en effektiv metode for å trekke ut punktdelen. Nøkkelen ligger i å velge en passende L-komponent terskel. Her bruker vi Otsu's terskelmetode for å beregne L-komponent terskelen [5]. Etter implementering av Matlab-koding for Otsu's metode, er den optimale L-komponent terskelen bestemt til 216, og segmenteringsresultatet vises i figur 5 - c. Det er tydelig at bakgrunnen er filtrert bort, og bare UV-punktdelen er igjen.

Som vist i figur 5 - c, er det, unna UV-punktdelen, fortsatt mange små støy punkter. For å løse dette, bruker vi matematiske morfologioperasjoner med en strukturell enhet i form av en sirkel med en radius på 4 piksler for å fjerne disse støy punktene [6]. Etter matematiske morfologi behandling, vises resultatet i figur 5 - d. Alle støy punkter er fjernet, og bare punktdelen er igjen. Vi definerer antallet piksler i punktdelen som "facula area" for dette UV-bildet.

Etter å ha beregnet facula area for sukzessive rammer i en UV-video, kan vi få facula area kurven. Facula area kurven ved 85% fuktighet vises i figur 6. Som indikert i figur 6, fluktuere facula area innen et lite område, med en stor punkt som dukker opp noen ganger. Derfor defineres tre parametre for å karakterisere utløsningsintensiteten: gjennomsnittlig facula area, intermittente facula area, og repetisjonstider for intermittente facula henholdsvis [7]. Vi velger 100 sukzessive rammer etter at delvis utløsning forekommer som studieobjekter. Gjennomsnittlig facula area er gjennomsnittet av arealene til 100 frames' faculae. Intermittente facula area er gjennomsnittet av arealene til faculae som er større enn gjennomsnittlig facula area, mens repetisjonstider for intermittente facula er antallet faculae med et areal større enn gjennomsnittlig facula area. Ifølge figur 6, er gjennomsnittlig facula area 665 piksler. Intermittente facula area er 902 piksler. Repetisjonstider for intermittente facula er 32.

Når de tre karakteristiske parameterne er beregnet og mengden delvis utløsning (PD) er målt synkront, forsøker vi å bestemme PD-mengden ved hjelp av disse tre UV-bildeparametre gjennom minste kvadraters støttevektormetode.

Niogtyve prøver av UV-videoer er valgt. For hver frame av disse prøvene, beregnes tre UV-bildeparametre, og den tilsvarende delvis utløsning (PD) mengden registreres av JFD3 PD-detektor. Inngangargumentene for vektormaskinen velges som gjennomsnittlig facula area, intermittente facula area, repetisjonstider for intermittente facula, og relativ fuktighet. Utgangsargumentet er PD-mengden. Radial Basis Function (RBF) velges som kjernefunksjon. Etter normalisering, brukes 80 prøver for trening. Både kjerneparametrene og straffeparametrene for vektormaskinen settes til standardverdier. Treningresultatet vises i figur 7.

Som vist i figur 7, er feilen sammenlignet med den målte PD-mengden relativt liten for de fleste treningsprøvene. Men for noen prøver overstiger feilen 20%. Mean Square Error (MSE) beregnes som følger:

For å minimere Mean Square Error (MSE) av regresjonsresultatet og forbedre nøyaktigheten av vektormaskinen, brukes en genetisk algoritme (GA) for å optimalisere kjerneparametrene og straffeparametrene. [8 - 9]

Avslutningsgenerasjonen settes til 100, og populasjonsstørrelsen settes til 20. Optimaliseringsprosessen vises i figur 8. Som vist i figur 8, etter 30 generasjoner av evolusjon, minker MSE fra 0.07 til 0.01, noe som indikerer at den genetiske algoritmen har nådd sin optimale punkt. [10] De optimaliserte kjerne- og straffeparametrene er 0.2861 og 82.65 henholdsvis.

Etter å ha optimalisert parametrene ved hjelp av genetisk algoritme (GA), blir de samme 80 prøvene retrainert, og regresjonsresultatet vises i figur 9. Som kan sees i figur 9, viser nesten alle prøvene en svært liten feil sammenlignet med den målte delvis utløsning (PD) mengden. Mean Square Error (MSE) er nå 10, som er betydelig mindre enn verdien 80 før parameteroptimalisering. Dermed er det klart at optimalisering av GA-parametre kan effektivt redusere MSE av regresjonsresultatet og forbedre nøyaktigheten av vektormaskinen.

De siste 10 prøvene brukes for å gjennomføre en test av modellen. Regresjonsresultatene vises i tabell 1. Det kan tydelig ses at feilen mellom regresjonsresultatene og den faktiske delvis utløsning (PD) mengden er mindre enn 6.1%. Dette indikerer at den trente modellen viser fremragende generaliseringskapasitet.

UV-bilde teknologi brukes for å detektere overflatedisløsningen av ute vakuumutslagers postisolator. Forholdet mellom facula area i UV-bilder og mengden delvis utløsning utforskes gjennom minste kvadraters støttevektormetode, noe som gir en ny tilnærming for isolasjonsfeil diagnostikk av ute vakuumkretsutslagere basert på ultralydsbilding.

A. Bildebehandling og parameterdefinisjon

Etter å ha utført L-komponent terskelsegmentering og matematiske morfologioperasjoner på UV-bilder, trekkes punktdelen av UV-bildet ut, noe som gjør det mulig å beregne facula area. Tre parametre defineres for å kvantifisere utløsningsintensiteten: gjennomsnittlig facula area, intermittente facula area, og repetisjonstider for intermittente faculae.

B. Datainnsamling og analyse

Etter at UV-videoer er tatt og mengden delvis utløsning (PD) er målt synkront, brukes relativ fuktighet og de tre UV-bildefunksjonsparametrene som inngangsvariabler. Gjennom regresjonsanalyse ved hjelp av minste kvadraters støttevektormetode, sammen med kjerneparameteroptimalisering ved hjelp av en genetisk algoritme (GA), kan PD-mengden bli nøyaktig fastsatt.

C. Diagnostisk nøyaktighet og betydning

Ved å gjennomføre regresjonsanalyse for å etablere forholdet mellom isolators overflatedisløsning mengde og dens UV-bilde facula area, finner man at PD-mengden diagnosert kun fra UV-bilder har en feil på mindre enn 6% sammenlignet med den målte PD-mengden. Denne nivået av nøyaktighet oppfyller kravene til praktiske applikasjoner og gir en ny non-invasiv metode for å diagnosticere eksterne isolasjonsfeil i ute vakuumkretsutslagere basert på ultralydsbilding.

Dette forskningsprosjektet ble finansiert av Kinas nasjonale naturvitenskaplige fond og Statens nøkkel laboratorium for elektrisk isolasjon og strømutsmykningsutstyr. Forskerne vil gjerne uttrykke sin opreisete takknemlighet til alle som ga støtte til dette prosjektet.