局部制冷设备

2024-07-07

局部制冷设备（共7篇）

局部制冷设备篇1

摘要：针对GIS设备局部放电这种典型的常见缺陷问题,从局部放电产生的原因入手,结合检测方法的机理与主要适用场所特点,进行了局部放电检测方法的系统化考察与综合对比,最后提出了一种综合检测方案并在GIS设备的日常维护工作中获得应用。

关键词：封闭式组合电器,局部放电,设备缺陷

0 引言

SF6气体绝缘全封闭组合电器(Gas Insulted Switchgear,GIS)在110 kV及其以上各电压等级的电网中获得了大量的成功应用,目前已成为主导开关设备。但在运行维护中也发现了一定的问题,GIS局部放电就是其中的一种常见缺陷。由于GIS设备结构的特殊性,对存在疑似局部放电现象的GIS设备综合应用先进的局部放电检测技术进行分析,可及时避免事态的进一步恶化,这不仅对防止GIS事故的发生而且对保证电网安全稳定运行有重要的现实意义。

国内积累了大量的对GIS设备的带电检修成功经验[1,2,3,4]。但是,在GIS设备局部放电检测方面,一直缺乏局部放电产生原因、影响因素与作用途径的综合分析,在各类局部放电检测技术的适应场景以及检测技术的综合应用等方面更是缺少系统化的评估与整体总结。

近年来广东电网中已经出现了多次GIS设备重大设备缺陷或事故,如香山站GIS事故导致主变跳闸,潭村站GIS母线微水超标缺陷迫使设备停运。这些已经给电力工作者在设备安全层面上的巡检维护方面给予了重要警示,必须加以重视。

本文针对GIS设备局部放电问题进行了深入研究。首先,讨论了GIS设备局部放电的原因;然后,分析了常见的GIS局部放电检测方法,并明确了各类方法的优缺点以及适用场合;最后又结合作者的现场工作经验提出了一种综合检测方案。在实际现场检修中对该方案加以尝试应用,效果良好。

1 GIS局部放电原因分析

GIS设备的特殊结构打破了传统变电站的概念,它是以SF6气体作为绝缘介质,并将除变压器之外的变电站所使用的断路器、接地开关、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线、避雷器、套管和其他过渡元件等多种高压电器组合在一起。GIS设备结构的特殊性也带来了复杂的运行维护问题,以GIS局部放电缺陷为例,其与SF6气体泄漏、SF6气体微水超标、开关故障、液压机构渗漏油等密切相关。此外,在制造、安装和使用过程中也可能出现内部电极表面脏污、毛刺、自由粒子等也是不容忽视的重要因素。

将影响GIS局部放电的各类因素概括为:

(1)载流导体表面存在缺陷,例如毛刺、尖角等;

(2)绝缘子表面缺陷,如制造质量不良,绝缘子有气泡或裂纹以及安装遗留下的污迹、尘埃等;

(3)GIS密封筒内在制造或安装过程中存留的自由导电粒子;

(4)导电部分接触不良。

GIS局部放电的各类因素其作用形式主要是集中在畸变电场上。例如在制造和安装过程中造成的毛刺,直接引起导体表面电场强度不均匀,这极易导致设备的内部电场发生畸变。虽然在稳定的工频电压下不容易引起击穿,但在操作或冲击电压下很可能引起击穿,或者当内部电场畸变到一定程度之后就会形成局部放电。

2 GIS局部放电的检测方法

GIS设备局部放电的检测技术已发展的相对成熟而且获得了广泛应用[5]。主流的检测方法包括有:脉冲电流法、超高频法、超声波法和SF6分解物检测法等。需要注意的是上述方法工作原理存在较大差异,对环境工况的依赖情况也各不相同。

2.1 脉冲电流法

脉冲电流法是一种利用罗氏线圈或者测量阻抗获取各种绝缘缺陷产生局部放电脉冲电流信号的方法。局部放电产生时,试样两端会产生一个几乎瞬时的电压变化。如果把试样接入检测回路,就会产生脉冲电流。而通过一个灵敏度高的电子仪器是否可测出相应的脉冲电流,就可以判断是否存在局部放电及其放电强度。

脉冲电流法特点突出,灵敏度高,且可定量测量局部放电量。因此,在GIS出厂试验中会经常采用。但这种方法应用的整体水平要求较高,容易受到现场干扰,在实际的运维检修工作中受限制。

2.2 超高频法

超高频法利用GIS内局部放电具有高频这一特性,即局部放电信号为纳秒级,频谱从低频到数百MHz甚至数GHz以上。高频放电信号穿透性强,能够从盆式绝缘子和GIS外壳的接缝处泄漏到外部。在GIS筒体内或者在绝缘子外安装传感器。通过观察测量示波器是否有放电的UHF(300 MHz以上)信号来判断是否存在局部放电。通过UHF频段测量,可避开一般的电磁干扰,同时又能准确测量GIS内部的放电信号。这种方法基本能够做到快速判断局部放电类型,是现场应用较为广泛的检测方法。

但超高频法依赖检测到的超高频信号,后者又与诸多因素有关,如放电量大小、放电源的类型、位置及信号传播路径等,目前还无法实现GIS局部放电量的标定。

2.3 超声波法

GIS内部发生局部放电时,伴随有超声波信号的产生。超声波法就是通过在GIS外部安装超声波传感器,接收GIS内部放电产生的超声波信号,间接判断GIS是否有放电现象。该方法针对检测频率一般在10 k Hz～500 k Hz范围内,对于SF6气体中的电晕放电、部件振动、悬浮电位和颗粒跳动比较灵敏。但对于绝缘件内部空隙、裂缝等缺陷不敏感。

超声波方法需要把传感器固定在GIS筒壁上,而部分GIS厂家生产的GIS筒比较粗糙,表面不够光滑,不能够做到表面完全接触。在这种情景下采用超声波法检测,效果不佳。

2.4 SF6分解物检测法

SF6气体化学性质稳定,分解温度高于500℃,在常温常压下无色、无味、无毒、不燃,具有优良的电绝缘和灭弧性能。当GIS中发生局部放电、火花放电、电弧放电、绝缘击穿等时,产生的高能量将使SF6分解,生成多种不稳定物质,它们与微量的氧气和水分发生反应,最终生成二氧化硫(SO2)、四氟化碳(CF4)、氟化亚硫酰(SOF2)等组分等分解物。通过检测组分中一些特征分解物,能有效地实现对故障部位、故障性质的快速判断。

目前,检测SF6分解气体主要包括气相色谱法、检测管法和电化学传感器法。气相色谱法在分解物成分和含量确定方面具有优势,适合实验室定量分析。检测管法主要检测SO2和HF,常用于现场的快速粗略测量和故障后的气室定位。电化学传感器法的优势在于灵敏度高、检测速度快,主要检测SO2、H2S和HF,但需要解决好组分干扰、传感器寿命短等问题。

