新型紫外电晕放电检测系统的研究与设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.91MB 65 页 15积分
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摘 要
在电力行业中，绝缘子的缺陷、导体的破损或污染会导致高压电力设备的电
晕放电，其危害巨大。为此，本文研发设计出了一种新型紫外电晕检测系统，可
以准确的检测并定位电晕放电点，从而预防电晕带来的危害，对于电力行业的安
全作业乃至全国的节能、环保都有着极其重要的意义。
本文基于紫外检测技术，设计了一套新型紫外电晕检测系统。所谓新型，从
系统功能结构上来说，主要表现为两个方面。一是成像结构有别于传统的双通道
光路成像结构，采用了单通道光路成像结构，依靠滤光切换技术达到双光路融合
的目的。二是系统不但具备电晕放电定位的功能，并且可以实时测量目标的放电
强度，是既有紫外电晕检测仪器所不具备的。此两点当属首创。
从技术内容上来说，本文首先研究出一套基于滤光片切换的单通道滤光成像
法，按其切换特点命名为静态切换成像法与动态切换成像法。通过该套方法可使
紫外与可见光两种光谱分别经过系统光路，完成最后的图像采集与融合，在单通
道光路结构下达到电晕定位的目的。在滤光切换系统中，采用了单片机控制步进
电机，从而驱动滤光片滚轮转动，形成光路切换。而单片机则经 RS-232 串口与
PC 上位机连接，以接收 PC 发送的相关指令。对于摄像头的图像采集，则运用了
基于微软的 DirectShow 技术的 Delphi 软件包——DSPack 进行实现。在系统的图
像处理中，采用了基于数学形态学的像素处理方法，包括图像的去噪、特征提取
等。并用 Delphi 软件编写实现预定处理功能。此外，本文提出了一种基于放电面
积的电晕强度测量方法，推导出了随测距变化的电晕强度计算公式，并通过实验
进行了验证。在系统成像实验中，主要对静态切换成像法的功能性与适用性进行
了评估，证明了该方法的有效性。
关键词：电晕放电 紫外检测 日盲 滤光片 单通道 DirectShow
RS-232 放电强度
ABSTRACT
In the power industry, defects of insulators and conductor breakage or
contamination will lead to a corona discharge on high voltage electrical equipments,
which is greatly harmful. In this paper, we research and design for a new type of UV
corona detection system which can accurately detect and locate a corona discharge point
to prevent the corona harm and it has great significance for the safe operation of the
power industry and even the country's energy-saving and environmental protection.
This paper designed a new type UV corona detection system based on UV
detection technology. In terms of system structure and functions, the so-called new type
is mainly for two aspects. For one thing, the imaging structure is single-channel optical
path imaging which has differential from the traditional structure of dual-channel
optical path imaging and it rely on the filter switching way to fuse the two optical path.
For another, the system not only have the function of the orientation of corona discharge,
but also can measure the discharge intensity of the target in real-time and all of these
current UV corona detection equipment do not have.
In terms of technical content, this article firstly developed a single-channel imaging
method based on filter switching, which named static switching imaging and dynamic
switching imaging according to its switching characteristics. The methodology allows
the UV and visible light spectrum go through the system optical tunnel to complete the
final image acquisition and fusion so as to achieve the objective of corona positioning
via the single-channel optical structure. A microcontroller has been used in filter
switching system to control the stepper motor in order to drive the filter wheel rotation
formatting the optical path switching. And the microcontroller is connected with PC
via the RS-232 serial port to receive the instructions from it. In the imaging processing
of the system, the mathematical morphology based method has been used to complete
the following pixel processing, include image denoising, feature extraction, etc. And
these functions has been written in Delphi software system. In addition, a corona
intensity measurement based on discharge area has been proposed and the corona
intensity calculating formula has been deduced and verified through experiments. The
functionality and applicability of the static switching imaging has been assessed in the
system imaging experiments which proved the validity of this method.
