0.   引言

输电线路运行环境复杂，雾凇、覆冰、污秽等恶劣环境可能会加剧外绝缘放电的现象^[1-4]，长期运行下，可能发生电力事故，严重影响线路的安全稳定运行，因此，有必要开展输电线路的异常状态监测。绝缘子是输电线路的重要部件，国内外学者^[5-9]针对其异常放电开展了大量的研究。监测方法主要包括红外测温、泄露电流或紫外图谱等。泄露电流为接触式测量方法，并不适应于野外环境监测；红外测温和紫外图谱为非接触式测量方法，但前者受环境影响较大，易受干扰，而紫外成像相对较稳定。

紫外成像主要基于光子数或者光斑面积进行放电强度的定量计算，实现绝缘子故障状态的评估。艾建勇^[10]等采用光斑面积的方法，研究了污秽放电和湿度之间的关系。文献[11-12]统计了不同放电阶段的光斑面积，开展了绝缘子污秽放电严重程度的评估。目前紫外图谱分析主要以绝缘子轴向放电路径^[13-14]开展的，径向放电路径较少，尤其对直径较大的盘式绝缘子。为此，本文以盘式绝缘子为研究对象，基于图像处理技术，开展不同电阻率、风速情况下积污绝缘子的紫外图谱特征研究。

1.   紫外图像特征提取

盘式绝缘子在生产制造中的机械挤压，或者带电运行过程中操作过电压引起的电弧作用下，外形结构可能会产生表面凸起或凹陷等缺陷，以至于边缘不连续，Chan-Vese（C-V）模型可解决这类问题，具有良好的图形分割效果，同时具有抗干扰能力强的优点，因此，笔者采用C-V模型对盘式绝缘子的紫外图像进行特征提取。

1.1   图像分割

I(x, y)定义为以盘式绝缘子中心为圆心，半径小于R的图像区域，对应的定义域为Ω；C表示该区域的闭合轮廓；C_i和C_o分别表示以C为界限的图像内部区域和图像外部区域，定义C-V模型的能量函数：

式中：L_C是轮廓C的周长；$ {A_{{C_ {\rm{i}}}}} $是C_i面积，系数μ、η≥0，λ₁、λ₂＞0；G_i、G_o分别是C_i和C_o的平均灰度值。

引入水平集函数Φ(x, y)，轮廓曲线C可表示为：

引入函数H(z)和δ(z)：

所以能量函数可变化为：

其中：

设Φ(t, x, y)是Φ(x, y)在t时刻的数值，利用欧拉-拉格朗日方法推导可得：

式中：$ {\rm{div}}\left( {\frac{{\nabla {\mathit{\Phi}} }}{{\left| {\nabla {\mathit{\Phi}} } \right|}}} \right) $为其梯度。

能量函数的最优解采用正则化函数实现：

式中：ε为较小的正数。

1.2   径向分析

为便于分析，令盘式绝缘子中心点(0, 0)光斑面积设为0，即${{\mathit{\Phi}} _{R = 0}}(x, y) = 0$。

半径为R的区域光斑面积为：

为研究盘式绝缘子径向电晕放电强度的分布规律，计算半径为R的光斑面积增加量为：

2.   现场测试

搭建工频高压试验平台，对污秽盘式绝缘子施加电压，采用CoroCAM504型的紫外成像仪，捕捉放电图像，进行灰度处理后，仅保留放电光斑，未进行C-V模型处理的紫外图像如图 1所示。

图  1  未处理的紫外光斑图像

Figure  1.  Raw image of ultraviolet flare area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

实际测试中，由于自由电子与正离子的复合和反激励，主放电区域外围会存在大量的噪声点，结合C-V模型和设置阈值的方法，能够准确地分割出有效的光斑，如图 2所示。

图  2  C-V处理后的紫外光斑图像

Figure  2.  Ultraviolet flare area processed by C-V

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为进一步验证C-V方法的适应性，结合红外图像和紫外图像的方法，进行盘式绝缘子积污放电径向对比研究。试验对象为XP-70盘形悬式瓷绝缘子，其平均厚度约为0.016 m，公称盘径为255 mm，环境温度设置为20℃，施加电压等级为10 kV。一段时间后，绘制污秽绝缘子径向红外实测温度随半径变化的分布曲线和径向紫外光斑面积随半径变化的分布曲线，如图 3所示。

图  3  盘式绝缘子径向分布曲线

Figure  3.  Radial distribution curves of disk-shaped insulator

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图可知，紫外光斑面积分布曲线和红外实测温度分布曲线整体趋势一致，均呈现先增大后减小的趋势，温度和光斑面积最大值均在30 mm附近，即主放电区域，绝缘子边缘温度和光斑面积最小，即弱发电区域。由此说明，基于C-V模型的紫外图谱分析方法适用于盘式绝缘子放电的径向分布研究。

3.   数据分析

盘式绝缘子积污放电的强度会受环境因素的影响，为此重点开展表面电阻率和风速等因素的研究。

3.1   表面电阻率的影响

随着环境湿度、温度及染污程度的变化，盘式绝缘子的表面电阻率也会发生相应变化，直接影响其放电强度。采用NaCl作为污秽中导电物质，改变盘式绝缘子的表面电阻率，从5MΩ⋅m、15 M Ω⋅m到30 MΩ⋅m，统计紫外光斑面积的径向变化值，绘制曲线见图 4。

图  4  不同电阻率下的光斑面积径向变化

Figure  4.  Radial variation of ultraviolet flare area under different resistivities

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由于盘式绝缘子的光斑面积随半径呈先增大后下降的趋势，为便于分析研究，这里仅考虑下降部分，以主放电区域30 mm为起点。

由图可知，随着表面电阻率的下降，主放电区域的光斑面积会增加，这是因为当积污严重，或者湿度较大时，盘式绝缘子的表面电阻率会降低，泄漏电流会增加，放电强度会增加，所以紫外光斑面积会增大。随着半径的增加，紫外光斑面积的变化会呈现减小的趋势，这说明表面电阻率对主放电区域的影响较大，弱放电区域的影响较小。

3.2   风速影响

盘式绝缘子实际安装于室外空旷的环境，通过小型风洞模拟风速的变化，也会引起积污放电强度的变化。从无风到有风（2~8 m/s），改变风速大小，统计紫外光斑面积的变化值，绘制曲线见图 5。R＝30 mm，表示盘式绝缘子主放电区域；R＝105 mm，表示盘式绝缘子边缘放电较弱的区域。

图  5  光斑面积随风速的变化关系

Figure  5.  Variation of ultraviolet flare area with wind speed

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图可知，随着风速的增加，紫外光斑面积会减小，由此说明，风对积污放电具有明显的削弱作用，所以同等条件下有风时光斑面积比无风时的小，风速大小对积污放电有着明显的影响，这是因为放电形成的带电质点在气流的作用下会加速扩散，弱化了带电质点的复合过程，最终降低了放电光辐射。

主放电区域的曲线斜率大于弱放电区域，由此说明，风速对主放电区域的放电强度影响大于弱放电区域。所以在实际工程测试时，应尽量选择无风或者微风的环境。

4.   结论

本文基于C-V模型开展了盘式绝缘子径向放电强度的分布规律研究，验证了该方法的适应性，取得了一定的结论：

1）随着表面电阻率的下降，盘式绝缘子积污放电的强度会增加，主放电区域增加的程度大于弱放电区域；

2）随着风速的增加，盘式绝缘子积污放电的强度会降低，主放电区域变化的程度大于弱放电区域。