3 综合检测分析

通过对比上文的各类检查方法,可以看出:(1)超高频法的抗干扰能力最好,检测范围较大,且对所有放电类型都比较敏感;(2)超声波法则对测量近距离范围内的自由移动颗粒比较灵敏,而且便于确定故障的位置。因此,超高频法和超声波法成为了目前GIS局部放电现场检查的主要使用方法。

但还必须看到,超高频法和超声波法所接收的是两个不同类型的信号,可能受到的干扰源并不相同,例如前者不会受到现场噪音的影响,但后者对电气信号不敏感。为了充分发挥各类检测方法的长处,需要将检测方法联合使用,方能起到取长补短的作用。

本文建议在进行GIS局部放电检测工作时,可以首先利用超高频法检测。该方法的范围大,且对各种放电缺陷均具有较高灵敏度的特点,可以用来快速确认被测设备是否存在局部放电的缺陷。然后,再利用超声波法进一步检测确认。虽然超声波发的范围小,但它更方便于定位,而且对电气干扰不敏感的特点,可较好地确定GIS内部的缺陷部位及特征。同时,也需要加强对被测信号来源的关注,彻底消除误判断的可能性。最后,才进行解体分析检查。

4 应用案例

2010年某站点的GIS间隔避雷器气室存在异常响声和振动,初步判断GIS间隔避雷器气室存在严重绝缘缺陷。工作人员采用本文所提的综合检测方案进行检测,具体情况如下。

第一步,采用超高频法进行局放检测,其中传感器布局位置如图1所示。通过检测,发现在B2处信号幅值最大,各项测试结果如图2、图3和图4所示。测试过程中发现,越靠近B2盘式绝缘子信号越强,空气中信号较弱,由此可以推断检测到的信号确实来源于避雷器气室内部。

第二步,采用超声波局放测试仪对该间隔进行测试,测试位置如所示,测试结果显示,避雷器气室检测到较强超声波信号,信号幅值达到70 dB,隔离气室次之,具体测试数据如表1所示,可以判断该GIS间隔避雷器气室存在较严重的局部放电缺陷。

第三步,对该GIS设备进行解体分析与最终复查分析。检修人员打开避雷器气室的盆式绝缘子发现如下现象:(1)C相避雷器高压导电杆(动触头)随着盆式绝缘子一同升起,其他两相正常;(2)C相静触头的均压环没有紧固,小许力气即可把它摇动;(3)在气室内部,发现大量的SF6分解物。

上述情况表明GIS气室内部有强大的能量使得SF6气体分解,这也意味着该避雷器室在运行过程中存在严重的局部放电现象。通过解体的情况看,放电原因应该是C相高压导电杆与C相避雷器高压端没有紧固连接,存在悬浮电位,这与原理测试结果完全吻合。

5 结论

本文针对GIS设备局部放电问题进行了深入探讨。在分析GIS设备局部放电的影响因素基础上,介绍了常见的GIS局部放电检测方法,明确了各类方法的优缺点和适用场合,并提出了一种综合检测方案。实际现场检修表明该方案效果良好。本文的工作将对GIS设备的维护检修工作具有重要的现实意义。

参考文献

[1]严玉婷,王亚舟,段绍辉,等.GIS局部放电带电测试原理研究及现场缺陷分析[J].电瓷避雷器,2012(3):51-56.

[2]王卫东,赵现平,王达达,等.GIS局部放电检测方法的分析研究[J].高压电器,2012(8):13-17,23.

[3]左新宇.利用SF_6分解物检测GIS内部局部放电故障[J].电气应用,2012(7):74-76.

[4]李海波,万荣兴,方勇.兰州东变电站750kV GIS母线筒缺陷原因分析[J].高压电器,2010(11):12-15.

[5]高凯,倪浩,杨凌辉.GIS局部放电检测的技术发展和分析[J].华东电力,2012(8):1384-1388.

局部制冷设备篇2

【摘要】随着社会主义市场经济的高速发展，我国电力系统也逐步完善，将超声—光检测法应用到高压电器设备局部放电检测中，不仅可以降低电磁干扰等现象的产生，还可以提升电力系统运行的可靠性。为此，本文主要对高压电器设备局部放电检测中光纤传感器的概况、实验测量及应用进行了分析与探究。

【关键词】高压电器设备；局部放电；超声-光检测法；光纤传感器；概况；实验测量；应用

随着我国综合实力的提升，对电力系统可靠运行的要求也越来越高。作为电力系统的重要组成元件，电气设备如产生事故，不仅会对其附近设备造成极大的影响，更会给用户造成严重的经济损失。据相关数据显示，电气设备故障的主要原因就是绝缘失效。局部放电因绝缘缺陷引发，使电介质长时间击穿电压常常不到短时击穿电压的几分之一，因此，局部放电作为各种大型电气设备长期运行中绝缘劣化的重要原因而受到关注。为提高高压电器设备局部放电检测的准确性、有效性，英国Southampton大学受声光法的启示，成功将电光法运用到电缆局部放电检测中，通过将局部放电的电信号转换为光学信号，可以有效防止信号传输过程中的外界干扰，并避免过电压问题的产生，在高压电器设备局部放电检测中得到了广泛地应用。

一、光纤传感器的概况

上个世纪90年代，法国PaulSabatier大学R.Mangeret在大气压下通过单根荧光光纤对尖板放电的光信号进行检测，进而对空气与SF6气体内的局部放电光谱图进行了研究，认为光纤、光电探测器选用的不同，将对检测的灵敏度造成直接的影响。在实验室内通过光测法对局部放电特征与绝缘劣化机理等内容进行了分析，并取得了不错的成绩，但这种设备具有较高的成本，为此在高压设备局部放电检测中应选用与之相适应的方式，如光纤技术。作为现代最常用的检测方式，通过光纤传播信号，可以有效隔离测试系统和高压源。在荧光光纤与局部放电光谱特点分析的前提下，在高压电器局部放电检测中此方式得到了大量地应用。

作为放电的光传感元件及传输通道，光纤的抗电磁干扰能力较强。光纤检测最早应用于检测局部放电发出的光信号，也可以称为直接光测法。光纤传感器的基本工作原理就是通过光纤将来自光源的光信息向调制器进行传送，在待测参数和调制区内的光产生作用后，改变光的光学性质，如光的强度、波长等，成为调制的信号源，随后利用光纤向光探测器传送，经解调后，得到被测参数。目前，光纤传感器主要有物性型光纤传感器与结构型光纤传感器两种测量原理。物性型光纤传感器是通过光纤对环境变化的敏感性，把输入的物理量向调制的光信號进行转换。结构型光纤传感器是一种测量系统，其主要组成部分为光检测元件（敏感元件）、光纤传输回路及测量电路。相比传统传感器，光纤传感器的敏感信息载体为光，传递敏感信息的媒介为光纤，这种光纤传感器具有良好的电绝缘性、能力和抗电磁干扰能力，能够远距离监控被测信息，在高压电器设备局部放电检测中具有良好的应用效果。