Key Words: corona discharge, UV detection, solar-blind, filter,
single-channel, DirectShow，RS-232，discharge intensity
目 录
第一章 绪 论 ............................................................................................................... 1
§1.1 研究背景及意义 ...............................................................................................1
§1.1.1 输电线路在线监测与状态维修 ............................................................1
§1.1.2 电晕放电的在线监测 ............................................................................2
§1.2 本文主要工作 ...................................................................................................3
§1.2.1 本论文的主要创新点 ............................................................................3
§1.2.2 本论文的工作量 ....................................................................................3
§1.3 章节内容介绍 ...................................................................................................3
第二章 电晕检测方法与日盲紫外原理 ..................................................................... 5
§2.1 电晕放电及其检测 ...........................................................................................5
§2.1.1 电晕放电及危害 ....................................................................................5
§2.1.2 传统检测方法 ........................................................................................6
§2.1.3 日盲紫外检测技术 ................................................................................7
§2.2 日盲紫外检测方法 ...........................................................................................9
§2.2.1 紫外脉冲检测 ........................................................................................9
§2.2.2 紫外图像检测 ......................................................................................10
§2.3 双通道紫外检测系统 .....................................................................................11
§2.3.1 双通道检测系统的结构与原理 ..........................................................12
§2.3.2 双通道结构的弊端 ..............................................................................12
§2.4 单通道紫外检测系统 .....................................................................................12
§2.4.1 单通道检测系统的结构与原理 ..........................................................12
§2.4.2 单通道结构比之双通道的优势 ..........................................................14
第三章 单通道双谱紫外电晕检测系统的设计 ....................................................... 15
§3.1 系统的总体设计 .............................................................................................15
§3.1.1 硬件架构设计 ......................................................................................15
§3.1.2 功能描述与关键技术 ..........................................................................15
§3.2 滤光成像原理与方法 .....................................................................................17
§3.2.1 静态切换成像法 ..................................................................................17
§3.2.2 动态切换成像法 ..................................................................................17
§3.3 图像传输及视频采集模块的实现 .................................................................17
§3.3.1 系统的图像传输与视频采集 ..............................................................18
§3.3.2 基于 DirectShow 的视频采集 ............................................................ 19
§3.3.3 基于 DSPack 组件的视频采集方案 ...................................................21
§3.4 滤光控制功能的实现 .....................................................................................23
§3.4.1 滤光切换的控制部分 ..........................................................................23
§3.4.2 滤光切换的驱动部分 ..........................................................................26
第四章 电晕放电的图像处理 ................................................................................... 20
§4.1 系统的图像处理流程 .....................................................................................29
§4.2 紫外图像的预处理 .........................................................................................30
§4.2.1 RGB 色彩空间 .................................................................................... 30
§4.2.2 灰度处理 .............................................................................................35
§4.2.3 二值化处理 .........................................................................................38
