Виявлення поверхневих розрядів зовнішньої ізоляції зовнішнього вакуумного вимикача на основі ультрафіолетового зображення

Зовнішні вакуумні вимикачі (далі — вимикачі) широко використовуються в розподільних мережах завдяки своїм перевагам, таким як невеликий розмір, легка вага, вогнестійкість, безпека від вибухів, плавне функціонування, низький шум, мала відстань між контактами при відкритті, короткий час дуги та легкість обслуговування. З посиленням атмосферного забруднення, у складних погодних умовах, таких як густий туман, дощ, конденсація чи танення льоду, на поверхні стовпового ізолятора вимикача може виникнути часткова розрядка (PD), що навіть може призвести до пробою, скорочуючи термін служби вимикачів та впливаючи на безпечне та стабільне функціонування електроенергетичної системи.

У цій статті використовується ZW32 - 12 зовнішній стовпово-монтуваний високовольтажний вакуумний вимикач (далі — високовольтажний вимикач ZW32 - 12) як приклад, для проведення тестів у різних кліматичних умовах. Процес розряду на поверхні стовпового ізолятора вимикача ZW32 - 12 зафіксований за допомогою УФ-камери, одночасно вимірюється кількість розряду. Після обробки зображень УФ-камери вилучаються характеристичні параметри для опису цих зображень. Наступним кроком є обчислення кількості розряду за допомогою методу найменших квадратів машина опорних векторів, що дозволяє калібрувати УФ-зображення. Це представляє нову безконтактну техніку виявлення часткових розрядів вимикачів.

Вимикач ZW32 - 12 — це трифазний, 50 Гц, 12 кВ зовнішній пристрій живлення. Він використовується для переривання та замикання навантаження, перегрітої та короткозамкнутої струму. Його конструкція показана на рис. 1.

Для одночасного захоплення УФ-зображення розряду на поверхні стовпового ізолятора та вимірювання кількості часткового розряду (PD) було розроблено систему тестування розряду на поверхні ізолятора, яка показана на рис. 2. На рис. 2, T — регулятор напруги, B — підвищувальний трансформатор, R₁ — обмежувальний резистор, C₂ — сполучний конденсатор, який використовується для отримання вибірки вимірювання PD.

Трансформатор, використаний в системі, — це модель YDWT - 10kVA/100kV, яка показана на рис. 3 - a. Він використовується для створення високої напруги, необхідної для ізолятора.

Для захоплення УФ-зображень розряду на поверхні ізолятора використовується УФ-камера OFIL Superb, яка показана на рис. 3 - b. Об'єкт тестування — це стовповый ізолятор від вимикача ZW32 - 12, який був в експлуатації протягом трьох років, як показано на рис. 3 - c. Зразок розташований у штучному кліматичному камері, де можна стабільно контролювати відносну вологість.

У цій системі для вимірювання кількості часткового розряду (PD) використовується метод імпульсного струму. Консоль керує регулятором напруги та трансформатором для створення бажаної напруги. Наступним кроком PD-сигнал передається до детектора PD JFD - 3 через сполучний конденсатор та детектуючу імпеданс.

За допомогою періодичного зволоження відносна вологість у штучному кліматичному камері може підтримуватися на стабільному рівні. Ізолятори піддаються напругі протягом двох годин, щоб вони повністю намокли. Потім на ізолятор застосовується напруга 12 кВ протягом 5 хвилин. За цей період захоплюються УФ-зображення, а кількість PD вимірюється. Відстань зйомки УФ-камери становить 5 метрів, кут 0°, а гейн 110%. Повторні тестування проводяться на кожному рівні відносної вологість, яка варіюється від 70% до 90% з кроком 5%.

Процесс обробки УФ-зображень

УФ-камера захоплює відео, тому необхідна обробка кадрів, щоб отримати послідовні кадри УФ-відео для подальшого аналізу. Кожен кадр зображення є RGB-зображенням відповідної кольору [3]. Розряд на поверхні ізолятора відображається на УФ-зображенні як світле плямо. Чим більш інтенсивний розряд на поверхні, тим більша площа плями. Тому важливими кроками є попередня обробка зображень та сегментація зображень, щоб вилучити фон зображення та виділити пляму.

Оскільки компоненти червоного (R), зеленого (G) та синього (B) в просторі RGB лише вказують на кольоровий співвідношення червоного, зеленого та синього і не можуть представити яскравість зображення, ми аналізуємо кожен кадр зображення в просторі HSL. HSL — це абревіатура для Hue, Saturation, Luminance. Компоненти HSL кадру зображення показані на рис. 4. Відповідно до рис. 4, можна визначити, що компонент H або S не може відрізнити пляму від фону, тоді як компонент L може виконати це розрізнення [4].

Як видно з рис. 4 - c, компонент L плями більший, ніж компонент фону. Тому порогова сегментація є ефективним методом для виділення плями. Ключовим моментом є вибір правильного порогу компоненту L. Ми використовуємо метод Оцу для обчислення порогу компоненту L [5]. Після реалізації кодування Matlab для методу Оцу оптимальний порог компоненту L визначено як 216, а результат сегментації показаний на рис. 5 - c. Очевидно, що фон був вилучений, залишивши лише УФ-пляму.

Як показано на рис. 5 - c, окрім УФ-плями, є ще багато малих шумових точок. Для вирішення цієї проблеми ми застосовуємо математичні морфологічні операції з елементом структури у формі кола радіусом 4 пікселя, щоб вилучити ці шумові точки [6]. Після обробки математичними морфологічними операціями результат показаний на рис. 5 - d. Всі шумові точки були вилучені, залишивши лише пляму. Ми визначаємо кількість пікселів в плямі як "площу факули" цього УФ-зображення.