二、传感器局部放电实验测量

1、实验样品模型

由电缆绝缘缺陷引发电缆局部放电现象，气隙、杂质及金属毛刺等都属于电缆绝缘缺陷。通过光学电缆传感器，可以检测交联聚乙烯电力电缆中局部放电信号的传感能力，其3种典型缺陷模型如图1所示。其中气隙放电模型为（a），同心放置两层电极，交联聚乙烯为中间的3层，其尺寸定为：40毫米x40毫米，选用半径为1毫米的气隙为中间层交联聚乙烯中心，实验过程中应在绝缘油内放置模型。

沿面放电模型为（b），该模型构成成分为交联聚乙烯（40毫米x40毫米）、铜电极（2片）。应先打磨铜电极，确保其光滑性，避免放电干扰情况出现在电极尖端。

表面放电模型为（c），选用40毫米x40毫米的交联聚乙烯，5毫米为相邻两个电极的间距。

2、实验结果

相比局部信号幅值，光纤电流传感器典型缺陷模型采集与提取的局部放电信号内的干扰幅值应小于局部信号幅值，局部信号测量结果的上升沿与下降沿较陡，0.5us为其持续时间。

三、高压设备局部放电检测中超声—光检测法的应用

当局部放电情况出现在高压电器设备内部介质时，其瞬间释放的能量能够加热放电源附近的介质，并促使其蒸发。这种情况下，放电源像声音一样，不断向外进行声波传递。因放电具有极短的持续时间，并能发射出较宽的声波频率，为对声信号进行有效检测，选择传感器极为重要。作为现代传感器技术的重要组成部分，光纤传感技术是在光导纤维与光纤通信技术发展的基础上快速发展的新型传感技术。本文通过对2种光纤传感（Fabry-perot、Mach-zehnder）的介绍，分析了光纤传感技术在高压电器设备局部放电检测中的应用方式。

1、Fabry-perot干涉超声-光检测法

Fabry-perot干涉超声-光检测系统选用的光纤传感器为敏感元件的非功能光纤传感器。传感器探头、光源、光电信号处理器等都是整个系统的组成部分。该方式的工作原理为单色光由光源发射处理，通过3dB耦合器顺着光纤向传感探头内传递，在光纤纤芯-气体交界面入射光产生第一次反射，进入密封气体腔内的为其余入射光，共占96%。二次反射发生在涂有金属层的硅薄膜片上，基本为全反射。随着局部放电出现的超声波压力信号传感探头返回的光信号将对硅薄膜片产生挤压作用，在改变其空间间隙的情况下，光信号也会随着改变，变为干涉条纹。连续干涉条纹的转换能够对密封气体腔间隙改变的信息进行充分反映，基于此，必须确保输出的光信息与实际输入的超声波信号相符合。

2、Mach-zehnder干涉超声-光检测法

光源、光纤绕圈传感器探头、2个3dB光纤耦合器、光电信号处理器等都是Mach-zehnder干涉超声-光检测系统的重要组成部分。如图2所示。其工作原理为经过3dB耦合器将光源发射出的相干光分为2个相等的光束，在信号臂光纤内进行一束传输，在参考臂光纤内进行另一束传输，外界信号在信号臂光纤绕圈探头产生一定作用，两束光在第二个3dB耦合器内进行再次耦合，随后通过光纤分为2束光，并向2个探测器进行传递。

因这个光纤传感器具有较为简单的结构，通过光纤可以对其微弱外部声信号进行探测，也可以利用光纤绕圈匝数的增加，来提升传感器的敏捷性。通过相关实验对函数发生器、电极发电出现的超声波进行检测。通过Mach-zehnder干涉超声-光检测油中局部放电可行性的研究，相比传统压电超声波传感器，这种方式具有较高的灵敏性及性价比。将其光纤绕圈传感探头设置在三相变压器内，可以有效检测具体变压器的局部放电情况，这种系统的应用，可以对局部放电出现的微弱超声波信号进行检测，并能确保定位的准确性。

四、结束语

综上所述，现阶段光纤电流传感器检测中具有较低频率或灵敏度，在检测中主要运用于工频大的电流。宽带高频光纤电流传感器的研制，可以满足局部放电信号频率分布范围广及幅值低的特性。通过Fabry-perot干涉超声-光检测法、Mach-zehnder干涉超声-光检测法的分析，可以有效提升超声-光检测法在高压电器设备局部放电检测中的准确性、灵敏度，为提升电力设备等级与设备可靠运行提供强有力的保障。

参考文献

[1]杨腾孝.试分析高压电器设备局部放电检测中超声-光法的作用研究[J].科技致富向导，2014（30）

[2]肖登明，杨荆林，徐欣，刘奕路.一种用于电力变压器局部放电在线监测的光纤传感器[J].电力设备，2004（03）

[3]司文荣，李军浩，袁鹏，杨景刚，黎大健，李彦明.气体绝缘组合电器多局部放电源的检测与识别[J].中国电机工程学报，2009（16）

[4]张士宝，董旭柱，林渡，王昌长，朱德恒，郝德智，马卫平，郑良华.局部放电监测中现场干扰的分析与抑制[J].清华大学学报（自然科学版），1997（08）

[5]成永红，谢恒堃，李伟，詹翔.超宽频带范围内局部放电和干扰信号的时频域特性研究[J].电工技术学报，2000（02）

局部制冷设备篇3

一、高压设备局部放电原因

高压电工设备大多存在局部放电问题, 系统运行中这问题难以避免, 原因在于设备制造过程中绝缘材料或结构包含一部分气隙或油膜, 这部分比固体绝缘介质更易击穿。比如塑料电缆、互感器与变压器浇筑制造过程中, 不可避免出现气泡问题, 高压电器油浸绝缘中纸层间存在油膜。固体介质介电常数高于空气与矿物油, 电场作用下空气与矿物油承受更大的场强, 本身击穿强度较低, 当外界电压升高到一定程度时空气或油会被局部击穿产生局部放电。

电极边缘存在较为集中的电场, 电厂强度特别高, 比如系统运行中套管电极边缘与高压电机线圈出槽口等部分容易产生放电。工作电压下胶纸套管与高压电机的绕组经常出现局部放电情况[1]。设计制造高压电缆与电容器时, 油纸绝缘起始放电场强大于工作场强, 在电场作用下绝缘纸长时间受到高能量带点质点的撞击出现老化。开始阶段可以吸收气体, 但长时间使用后会形成气泡进而产生局部放电情况。高压设备局部放电主要集中在交流正弦电压下, 对绝缘正常运行产生影响, 其他的比如雷电或操作过电压, 因为时间短且出现概率小, 一般不会造成大的放电危害。直流电压下不经常出现放电情况。

二、高压设备强电局部放电在线监测技术

实际中为全方位实时监测局部放电, 有很多的监测方法, 常见的如电辐射测量、超声波测量及超高频测量等检测方法。高压设备危险局部放电检测可以分成间接检测与直接检测两类。本研究中笔者依据局部放电特点与原理, 结合在线监测系统的设计要求, 以高压开关柜为研究对象, 分析在线监测技术。