§4.3 图像去噪与放电区域提取 .............................................................................39
§4.3.1 图像的数学形态学处理 .....................................................................39
§4.3.2 紫外电晕图像的形态学处理 .............................................................42
§4.4 系统的图像融合 .............................................................................................46
§4.4.1 图像融合的概念 ..................................................................................46
§4.4.2 单通道系统的图像融合 ......................................................................47
第五章 电晕放电强度测量及系统成像实验 ........................................................... 49
§5.1 电晕放电的强度测量 .....................................................................................49
§5.1.1 放电强度公式的推导 ..........................................................................49
§5.1.2 放电强度公式的验证 ..........................................................................51
§5.1.3 放电强度计算实验 ..............................................................................53
§5.2 成像实验与讨论 .............................................................................................54
§5.2.1 静态切换成像实验 ..............................................................................54
§5.2.2 关于静态切换法实验的讨论 ..............................................................55
第六章 总结与展望 ................................................................................................... 57
参考文献 .........................................................................................................................59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................60
致 谢 .............................................................................................................................63
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究背景及意义
我国幅员辽阔，
110kv 以上电压等级输电线路总长度超过 60 万km，输电线路
的安全可靠运行是电网安全的根本保障。上世纪 90 年代以来，我国多个地区曾发
生过大面积污秽闪络事故，严重危及了电网安全的可靠性，对工业生产及居民生
活造成了巨大影响。
因此，相关部门必须采取应对措施，从而避免上述危险情况的发生。输电线
路的状态监测及故障预警是提高输电线路运行安全可靠性的有效方法。
§1.1.1 输电线路在线监测与状态维修
电力系统是一个由众多发、送、输、配、用电设备连接而成的大系统，这些
设备的可靠性及运行状况直接决定着整个系统的稳定与安全，
[1]同时也对供电质量
和供电可靠性起到决定性作用。随着电网建设的加快和市场飞速发展，电力部门
为避免由定期预防性实验及定期检修“过渡”或“漏失”而引起的运行可靠性降
低和经济损失，迫切需要以电气设备状态在线监测与诊断技术为基础的状态维修，
以预防和减少事故的发生，提高电力系统的安全性、可靠性、稳定性。
电气设备的在线监测的具体内容是对运行中电气设备的绝缘状况进行连续的
状态监测，随时获得能反映绝缘状况变化的信息。[2]在进行分析处理后，对设备的
绝缘状况作出诊断，并根据诊断的结论安排必要的维修，也即做到有的放矢地进
行维修。故状态维修应包括三个步骤，即在线监测 -> 分析诊断 -> 预知性维修。
状态维修有以下优点：[3]
（1）能更有效地使用设备，从而提高设备的利用率；
（2）降低备件的库存量以及更换部件与维修所需费用；
（3）有目标地进行维修，可提高维修水平，使设备运行更安全、可靠；
（4）可系统地对设备制造部门反馈设备的质量信息，用以提高产品的可性。
状态维修的组成及相互关系可用图 1-1 所示的框图来表示。
新型紫外电晕检测系统的研究与设计
2
图1-1 状态维修组成相关流程
由图可知，在线监测是工作人员对运行中设备的主要工作，通过在线监测我
们可以得知设备运行的状况。发现设备故障后，系统经故障诊断作出相应信息报
告，从而指导工作人员如何处理故障，排除故障。因此，在线监测系统是状态维
修的基础和根据，要想做好故障监测的防范排查工作，首先必须建立一套设备的
在线监测系统。
建立一套在线监测系统需要的投资和设备本身的价值有关。在我国，以一套
三相 500kv、360MV•A 变压器为例，[4]其价值当在 2000 万元左右，为其建立一套
检测系统，投资不会超过设备价值的 5%。何况一套在线监测系统，除传感器等部
分单元外，可巡回监测多台电气设备，这样，投资的实际比例还将降低。
在线监测和状态维修带来的经济效益是十分显著的。据日本资料介绍，
[5]监测
和诊断技术的应用，使每年维修费用减少 25%~50%，故障停机时间则可减少 75%。
§1.1.2 电晕放电的在线监测
电气设备在线监测的实质内容是各类设备绝缘状态的现场检测，而设备绝缘
性能遭受破坏时，通常会产生局部放电现象。这种局部放电根据设备种类的不同，
可分为内部放电与外部放电两类。其中，电气设备外部放电现象便是我们通常说
的电晕放电。
通过建立一套电晕放电的在线监测系统，我们就可以用设备检测输电线路上
的电晕放电点，发现故障所在位置，从而能及时对放电故障进行排除，达到预防
电晕放电所产生危害的目的。
第一章 绪 论
3
§1.2 本文主要工作
§1.2.1 本论文的主要创新点
1. 在充分理解双通道紫外成像原理的基础上，研究出单通道双光谱系统结构的电
晕放电成像定位方法，即基于滤光切换技术的两种光谱融合成像方法。从而使双
通道的复杂结构转化为单通道的简洁构架，并使得后续图像的融合处理变得简单。
2. 推导出基于放电面积的电晕放电强度计算公式 I= S*A2，从而在判断电晕故障
程度上提供了依据。
§1.2.2 本论文的工作量
1. 系统的理论性研究
单通道结构的成像原理，基于滤光片切换的两种单通道成像方法——静态与
动态切换成像法，基于放电面积的放电强度计算公式，系统图像处理（包括二值
化方法，紫外图像去噪，特征提取，图像融合）
2. 系统的实物搭建与功能实现
1) 完成系统的硬件部分的搭建与设备驱动，包括系统各部件的连接，实现摄像机
驱动与图像传输，单片机与 PC 的串口通信等。
2) 软件方面主要有：以 Delphi 开发环境构建了一套电晕放电检测系统软件，其功
能包括人机交互界面，电晕图像的实时处理与定位显示，电晕放电全部及个别区
域的实时强度测量，后台数据库记录等。
3. 系统实验
1) 静态切换成像定位实验
2) 放电强度测量实验（放电强度公式的验证）
§1.3 章节内容介绍
本文将紫外电晕放电检测系统的研究分为五个章节进行阐述，其内容如下：
第一章指出了本课题研究的背景，从电气故障在线监测引申到电晕放电检测
领域，突出了进行电晕在线监测及其故障排除的必要性及意义。
摘要：

摘要在电力行业中，绝缘子的缺陷、导体的破损或污染会导致高压电力设备的电晕放电，其危害巨大。为此，本文研发设计出了一种新型紫外电晕检测系统，可以准确的检测并定位电晕放电点，从而预防电晕带来的危害，对于电力行业的安全作业乃至全国的节能、环保都有着极其重要的意义。本文基于紫外检测技术，设计了一套新型紫外电晕检测系统。所谓新型，从系统功能结构上来说，主要表现为两个方面。一是成像结构有别于传统的双通道光路成像结构，采用了单通道光路成像结构，依靠滤光切换技术达到双光路融合的目的。二是系统不但具备电晕放电定位的功能，并且可以实时测量目标的放电强度，是既有紫外电晕检测仪器所不具备的。此两点当属首创。从技术内容...

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