10,kV,中压配电网局部放电紫外检测系统设计

白䶮卓

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，甘肃兰州 730030）

随着配电网络技术的发展，电力设备的电压不断升高，对设备绝缘性能提出了更高的要求。电力设备发生局部放电的主要原因有电极/绝缘表面缺陷、导体外绝缘破损/老化。在电场作用下，仅有局部绝缘被放电的情况，被破坏的部分会发生局部放电，在被气体围绕的导线周围发生的局部放电称为电晕。局部放电可以在导线的边沿或绝缘层的内部或表面上产生，在物体表面的局部放电，称为表面的局部放电，而在物体内部的局部放电称为内部的局部放电。如果不能及时地解决局部放电问题，将会造成绝缘最终破裂，严重时会对电力设备造成毁灭性伤害。为避免这种事故的发生，必须对电力设备的局部放电进行实时检测。

皮昊书[1]等人提出了基于光纤传感技术的局部放电监测方法，使用相敏光时域反射仪可以及时判断中间接头的绝缘状况，通过检测干涉信号，能够得到电缆中间接头局部放电信号的相关信息，进而判断局部放电的位置与数值大小；
关少平[2]等人提出了基于联合检测的局部放电方法，将脉冲电流法与特高频联合检测方法相结合，能够检测局部放电位置。虽然使用上述这两种方法能够判定局部放电的严重程度，但是容易受到一次回路干扰影响，导致检测结果不精准。为此，设计了10 kV 中压配电网局部放电紫外检测（UV 检测）系统，该系统在检测过程中与一次回路完全隔离，避免干扰因素影响检测结果。

以SIM32 开发板为基础，设计一个低功耗、高便携性、实时人机交互、可视化的紫外信号检测系统，其硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

采用紫外传感器和紫外光敏管对电力设备参数进行采集[3]；
GPS 定位模块可以精确地确定线路的位置；
通过LCD、报警系统，操作人员可以方便、准确地了解电器的工作状况[4]；
使用高精度A/D 转换器把模拟信号转化成数字信号，并将数据传送给监控中心，经过运算、分析后显示检测结果。

1.1 紫外光敏管

从光电发射角度出发，利用紫外光敏管将电压加到光敏管正负电极上，从而在两极之间形成一个电场[5]。在一定波长范围内，紫外光敏管接收特定波长的紫外线，并在一定能量下产生光辐射，从而迅速形成电子繁流放电。紫外光敏管结构如图2所示。

图2 紫外光敏管结构

紫外光敏管的工作原理为：在光电管的正负电极间施加一个电压，就会产生一个电场[6]。因紫外光的能量大于其释放功，因此会产生光辐射，导致光电子逸出[7]。紫外光敏管在紫外线照射下，其释放的金属光产生发光效应，使其与周围的气体分子高速撞击，使之电离为正离子和电子。离子化的电子会受到电场的加速作用，并将其他气体分子以强大的能量带入阳极[8]。同时，在电离状态下，气体分子所生成的正、负离子也会受电磁场作用而与光阴极发生碰撞，从而产生更多的电子。这种效应会导致阳极和光电阴极间产生大量的电流，导致大量放电现象的产生。利用在不同入射光强时所生成的脉冲频率（脉冲间隔），可以从背景噪音中辨识出有用的信号[9-10]。若放电频率较低，则应予以消除；
若脉冲数目超过某一特定数值，则为局部放电信号[11]。

1.2 紫外成像仪

紫外成像仪是一种用于监控电源设备的局部放电的设备，它在局部电压应力超过临界值时，会产生电晕、闪络或电弧。特别是在高压电器中，由于设计、制造、安装和维护不当，容易产生电晕、闪络或电弧。在放电过程中，大气中的电子不断地吸收和释放能量，并在放电时释放出紫外光，这个过程会产生一小部分热量，这些热量通常无法被红外探测到[12]，因此，使用紫外成像仪。

1.3 GPS定位模块

GPS 定位模块由北斗通信系统和北斗天线组成，用于接收北斗卫星所发的北斗短消息，并将其解析为局部放电信号，其结构如图3 所示。

图3 GPS定位模块结构

北斗通信系统是把局放信号转化成北斗短报文，而北斗天线则是把北斗短报文传送到北斗卫星[13]。

2.1 紫外检测流程设计

设计基于多线程的紫外检测系统软件，主线程的任务是响应用户接口[14]。数据采集线程用于采集紫外放电信号，数据采集完成后，将信息传送给主线程以进行图像显示，图4 所示为紫外检测的整个流程。