局部放电产生的超声波信号被超声波传感器单元中的多个超声波传感器接收, 通过超声波信号调理单元实现信号的放大、滤波及A/D转换, 将处理后的DSP信号送入到DSP单元中;局部放电产生的超高频信号采集通过超高频传感器单元中的多个超高频传感器完成, 通过超高频信号调理单元实现信号的放大、滤波及检波处理, 将处理后的信息送入到DSP单元中;DSP对接收到信号进行处理并提取特征, 通过信息融合。超声波放电信息与超高频放电信息分别进行特征层的信息融合, 然后将特征层融合后的信息进行决策层的信任融合, 得到最终的放电信息, 通过通信单元将放电信息送入到上位机监控单元。模式识别主要通过DSP识别最终放电信息, 判断故障放电原因。除此之外, DSP单元还有显示信息、储存信息及故障报警功能的。

(一) 监测系统结构

在设计该系统的时候, 笔者考虑实际效果决定采用三个超声波传感器, 并将其安装在高压开关柜内壁上, 三个传感器按照三维坐标系结构排列。超声波信号被传感器接收后经过一系列转化变成微电压信号, 接着微电压信号通过同轴电缆传送至超声波信号放大电路, 后者实现微电压信号的放大, 最后超声波信号调理单元接收到放大后的微电压信号。

开关柜内部存在众多的干扰因素, 比如常见的环境噪声、振动信号等, 这些干扰因素会对安装在开关柜内部的超声波传感器造成影响, 为降低或清除干扰信号, 需要借助到滤波处理器, 最终得到相对干净的放电信号。在设计过程中, 决定采用带通滤波器, 高通滤波为4阶巴特沃斯, 截止频率f=20KHz, 低通滤波2阶巴特沃斯截止频率为100KHz。

处理后的滤波信号被送入到A/D转换电路中, 将信号转换成满足DSP输入要求的数字信号, 接着转换后的信号进入DSP单元, 并在其中进行一系列的后续处理。在DSP处理单元中, 三路超声波信号通过DSP芯片进行快速傅里叶变换, 放电信号的频谱特征被充分掌握, 接着依据频谱特征快速提取信号特征值, 进行特征层信息融合, 本系统中采用最简单与最直观的信息融合方法-加权平均法;最后融合后的超声波放电信号经过DSP进行特征信息的模式识别, 判断放电信号的正确性, 如果时系统则会发出报警信号。除此之外, DSP信号可以计算并实时显示放电参数, 并将信息通过通信单元传送至监控室, 监控人员通过终端及时掌握相关信息。

(二) 超高频放电在线监测单元设计

实际中高压开关柜局部放电过程中, 当介质具备很高的强度时, 产生很大的击穿场强, 击穿时间变得极短, 产生很陡的放电电流脉冲与频率丰富的高频电磁波信号, 这部分电磁波频率多在 (0.3-3) ×103MHz范围内。

本系统设计过程中为避免外界电磁信号的干扰, 对局部放电产生的超高频信号的检测范围也在 (0.3-3) ×103MHz, 为保证效果检测过程中采用多个超高频传感器。系统采用带通滤波电路的超高频滤波电路, 高低通滤波截止频率分别为500MHz与1500MHz。接着送至检波电路, 本系统中采用包络检波的检波电路, 将低频信号从高频信号中提取出来, 滤除超高频传感器输出的震荡信号并保留信号的相位与幅值信息。DSP单元进一步处理经检波电路等处理得到的信号。

类似于超声波检测单元, DSP单元中的DSP芯片提取三路超高频信号特征, 提取特征后进行特征层信息融合, 进而得到相对可靠的超声波放电同和信号, 最后融合后的超声波放电信号特征信息经过DSP模式识别, 将放电信息的各特征参数与模式识别结果实时显现, 并将相关信息传送至监控室。

三、结语

电力企业高压电气设备运行工作中局部放电在线监测技术起着重要作用, 可以准确监测设备局部高压放电类型与大小、同时准确定位与识别, 确保电气设备正常稳定运行。

本研究中笔者首先分析高压设备局部放电的原因, 并给出高压设备危险局部放电在线监测技术应用步骤, 确保电网正常运行, 保证社会主义市场经济健康、稳定及快速发展。

摘要：近些年我国电力事业发展迅速, 电力企业日常工作的重要内容就是监测与维护高压设备, 特别是高压设备局部放电问题。电力企业为提高高压设备危险局部放电维护效果, 广泛应用在线监测技术。基于此, 本研究中笔者结合实际工作经验, 分析在线监测技术在高压设备危险局部放电中的具体应用, 促进高压设备危险局部放电维护效果。

关键词：高压设备,危险局部放电,在线监测,技术分析

参考文献

[1]王昌国.天气对高压设备运行的影响及防控路径[J].通讯世界.2015 (12) :112.

[2]高志佳.试论发电厂高压电气设备放电检测方法[J].民营科技.2015 (12) :48.

局部制冷设备篇4

某煤矿深部为二级热害矿井, 井下地质条件复杂, 热害严重, 平均地温梯度2.21℃/100m, 在-850m水平以下, 围岩温度达37℃以上。2442面回采期间, 冬季温度平均31℃~32℃, 夏季则高达35℃~36℃, 其他季节回风流平均温度33℃~34℃, 这一问题已对井下作业人员的工作效率、安全和健康产生了很大的影响, 成为制约矿井安全生产的重要因素之一。因此, 决定在该工作面进行局部制冷降温装置———矿用隔爆兼本质安全型变频空气调节装置。

2 安装设备峒室的施工

根据安装设计该空调回冷峒室布置在2442回风上山右侧的9煤回风横管内, 要求峒室长20m, 宽5.5m, 高度3.0m;峒室支护形式:锚网梁索柱联合支护, 锚杆间排距为700mm×700mm。

制冷机组峒室布置在2442下运输斜巷上三角门往下25m范围内。要求峒室长25m、宽5.5m、高2.6m。峒室及扩巷支护形式:锚网梁索柱联合支护, 锚杆间排距为700mm×700mm, 戴帽单体点柱沿刷巷下帮打设, 间距为1m。

3 制冷循环水管路安装及调试

安装Φ200双层循环水钢管1700m。布置方式为从制冷机组至回冷机组, 分别安装一进一回两趟Φ200mm循环水管路, 进水管路设置在距巷道底板1.5m处, 回水管路设置在距巷道底板0.2m处, 管路两端及中间分别设有阀门控制。

为保证制冷效果减少冷量损失, 按照设计要求, 从蒸发器出风口至工作面下出口 (进风风流入口) 要延接400mΦ800mm的双层保温风筒。将空调器制冷风流直接送到工作面下出口。