Після обчислення площі факули для послідовних кадрів УФ-відео, можна отримати криву площі факули. Крива площі факули при відносній вологості 85% показана на рис. 6. Як показано на рис. 6, площа факули коливається в малих межах, з великими плямами, що виникають іноді. Тому визначено три параметри для характеризації інтенсивності розряду: середня площа факули, інтермітентна площа факули та кількість повторень інтермітентної факули відповідно [7]. Ми вибрали 100 послідовних кадрів після появи часткового розряду як об'єкт вивчення. Середня площа факули — це середнє значення площ 100 кадрів факул. Інтермітентна площа факули — це середнє значення площ факул, які більші за середню площа факули, а кількість повторень інтермітентної факули — це кількість факул, які більші за середню площа факули. Відповідно до рис. 6, середня площа факули становить 665 пікселів. Інтермітентна площа факули становить 902 пікселі. Кількість повторень інтермітентної факули становить 32.

Після обчислення трьох характеристичних параметрів та синхронного вимірювання кількості часткового розряду (PD) ми намагаємося визначити кількість PD, використовуючи ці три параметри УФ-зображення через метод найменших квадратів машина опорних векторів.

Було вибрано 90 зразків УФ-відео. Для кожного кадру цих зразків обчислювалися три параметри УФ-зображення, а відповідна кількість часткового розряду (PD) була записана детектором PD JFD3. Аргументи входу для машини опорних векторів вибрані як середня площа факули, інтермітентна площа факули, кількість повторень інтермітентної факули та відносна вологість. Вихідний аргумент — це кількість PD. Було вибрано радіальну базисну функцію (RBF) як ядерну функцію. Після нормалізації 80 зразків були використані для навчання. Ядерні параметри та параметри покарання машини опорних векторів були встановлені на типові значення. Результат навчання показаний на рис. 7.

Як показано на рис. 7, для більшості навчальних зразків помилка у порівнянні з виміряною кількістю PD є відносно малим. Однак, для деяких зразків, помилка перевищує 20%. Средньоквадратична помилка (MSE) обчислюється наступним чином:

Щоб зменшити средньоквадратичну помилку (MSE) результату регресії та підвищити точність машини опорних векторів, використовується генетичний алгоритм (GA) для оптимізації ядерних параметрів та параметрів покарання. [8 - 9]

Покоління завершення встановлено на 100, а розмір популяції — на 20. Процес оптимізації показаний на рис. 8. Як показано на рис. 8, після 30 поколінь еволюції MSE зменшується з 0,07 до 0,01, що свідчить про досягнення оптимальної точки генетичним алгоритмом. [10] Оптимізовані ядерні та параметри покарання становлять 0,2861 та 82,65 відповідно.

Після оптимізації параметрів за допомогою генетичного алгоритму (GA) ті ж 80 зразків були перенавчані, а результат регресії показаний на рис. 9. Як видно з рис. 9, майже всі зразки мають дуже малу помилку у порівнянні з виміряною кількістю часткового розряду (PD). Средньоквадратична помилка (MSE) тепер становить 10, що значно менше, ніж значення 80 до оптимізації параметрів. Тому очевидно, що оптимізація параметрів GA може ефективно знизити MSE результату регресії та підвищити точність машини опорних векторів.

Останні 10 зразків використовуються для тестування моделі. Результати регресії представлені в таблиці 1. Можна чітко побачити, що помилка між результатами регресії та фактичною кількістю часткового розряду (PD) менша за 6,1%. Це свідчить про те, що навчена модель демонструє відмінну загальну здатність.

Технологія УФ-зображення використовується для виявлення поверхневого розряду стовпового ізолятора зовнішніх вакуумних вимикачів. Зв'язок між площею факули на УФ-зображеннях та кількістю часткового розряду досліджується за допомогою методу найменших квадратів машини опорних векторів, що надає новий підхід до діагностики вад ізоляції зовнішніх вакуумних вимикачів на основі ультрафіолетового зображення.

А. Обробка зображень та визначення параметрів

Після проведення порогової сегментації компоненту L та математичних морфологічних операцій на УФ-зображеннях, виділяється пляма УФ-зображення, що дозволяє обчислити площу факули. Визначені три параметри для кількісної характеристики інтенсивності розряду: середня площа факули, інтермітентна площа факули та кількість повторень інтермітентної факули.

Б. Збор та аналіз даних

Після захоплення УФ-відео та синхронного вимірювання кількості часткового розряду (PD), відносна вологість та три характеристичні параметри УФ-зображення використовуються як входні змінні. Через регресійний аналіз за допомогою машини опорних векторів методом найменших квадратів, разом з оптимізацією ядерних параметрів за допомогою генетичного алгоритму (GA), кількість PD може бути точно визначена.

В. Діагностична точність та значущість

Шляхом проведення регресійного аналізу для встановлення зв'язку між кількістю розряду на поверхні ізолятора та площею факули на УФ-зображеннях виявлено, що кількість PD, діагностована лише за УФ-зображеннями, має помилку менше 6% у порівнянні з виміряною кількістю PD. Цей рівень точності задовольняє вимоги практичного застосування та надає новий неконтактний метод діагностики зовнішніх вад ізоляції зовнішніх вакуумних вимикачів на основі ультрафіолетового зображення.

Це дослідження було профінансовано Національним природничим науковим фондом Китаю та Державною ключовою лабораторією електричної ізоляції та електроенергетичного обладнання. Автори виражають свою щиру вдячність всім, хто надав підтримку цьому проекту.