输电线路中缺失绝缘子的检测与定位

输电线路中缺失绝缘子的检测与定位

李章军 左鸿帆

山东中茂实业集团有限公司

摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，在对无人机航拍图像中缺失绝缘子进行特征分析的基础上，提出了对绝缘子轮廓进行椭圆拟合与筛选进行缺失绝缘子定位的方法。该方法在使用Canny算子进行边缘检测后，对得到的边缘图像进行边缘细化、剔除细小边缘、形态学闭运算的处理，以去除边缘图像中的无关信息，并将部分断裂边缘重新进行连接，得到完整的边缘图像。最后通过对不同轮廓间进行椭圆拟合与相互匹配，正确标记真实绝缘子所在位置，并通过真实绝缘子的圆心位置、平均圆心距、绝缘子轴线斜率等信息求出缺失绝缘子的位置并进行标记。通过实验证明，该方法能在背景较复杂的情况下对缺失绝缘子进行定位，具有一定的实用价值。

关键词：绝缘子检测;图像处理;输电线路

引言

目前，复合绝缘子因具有良好的防污性能、耐污闪、绝缘强度高、重量轻、相对尺寸小等优点而在我国得到大量运用，尤其是在重污秽地区。１９８０年代初我国就开始研制和使用复合绝缘子，经过不断发展，其制作工艺、帽端连接方式及伞裙护套结构已逐渐成熟。尽管如此，在实际运行实用中仍出现绝缘子破损、老化、掉串等故障，对电网安全运行构成了严重威胁。复合绝缘子中存在缺陷时将直接改变绝缘子自身的电容分布，使得运行中绝缘子及周围空间的电场分布与正常状态时相比，出现较大的变化。运行过程中，芯棒高压端附近场强最高，在强电场、湿气、污秽物、高温日照和机械应力的长期共同作用下，绝缘子性能将产生不可逆的劣化，特别是当复合绝缘子串出现芯棒受潮时，受潮部分芯棒电阻将急剧下降，丧失绝缘性能，使绝缘子串耐压能力下降，从而产生导通性缺陷。存在导通性缺陷的复合绝缘子，其爬电距离会减少，将大大增加绝缘子串的闪络概率。此类缺陷通常存在于复合绝缘子内部芯棒，不易发现。若在含有此类缺陷的复合绝缘子线路上开展带电作业工作，将造成不可挽回的人身伤亡事故。

1随机森林原理

传统的决策树方法，容易出现过拟合，致使泛化能力低，随机森林（ＲＦ））是由多个决策树构成的分类器集合，因其对原始信号的噪声具有较高的包容度，所以其分类精度相对较高。ＲＦ通过ｎ个决策树分别对原始数据进行分类，分类后的结果通过投票统计。

2输电线路中缺失绝缘子的检测与定位

2.1形态学闭运算

在使用Canny算子对图像边缘进行提取后，由于部分边缘点的梯度值过小，因此无法将其检测出来，从而造成图像边缘的断裂。通过对图像进行形态学操作，可在图像中对位置相近的像素进行连接，使之形成一个统一的整体。本文使用形态学中的闭运算来对图像的断裂边缘进行连接。闭运算即先对图像进行膨胀操作以连接图像断裂边缘，再对图像进行腐蚀操作以将加粗的边缘线条再次细化。设A和B为图像Z2的子集，则膨胀可用AB表示，腐蚀可用AΘB表示，表达公式如下。AB={c∈Z2|c=a+b，a∈A，b∈B}(1)AΘB={c∈Z2|c+b∈A，b∈B}(2).闭运算前后断裂部分的局部图如图1所示。

图1边缘连接的局部图像

2.2傅里叶红外光谱分析(FTIＲ)

有机物质经红外线照射后，选择性地吸收其中某些频段，经红外光谱仪记录下的吸收谱带即红外光谱图。FTIＲ广泛应用于物质的化学组成分析，根据物质在红外光谱照射后吸收波段的特点来推断该物质内部所含官能团，并依照特征吸收峰的峰值、强度、面积等来定量分析该官能团含量的相对变化，可用于复合绝缘子用硅橡胶的理化特性的研究。参考GB/T6040—2002红外光谱分析通则，使用型号为赛默飞IS50的傅里叶红外光谱仪，测量硅橡胶表面粉化层以及未老化层，将样品表面磨平，放置在ATＲ棱镜上，从样品后侧加压，使样品与棱镜均匀接触。随机对500kV孝浉II线故障绝缘子中的两支绝缘子粉化层区域进行采样，进行红外光谱检测，并与伞裙内层未老化的部分进行比较。