在试运行过程中发现, 由于里外层风筒布之间夹有一层石棉保温材料, 里外层风筒没有采取粘连措施, 当制冷风机的700m3/min的风量通过后, 强大的压力将风筒内层多余风筒布赶到风筒接头处, 造成风筒内部通风断面缩小, 影响制冷效果。针对这个问题厂方和夹河矿及时研究对策,

本文为江苏高校青蓝工程资助。

风筒供应商到现场实地考察, 并更换了400m新型Φ800mm双层粘连隔热保温涂层风筒, 彻底解决了这个问题, 正常运行后风筒出口风量达到700m3/min。

4 装置试运行效果分析

(1) 该装置试运行过程中性能稳定, 可靠性高, 安装维护简单, 操作使用方便。所有运行参数达到《煤矿安全规程》要求, 改善了井下工作面作业环境。

(2) 制冷功率大, 制冷、除湿效果明显。根据实测, 风筒出口风量为700m3/min;蒸发器进口温度为25℃时, 蒸发器出口温度为15℃, 蒸发器进、出口温度降低了10℃, 风筒出口温度由原来的26℃降至18℃, 降低了8℃, 相对湿度由原来的96%降至76%, 降低了20%;下工作面温度由原来的29.5℃降至26.2℃, 降低了3.3℃, 相对湿度由原来的94%降至89%, 降低了5%;上工作面温度由原来的31℃降至29.6℃, 降低1.4℃, 相对湿度由原来的96%降至93%, 降低了3%。

(3) 能效比高 (能效比可达4.0, 节能效果明显) 。

(4) 易损部件少 (仅为活塞式压缩机的1/6~1/10) , 故障率低, 使用寿命长。

(5) 保护齐全 (具有排气压力高保护、油温高保护、油压差低保护、吸气过滤器压差大报警等多种保护) , 确保机组运行安全可靠。

(6) 自动化程度高, 操作方便, 降低司机的工作强度, 改善了现场环境。

5 经济效益分析

(1) 矿用隔爆兼本质安全型变频空气调节装置与地面集中制冷装置、井下集中制冷装置以及国外进口的同类设备相比较, 不但初期投资少, 维修费用低 (周期维护费用只有进口设备的1/2) , 而且能效比也比其他设备要高出约15%左右。

(2) 降低了工作面作业环境温度, 提高了工人的劳动效率, 平均工效提高将近20%, 每年可产生直接经济效益为345.5412万元。同时改善了井下工作人员的作业环境, 稳定了职工队伍, 实现了煤矿安全生产, 社会效益十分显著。

(3) 随着矿井开采深度的不断增加, 深部热害问题也将日益突出, 国内大多数矿井都将面临这一问题, 该局部降温系统的推广应用, 将产生可观的社会效益和经济效益。

6 结论

矿用隔爆兼本质安全型变频空气调节装置在2442工作面投入试运行以来, 运行安全、平稳、可靠, 降温、除湿效果显著, 满足了煤矿安全规程要求及井下工作面局部降温、除湿的需要, 为工人创造了舒适的井下作业环境。

(1) 选用了相对于活塞冷凝机组来说能效比更高的螺杆压缩冷凝机组, 结构简单, 易损件少, 震动小, 容积效率高。

(2) 该系统通过二次换热, 把热量排到回风巷, 解决了冷却热排放困难的问题。同时, 采用封闭式的换热设计和隔热风筒远距离送冷风技术, 解决了换热器淤堵及隔热风筒保温效果等难题。

(3) 采用防爆变频技术, 根据环境温度要求自动调节制冷量和送风量, 提升了换热温差, 提高了换热效率, 解决了环境湿度过高蒸发换热不利的难题。

(4) 本装置具有完善的闭锁装置和实时监控、故障自诊断、远距离通讯等功能, 同时, 性能稳定, 可靠性高, 安装维护简单, 操作使用方便, 应用范围广, 具有良好的推广应用前景。

摘要：针对煤矿高温工作面, 采用局部制冷技术进行降温, 系统简单易于维护, 初期投资小, 运行成本低廉, 降温、除湿效果显著。

局部制冷设备篇5

随着社会经济的不断发展和科学技术水平的提高, 电力生产也随之实现了较大程度的突破, 传统的停电试验检测方法已经逐渐被带电测试技术所取代, 并且在电力系统中实现了广泛的应用, 主要包括了GIS超声局放技术、电力系统谐波监测技术以及红外线成像技术等, 不仅能够全面的反应电网设备的实际运行情况, 还能够为检修策略的制定提供科学的参考依据, 是确保电力系统安全稳定可靠运行的根本保障, 并且成为电网设备状态检修工作不可或缺的重要一部分, 必须要对带电检测技术加以重视。

1 开关柜局部放电特征

开关柜中典型的局部放电类型包括了以下几个方面:

(1) 金属尖端放电。开关柜针尖电晕模型的放电电压一般是5k V, 其放电量在50~65p C范围之内;局部放电的相位主要集中在270度附近, 且放电的次数都比较多;由于电晕放电的UHF信号检测频率通常都是大于300MHz, 进而导致检测灵敏度较低。

(2) 悬浮电位放电。悬浮电位放电的产生主要是由于变电设备中的部件发生了松动的现象, 或者是设备部件和非移动金属颗粒之间而产生的放电;一般情况下, 开关柜的悬浮放电电压为3.5k V, 其放电量约在280~320p C之间, 相位集中在一、三象限。

(3) 自由金属颗粒放电。开关柜的自由金属颗粒放电一般是指金属颗粒和开关柜部件之间的放电, 放电电压一般是3.5k V, 放电量在12~25p C之间, 但是其局部放电的相位的规律性不是十分明显, 且放电呈现出不稳定的特点。

(4) 绝缘件内部气隙放电。绝缘件内部气隙放电主要包括了绝缘材料内部的异物、孔隙和裂缝等, 其放电电压一般是2k V, 放电量在55~300p C范围之内, 其局部放电的相位在各个象限中均存在, 因此在正负半周上局具有一定的对称性。

2 开关柜局部放电带电检测技术

2.1 地电波检测 (TEV)

当局部放电的活动出现在开关柜绝缘层中的时候, 就会产生在无线电频率范围之内的电磁波, 其中的一部分会通过金属外壳气体绝缘开关的封垫或者是其他绝缘部件周围的间隙传播出去;当电磁波遇到开关柜的接地金属外壳的时候, 就会产生一个瞬态接地电压, 并向地下继续传播;这种瞬态接地电压一般是在几毫伏到几伏之内不等, 且存在的时间比较短, 因此可以在开关柜工作状态下对其外表面进行局部放电活动的检测。

按照我国相关的规定, 要求暂态地电压检测的周期为以下标准:对于新设备而言, 要在其投运之后的一周内进行一次检测;运行过程中则要在半年至一年的时间内检测一次;当发生缺陷或不良现象时应进行一次检测;且在每一次的检测过程中, 应该使用同一个检测仪器对同一站的所有开关柜进行检测。