图4 紫外检测流程

系统中的自动主线程模块将图像数据自动存储到内存中，然后通过内存直接读取和写入，提高了数据的收集速度[15]。程序打开紫外线探测设备的文件，启动计时器。在定时器中，通过脉冲计读取紫外脉冲的时间，并把所得到的测试结果和相关的测量信息发送给主线程进行处理，从而达到紫外检测的目的。

2.2 基于紫外线成像的局部放电定位

图像融合主要针对局部放电故障进行检测，利用紫外影像中的亮点判断放电区域，并将其定位到融合影像中。该过程中，最容易出现的是高斯噪声，为了去除高斯噪声，提出了一种利用滤波窗进行图像处理的方法。过滤窗的中点为中心，其权重最大，离中心越近，权重就越大[16]。将每个点的灰度与其权重相乘再相加，最终将经处理的图像点相加，以此作为滤波结果，计算过程如下。

假设紫外成像的图像点坐标为O(a,b)，以该点坐标作为中心，按照n×n窗口进行图像点排序，由此计算任意点与中值的距离，公式为：

式中，Q(x1,x2)表示任意点坐标；
Q(x3,x4)表示中值点坐标。

由于图权值大小与距离呈负相关性，所以各个坐标点分配的权值可表示为：

从上述公式中可以看出，中值点权值越大，式（2）计算结果就越小，从而可以抑制紫外成像中包含的高斯噪声。

在抑制噪声数据支持下，基于紫外线成像的局部放电定位过程如下。

步骤一：将紫外线影像转化成0～255 的灰度值，并对其进行二值化处理。

步骤二：在二值图的边缘检测中，采用3×3 的高斯平滑模板。

使用Canny 边缘检测算子进行边缘检测时，应先计算算子水平方向Gx和垂直方向Gy的参数[17-18]，公式为：

通过上述公式计算梯度后会得到梯度幅度和角度值。在获取上述全部数值后，遍历图像像素点，去除所有非边缘点。如果这个点是梯度方向上的局部最大值，则应保留该点，否则抑制该点。通过双阈值定义边缘，如果与强边缘直接相连，那么该边缘处理结果为边缘；
如果与强边缘不能直接相连，那么该边缘处理结果为弱边缘，并将其抑制。

步骤三：通过边缘检测可以获得各封闭区域的面积，从而判断出各封闭区域的失效范围。选择的影像大小为300×180，斑点面积超过整个影像0.5%的区域为失效区，斑点面积大的部分为失效点，其余可以忽略。

步骤四：利用紫外影像获取的边缘点坐标对融合影像中的断层进行定位，并对其位置及程度进行明确判断，由此完成配电网局部放电紫外检测。

3.1 缺陷环境及原因分析

2020 年9 月10 日，某供电公司配电室内带电测试小组在图像探测中发现，10 kV 279 线##40 极A 相绝缘子放电。检查人员在检修中发现，在绝缘导线与绝缘体的接触处，有一处绝缘层被破坏，从而确定了绝缘导线的绝缘破裂后，导体芯对环状电极放电，并进行了相应的测试。除了绝缘子和避雷器的表面被污染，没有发现任何其他的异常现象。

3.2 局部放电实际数据统计

在上述现象下的局部放电时域波幅值如表1所示。

表1 局部放电时域波实际幅值

由表1 可知，在实际局部放电时域波幅值变化范围内，时域波幅值上下波动幅度较大，设0.18 dB为一个结点，将超过这个结点的值视为峰值点。在实际波动幅值中，超过0.18 dB 的峰值出现了两次。

3.3 实验结果与分析

局部放电会出现时域波，为了验证10 kV 中压配电网局部放电紫外检测系统设计的合理性，将该系统与基于光纤传感技术的局部放电监测方法、基于联合检测的局部放电方法进行对比，分析局部放电时域波幅度变化情况，如图5 所示。

由图5（a）可知，随着频率的增加，局部放电时域波幅值最大值为0.19 dB，且超过0.18 dB 的峰值只有一个；
由图5（b）可知，随着频率的增加，局部放电时域波幅值最大值为0.25 dB，且超过0.18 dB 的峰值出现了三次；
由图5（c）可知，随着频率的增加，局部放电时域波幅值最大值为0.25 dB，且超过0.18 dB 的峰值出现了两次。

图5 不同方法检测时域波幅值

通过上述分析结果可知，只有使用紫外检测技术检测的局部放电时域波幅值与实际情况基本一致，说明使用该方法设计的系统具有精准的检测结果。

通过设计10 kV 中压配电网局部放电紫外检测系统获得紫外放电图像，使用滤波窗口去除高斯噪声，再结合Canny 边缘检测方法可对经过处理后的紫外图像进行局部放电定位。局部放电紫外检测系统易于对高压设备进行无线组网检测，可广泛应用于电力紫外装置检测。

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