2.3复合绝缘子电场计算

（１）载荷及约束条件。该模型的边界条件为均压环和导线以及绝缘子高压端金具的电压施加为运行最高相电压有效值２８８．７ｋＶ；低压端金具、地面和部分杆塔为０Ｖ；悬浮导体是未加电压的导体，其感应电荷总量为０Ｃ。对导通性存在缺陷复合绝缘子仿真计算时，假设导通性缺陷段电阻为０Ω，其电导率为无穷大，以模拟实际中最坏的缺陷情况。（２）网格划分特征。根据复合绝缘子高度、计算区域及复合绝缘子伞裙等结构特点，在有限元仿真计算时，采用多级网格划分方式。绝缘子串及其周围的空气采用较密的网格划分，最小尺寸为２ｍｍ，最大尺寸为６ｍｍ；较远的空气采用较稀疏的网格划分，最小尺寸为６ｍｍ，最大尺寸为２０ｍｍ。

2.4缺陷识别

深度学习和图像处理均可用于绝缘子的缺陷识别，统计两种方法的准确率和效率。深度学习方法的准确率和效率均更高。图像处理易受背景干扰的影响，图像滤波后，仍有一定噪声，所以深度学习的准确率更高。深度学习仅在数据训练阶段花费一定时间，且这部分时间可在ＧＰＵ上进行，而后期检测速度很快，所以相对于图像处理方法效率更高。

2.5多轮廓椭圆匹配

由于单轮廓上拟合的所有椭圆仅是真实绝缘子的一部分，因此要想确实定位绝缘子的位置，就要在绝缘子左轮廓与右轮廓正确拟合椭圆的前提下，成功找到同一绝缘子两侧的椭圆。将相互匹配的椭圆圆心用红线连接起来后，由于绝缘子图片过长，因此仅展示匹配好的绝缘子的局部图像。不仅对真椭圆成功进行配对，对于所拟合的假椭圆也能成功配对(配对假椭圆为上半部分中第三条红线所相连的一对白色椭圆)。

2.6多段缺陷时绝缘子电场分布

实际运行中的复合绝缘子可能存在多段导通性缺陷的情况，本文选取两段缺陷为例，其中缺陷长度均为Ｌ＝０．３ｍ时，缺陷１位置与高压端距离Ｓ０＝０．２ｍ，缺陷２位置与高压端距离Ｓ０＝１．０ｍ。存在两端０．３ｍ长度导通性缺陷时，复合绝缘子两端电场强度、电位与单段０．６ｍ长度缺陷条件下类似，即高压端、低压端电场、电位情况相差不明显；而在缺陷部位，存在两段缺陷时，绝缘子表面电位分布存在两段等电位，电场分布存在两段明显的畸变，相比一段缺陷而言，复合绝缘子空间电位变化梯度有所平缓，电场分布的畸变局部增强，整个区间而言有所平缓。从空间电场畸变与其击穿电压的关系可看出，多段缺陷的存在导致空间电场畸变相对而言有所缓和，故其击穿电压应比单段缺陷时高。因此，在考虑带电作业安全条件时，应以最严格的情况进行考虑，即若存在多段缺陷时，可等效为多段缺陷的总长度的单段缺陷。电场强度分布曲线出现明显的畸变时，意味着复合绝缘子串中存在导通性缺陷，缺陷两端电场明显加强，该电场强度分布特征和典型导通性缺陷条件下的电场强度数值，可直接用于复合绝缘子缺陷现场检测中。

结语

本文针对绝缘子串缺失部分难以定位的问题，提出了使用椭圆拟合的方法进行缺失位置的定位和标记。该方法在通过Canny算子求得图像边缘后，分别使用边缘细化与剔除细小边缘以消除图中冗余信息，通过形态学闭运算连接部分断裂边缘，继而求得完整绝缘子轮廓。随后在绝缘子轮廓上进行椭圆拟合，并进行椭圆逐步筛选与轮廓间的匹配，最终定位缺失位置并进行标记。对该方法进行测试后，结果表明，该方法可正确定位缺失绝缘子的位置。

参考文献

［1］高立青，王延章．基于截线法的快速骨架提取算法［J］．自动化学报，2016，42(7):1100-1112．

［2］毛星云．OpenCV3编程入门［M］．北京:电子工业出版社，2015．

［3］何志强，曹彪，张立新．基于改进最小二乘的缺陷椭圆定位方法［J］．计算机与数字工程，2017(11):35-39．