判断依据:在进行地波检测作业的时候, 放电脉冲数是判断变电设备是否存在放电的一个重要依据;在正常的情况下, 2s时间之内的局部放电信号所发出的脉冲数会在50~500个范围之内;当实际检测到的脉冲数>1000个的时候, 判断检测到的为干扰信号, 而不是局部放电位号;其具体的检测参考值如表1所示。

2.2 超声波检测 (AE)

开关柜在局部放电的过程中都会产生声波, 这种声波的频谱一般都很宽, 可以从几十Hz到几MHz不等, 且其中低于20k Hz的信号频率能够被人耳直接的听见, 但是高于20k H的信号频率就必须要借助超声波传感器才能接收。超声波传感器将超声探头所检测到的信号以声压的形式显示出来, 同时将其转换成人耳可以判别的声音信号, 工作人员通过对耳机中的放电声音进行分析就可以判断设备是否存在放电的问题。超声波检测的周期与暂态地电压的检测周期相同。

判断依据:超声波检测技术的原理实际上声音检测, 主要是对耳机中所检测到的声音信号进行判断, 并将检测数值作为辅助, 这是因为空气中所存在的其他声音信号也会使得检测仪器的幅值出现变化, 但是一般不具有放电现象所特有的声音特征, 其具体的检测参考值如表2所示。

3 开关柜局部放电带电检测案例分析

3.1 案例概况

2013年, 某供电公司的电气试验班对某110k V变电站10k V开关柜进行了以暂态地电压和超声波为主的局部放电的带电检测;开关柜的型号为KYN28, 出厂日期为2005年3月。所有开关柜上的TEV数值都在正常的范围之内;9511隔离手车前面的下部超声波检测值为15d B, 后面的为20d B;901断路器柜前和柜后下部的超声波检测数值均为9d B, 且能听到明显的放电声, 初步分析是由于母线套管受潮和绝缘间隙不够, 使得穿柜套管的表面存在沿面放电, 同时9511隔离手车正处于危险状态。

3.2 检测分析

3.2.1 带电检测

工作人员首先利用暂态地电压的方法进行检测。第一步先对现场环境中的背景噪声进行了检测, 其TEV幅值最大为11d B, 由此可以说明现场中存在一定程度的干扰;之后对10k V开关柜进行了常规检测, 结果显示开关柜上所检测到的TEV幅值均在正常的范围之内。

3.2.2 超声检测

在开关室内的中间上部的进线桥架处具有较为强烈的震动声, 但不存在局部放电声音;9511隔离手车的前面下部的超声值为15d, 后面的下部为20d B;901断路器柜前面和后面下部的超声值均为9d B, 且能够听见明显的放电声;其余的开关柜的超声检测值均在正常的范围之内, 没有发现明显的局部放电现象。

对9511隔离手车进行观察, 可以清楚的看到柜体下部的湿气较大, 母线套管上面存在明显的凝露, 且A相压线处具有氧化铜绿, 后下部的穿柜套管和母排位置处有十分显著的黑色放电痕迹。因此, 断定9511隔离手车正处于危险的状态, 且局部放电源位于柜体的下部分, 应该尽快对其进行有效的处理;901断路器的可靠性处于下降状态, 应该加强对其的关注度, 并进行适当的处理;其他开关柜运行状态正常, 按照正常周期进行检测即可。

4 结束语

综上所述, 带电检测技术是状态检修工作中的重要一部分内容, 通过不同带电检测技术的分析, 能够准确的反映出变电设备的实际运行情况, 使得工作人员能够及时的发现设备运行过程中存在的问题, 并在第一时间对其予以解决, 从而有效的避免了事故的发生;另外, 带电检测技术的应用能够极大程度的减少停电试验的次数, 不会对用户的用电产生不必要的影响, 而且还能够为检修策略的制定提供科学的依据, 是保证电力系统安全稳定运行的基础条件, 具有十分重要的现实意义。

摘要：在人们用电需求量不断增加的现阶段, 社会各个领域中对电力系统运行的稳定性和可靠性也提出了越来越高的要求, 使得电网的状态检修工作面临着一定的挑战。带电检测技术是电网状态检修的重要组成部分, 是对以往停电试验检测的有力补充, 是及时发现设备运行故障、避免事故发生和保证供电连续性的前提条件。因此, 本文针对变电设备 (开关柜) 局部放电带电检测技术的问题进行了简要的分析。

关键词：变电设备,局部放电,带电检测技术

参考文献

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[2]黄诗敏.10kV开关柜局部放电带电检测技术应用与仿真分析研究[D].北京交通大学, 2015.

[3]王少华, 叶自强, 梅冰笑.输变电设备在线监测及带电检测技术在电网中的应用现状[J].高压电器, 2011, 04:84~90.

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局部制冷设备篇6

1 局部放电在线监测技术基本含义

在电力企业高压电气设备日常运行与维护过程中,局部放电指的是由于高压设备自身绝缘层老化、内部存在缝隙等缺陷,而使其在传输电压电流时容易在设备表面出现电荷集聚现象,进而导致高压设备局部放电现象发生。对于一般的电力企业而言,其电气设备日常传输的电压均为高压,因而其表面积聚的电荷往往非常巨大,所形成的局部放电也多为强电。一旦电气设备发生局部高压放电,就很可能会给设备自身及其他设备的工作性能、运行状态、使用寿命等带来不利影响,既增加了电力企业的生产成本,又造成了设备维修与更换费用的不必要浪费。因此,必须采用在线监测技术对高压设备强电局部放电进行实时在线监测。

2 高压设备强电局部放电在线监测技术基本内容

2.1 局部放电在线监测技术的基本原理与方案设计

现阶段,对于高压设备强电局部放电主要针对的是设备表面或内部绝缘层的局部高压放电,因而局部放电在线监测一般多指高压设备绝缘层的局部放电在线监测。高压设备强电局部放电在线监测实现的基本原理是局部放电的原理与特点。当高压电气设备发生强电局部放电时,变压器内部就会产生超声波、电辐射、光、电脉冲等,容易造成变压器内部温度过高,导致变压器烧毁现象发生。如果局部放电是发生在油中,那么放电的同时还会伴随有气体的产生,从而增加能量损耗。为实现对局部放电全方位准确的监测,超声波测量、电辐射测量、声光信号检测、电脉冲测量、红外线测量、超高频测量等许多与局部放电有关的检测方法应运而生。这些方法对高压设备强电局部放电的检测有直接检测和间接检测两种形式。根据局部放电特点与原理,以及在线监测系统的设计要求.本文决定采用定位精度高、抗干扰性强的超声波定位法对高压设备强电局部放电进行实时监测。

2.2 局部放电在线监测基本步骤

利用超声波定位法对高压设备局部放电在线监测的基本步骤大致如下:首先,利用系统传感器对电气设一备局部放电位置发出的超声波信号进行采集与滤波处理,利用双转换器将模拟超声波信号转换成数字信号。然后,对转换后的超声波信号进行模式识别,以判断出设备局部放电量的大小与类型;同时对转换后的超声波信号进行延时计算,对超声波信号到达各传感器之间的时间差及各传感器的空间坐标进行求解。最后,依据求出的传感器空间坐标与超声波信号到达各传感器之间的时间差来对高压设备局部放电点的具体位置进行准确定位.再借助计算机、图像处理软件将放电点的具体位置以三维立体形式显现在高压设备相应的模型之中,最终完成对高压设备强电局部放电的在线监测。

2.3 干扰信号的抑制

高压电气设备发生局部放电时,往往伴随有噪声干扰,加之一些其他不确定因素,很容易对在线监测系统的监测效果产生影响。所以,在局部放电在线监测系统对高压设备运行状态进行实时监测时,为防止干扰信号和噪声对监测效果产生影响,就需要采取必要的干扰信号与噪声抑制措施。一般情况下,高压设备局部放电干扰信号的来源主要有变频设备、逆变设备、整流设备,整个电网中的全部变压器,较大型单相电力电子装置,高新技术中的元器件等。这些设备、装置和元器件在高压设备实际运行过程中都有可能发生局部放电,产生谐波电压电流等干扰信号,进而对传感器与线路工作性能产生干扰,加快电气设备绝缘层老化,增加电力设备损耗,降低设备运行效率,缩短设备使用寿命。除了谐波电流这一干扰信号外,还有电磁辐射干扰、电源干扰等一些其他类型的干扰信号。

要想有效防止干扰信号对高压设备强电局部放电在线监测的干扰,首先就需要对干扰信号的类型进行区别,然后在此基础上制定有针对性的抑制措施。目前,较为有效的一种抑制方法就是提高试验人员对局部放电干扰信号波形及其之间的区别能力,并相对全面准确的掌握高压设备局部放电的特征与电压电流和时间规律等有关内容,尤其是局部放电的电压相位特征和电气设备局部放电效应。局部放电电压相位特征是指造成高压设备局部放电电荷的趋向性。通常而言,许多高压设备绝缘层发生局部放电时,放电电压的相位与零位都具有一定的特征,而许多局部放电在线监测系统就是利用这一特征来实现对高压设备局部放电位置的监测与定位。局部放电效应是指电压效应和时间效应,即局部放电电压会随着时间的变化而变化,即高压设备局部放电往往会随着时间而呈现出某种共有的特征。利用这一点,也可以达到较好的在线监测效果。

3 结语

局部制冷设备篇7

随着社会的进步,电力系统也在快速发展,电网电压等级越来越高,覆盖范围越来越广,电力设备的安全可靠运行也越来越重要。由于电力设备一般都处于室外,不可避免地会产生绝缘损坏、老化等现象,局部放电也会随之产生。局部放电能加快对电力设备绝缘的破坏,降低绝缘寿命,严重影响设备的安全运行。局部放电发生的同时会辐射出光波,紫外成像法正是一种通过探测局部放电辐射出的紫外光信号,进行电力设备在线检测与故障诊断的新兴技术[1,2]。利用阳光紫外线中存在的日盲区,结合图像处理技术,能够清晰地将放电位置和放电强度在图像中显示出来。该方法可用于检测电力设备表面局部放电、电晕放电、绝缘状态等,并能与红外热成像技术形成有效互补,提高对电力设备检测的快速性和准确性。

1 紫外成像检测原理

高压设备发生电离放电时,会辐射出一系列不同波长的电磁波。紫外线的波长范围为100~400nm,阳光中也含有紫外线,但由于臭氧层的吸收,最终到达地球的紫外线波长都在280 nm以上,低于280 nm的区间成为日盲区[3]。局部放电产生的紫外线波长有一部分在280 nm以下,即处于日盲区中,可以通过检测此波段的紫外线来判断局部放电状态,同时避免阳光的干扰。

图1为紫外成像系统原理图,信号源被背景光照射后产生的混合光进入到成像设备,通过紫外光束分离器分成两部分:一部分经过信号增强放大后进入到可见光镜头,在可见光相机中形成可见光图像;另一部分则通过“日盲”滤镜,过滤掉日盲区以外的光线,进入紫外镜头,并在紫外相机中形成紫外图像。最后采用特定的图像预处理和融合方法,形成最终输出影像。

2 图像预处理

紫外双光谱检测系统获得的图像是通过微光像增强器和CCD数据采集系统形成的,增强器和CCD在提高亮度和采集数据过程中都会产生噪声,因此,要先对图像进行预处理以降低噪声[4]。

2.1 中值滤波及其改进算法

在成像通道中,最常出现的噪声类型为椒盐噪声,还含有少量高斯噪声,如图2所示为混入噪声的绝缘子放电可见光图像和紫外图像[3]。对于椒盐噪声,一般采用中值滤波方法对图像进行处理,该方法首先对滤波器窗口内的图像点按灰度值进行排序,选择排序后的中值作为滤波器输出,即所要处理的图像点的灰度值。

为抑制图像中包含的高斯噪声,将中值滤波与均值滤波算法相结合,提出一种改进算法[5]。对滤波窗口内图像点排序后,以中值点为中心,给每个点分配权值,离中心点越近权值越大,将每个点的灰度值与其权值相乘再求和,最后将和值作为滤波器输出赋给要计算的图像点。算法步骤如下:

(1)假设所计算的图像点坐标为I(m,n),以其为中心,取N×N(N为奇数)图像区域作为滤波器窗口,取p值为N/2的整数部分。

(2)将窗口内NN个图像点排序后,灰度中值点为I(a,b),则任意点I(i,j)与中值的距离d为

(3)权值大小需与距离d呈负相关关系,故取1/(1+d2)作为各点分配权值的系数,则权值r(i,j)可表示为

从式(2)中可以看出,中值点I(a,b)处权值最大,图像点I(i,j)与中值相差越小,权值r(i,j)越大,反之则越小。

(4)对窗口内所有图像点灰度值进行加权求和,即得滤波器输出

此外,还要对滤波窗口进行选择。滤波器窗口即滤波器所包含的图像像素区域,窗口的大小直接影响着滤波效果和图像处理的效率。

2.2 图像质量评价指标

本文采用信噪比作为图像质量的评价指标,设R为不含噪声的理想图像,F为混入了噪声的图像,将R与F做差得R(i,j)-F(i,j),若在图像点(i,j)处含有噪声,则R(i,j)-F(i,j)不为零,反之则为零。由此定义信噪比SNR为

从式(4)中可以看出,图像F中包含的噪声越小,[R(i,j)-F(i,j)]2越小,信噪比越高,图像质量也越好,理想图像的信噪比为无穷大;反之则信噪比越低,图像质量也越差。

2.3 实验结果分析

为验证改进算法的效果及选择滤波窗口,分别用中值滤波及其改进算法对图2中含噪声图像进行不同尺度的窗口滤波,根据式(4)可得四幅图的信噪比及各窗口处理所用时间,如图3所示。

从图3可以看出,对于中值滤波器,3×3窗口下滤波得到的图像信噪比最高,耗时也最少;采用改进算法之后,图像信噪比有所增加,且窗口大小对信噪比影响不大;3×3窗口下改进后算法消耗时间比中值滤波稍有增加,其它窗口下耗时增加较多。综上所述可知,3×3窗口下的改进中值滤波算法在滤波效果和耗时上均具有优势,因此在系统中选用33窗口改进中值滤波器最佳。如图4所示为可见光图像和紫外图像在改进算法下的滤波效果。

3 图像融合

紫外成像检测系统是对紫外信号和可见光信号分别进行采集和处理的,检测的最终目的是对紫外辐射信号进行定位和故障分析,因此必须经过图像融合,将分离的紫外和可见光信号合为一帧图像,从而准确判断发生紫外辐射的位置和故障状况。

3.1 图像融合原理及评价指标

图像融合是通过特定算法将两幅或多幅源图像合成为一幅新图像。本文融合的目的是将紫外光斑融入可见光背景中来判断紫外辐射的源点及放电程度。因此选择基于信息量的评价体系[6],在该体系中,选择信息熵和互信息量作为本文图像融合质量的评价指标。

对于一幅图像,将其各像素的灰度值作为相互独立的样本。若灰度级为L,则每个像素点的灰度i取值范围为0~L-1,取事件I={0,1,…,i,…,L-1}为随机变量,其概率分布P={P0,P1,…,Pi,,PL-1},iP表示图像中像素灰度值为i的概率,即灰度为i的像素数Ni与图像像素数N之比。每个事件的资讯量可表示为

此处取b=2,单位为bit。则图像信息熵H可定义为资讯量的期望值

从式(6)可以看出,信息熵代表着图像信息的丰富程度,融合图像的熵越大,说明融合图像信息量增加越多。

由概率论可知,事件Y对事件X的互信息可表示为

推广到图像中,设A、B为两幅源图像,F为融合后的图像,则互信息量可表示为

互信息量MI((A,B);F)越大,说明融合图像从源图像中提取的信息越多,融合效果也越好。

3.2 图像融合算法

图像融合的方法有很多,为获得较大信息量,本文采用多分辨率融合方法,该方法将两幅源图像分别依照某个模板进行自底向顶的分解,然后对两组图像中同一层上的图像按照一定的算法进行融合,得到一组新的图像,最后采用模板的逆变换得到输出图像。

3.2.1 金字塔变换法

金字塔变换法是多分辨率融合方法的一种,该方法按照一定的编码算法将源图像分解为不同分辨率的图像,并按尺寸大小自下向上排序,形成一个下大上小的金字塔,将每一层融合之后再按照原始编码的逆变换将金字塔重构为融合图像[7]。

根据塔形变换时编码算法的不同,金字塔变换法可分为拉普拉斯金字塔变换、比率低通金字塔变换、对比度金字塔变换和梯度金字塔变换四种[6,7,8],本文对每种方法都进行了实验和分析。

3.2.2 小波变换法

小波变换法是在金字塔变换法的基础上提出来的,区别在于小波变换是对图像在不同频率通道上进行的处理[9,10]。图像经过小波分解后得到在水平、垂直及对角方向的高频信息和相应分辨率下的低频分量,小波基的正交性消除了高频与低频信号之间的相关性,然后对不同频道选用不同的规则融合,确定小波系数,最后经过逆小波变换重构图像。本文选用Mallat快速小波变换法[6]进行图像融合。

3.3 图像融合质量分析

为验证不同融合方法和分解层数对融合质量的影响,本文采用以上各种方法在不同分解层数下对图4中两幅图像进行了融合。根据式(6)和式(8)求得不同方法下分解层数与信息熵、互信息量的关系如图5所示。

从图5(a)中可以看出,拉普拉斯金字塔变换法、小波变换法和对比度变换法得到的融合图像信息熵较大,梯度变换法和比率低通变换法得到图像的信息熵较小;此外,除比率低通变换法外,其他方法得到的信息熵都随分解层数的增加而增大。图5(b)中,拉普拉斯金字塔变换和小波变换法下生成的融合图像互信息量较大,表明其从源图像中获取的信息最多,而另外三种方法获得的互信息量稍小;除比率低通变换法外,其他方法的互信息量随分解层数的增加而增大,但分解层数在增大的同时也增加了程序运行所需时间。

综上所述,我们将比率低通金字塔变换法和小波变换法(拉普拉斯金字塔变换法所得图像与其相似,此处不列出)得到的不同融合质量的图像进行比较,如图6所示,从视觉效果上即可看出融合方法的选择对后续的故障诊断有很大影响。图6(a)所示的经比率低通金字塔变换后的融合图像故障区域边缘不明确,难以实现故障的准确定位,图6(b)所示的融合图像故障区域边缘比较明显,易于对故障点进行定位,实现电力设备的局部放电故障检测。

从图5分析可知,小波变换法可以得到与拉普拉斯金字塔变换法相同的效果,且小波变换具有其独特的优势,其变换后图像大小与原图像相等,不产生冗余,变换后的图像提供有方向信息等。在系统设计时,可根据系统对融合效果、处理速度、准确度等各方面的要求确定图像融合的分解层数,一般采取四层小波变换法为最佳。

4 局部放电故障检测

图像融合的目的是对局部放电故障进行检测,可通过紫外图像中的亮斑来确定放电区域[11,12],从而在融合后的图像中对故障点进行定位。

4.1 Canny边缘检测

紫外图像中放电光斑与背景边缘区分比较明显,可直接根据图像梯度的变化来确定。本文选用Canny边缘检测算子[13]在紫外图像中检测放电光斑,得到边缘点的坐标,求出光斑面积并根据面积大小去除周围杂散的颗粒点,保留下的较大光斑位置即为电力设备的主放电区域,最后在融合图像中定位故障区域。

4.2 故障检测流程

(1)将紫外图像转换为灰度图,灰度级为0~255,对灰度图进行二值化,阈值取240,得到紫外图像的二值图。

(2)采用Canny算子对二值图进行边缘检测,其中高斯平滑模板取3×3,双阈值检测时取低阈值τ1=2,高阈值τ2=4,得到边缘检测效果如图7(a)所示。

(3)根据边缘检测结果,求得每个闭合区域的面积,确定故障区域。本文选用图像大小为300Τ180,将光斑面积大于整幅图像0.5%即270的区域定义为故障区域,图7(a)中较大光斑面积为408,故确认为故障点,其余杂散点可忽略不计。

(4)根据紫外图像中求得的故障区域边缘点坐标,在融合图像中对故障区域定位。如图7(b)所示,可清晰地辨别出故障点位置及故障程度。

5 实例分析

为验证上述方法的实用性,本文选取800张实际拍摄的电力设备紫外图像作为样本库进行试验。每次从样本库中随机抽取300张图片检测,检测过程如图8所示。