一种硅橡胶复合绝缘子的沿面放电特性分析方法

  本发明涉及复合绝缘子放电特征分析，具体涉及一种硅橡胶复合绝缘子的沿面放电特性分析方法。

  1、硅橡胶复合绝缘子相比于以往的瓷和玻璃绝缘子具有憎水性强、重量轻、维护方便等特点，在电力、铁路等领域得到了广泛应用。随着硅橡胶绝缘子使用场合的增多，硅橡胶绝缘子受空气污染影响而积污严重，特别是直流电压下积污严重，而影响着系统的外绝缘安全和运行可靠性。硅橡胶在积污严重的条件下，会加速老化而降低运行寿命，并且存在大规模实效而引起大范围停电的风险，因此研究复合绝缘子沿面放电特性具有重要意义。

  2、目前对硅橡胶复合绝缘子的沿面放电特性研究的常用方法是在小面积硅橡胶片置于事前设定的环境中进行均匀加压测量其闪络电压及泄漏电流，但目前这种测量方法仅能从宏观上表现在各种环境条件下沿面放电强度，忽视了对沿面放电电弧运动特性研究，不利于对复合绝缘子沿面放电发展机理进一步掌握。

  1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种硅橡胶复合绝缘子的沿面放电特性分析方法，通过图像识别对小面积硅橡胶试片沿面放电试验过程中电弧图像信息进一步提取，便于进一步研究沿面放电过程微观发展机理，从而为硅橡胶复合绝缘子的可靠运行提供依据。

  4、步骤1：利用高速摄像机获取硅橡胶复合绝缘子沿面放电试验中的电弧图像；

  5、步骤2：将步骤1中获得的电弧图像先二值化转化为灰度图，再对电弧图像进行平滑去噪；

  7、步骤4：为了进一步观察电弧形态的变化，采用canny算子对步骤3中提取得到的电弧图像提取边缘；

  9、所述步骤1中，将硅橡胶复合绝缘子试片表面干燥，具体操作为:在加热箱中140℃环境下处理15min后取出称重使其重量变化在允许的误差范围内，使得电弧能尽量集中在一条路径下充分发展，以便于更好观察，拍摄的电弧图像如图3(a)所示。

  10、步骤1中，放电电极采用指形电极且电极间距离尽量大一些(＞5cm；使得高速摄像机能及时拍摄到电弧快速发展过程中的形态。

  11、所述步骤2中，对步骤1中获得的原始rgb电弧图像，进行二值化转化为灰度图，具体为：

  16、其中：f(x,y)表示经过高斯滤波处理后位于坐标(x,y)的像素点的新灰度值；

  18、所述步骤3中，采用种子生长法对步骤2获得的的电弧图像进行提取，包括以下步骤：

  19、步骤3.1：基于电弧区域亮度、灰度大的特点，采用3×3矩阵对从步骤2得到的灰度图像进行遍历，计算矩阵内像素点的平均值，取灰度平均值最大的区域中间值坐标点自动作为生长起始点，自动选取的种子生长点如图3(b)所示。

  20、步骤3.2：设置阈值，设置的阈值小于0.05。如图7所示，判断生长起始点与周围8领域的关系，领域方向分别为图7中0～7方向。若领域与生长起始点相差小于阈值，记为相似的点并作为下次生长的种子点，重复生长操作直至领域与生长起始点相差不小于阈值，以此提取电弧图像如图8所示。

  21、在步骤3.2提取电弧图像后需要进行形态学的进一步处理，防止提取后的图像有间断不完整的现象，包括以下步骤：

  22、步骤3.3：使用形态学操作，进一步消除提取后的细小噪声并平滑填充空洞和断裂边缘，如图5所示。

  24、步骤4.1:利用导数算子求出图像灰度沿着2个方向的导数g和g，并根据这2个导数求出梯度大小及方向:

  28、步骤4.2:在求出边缘梯度大小及方向后，将图像边缘的梯度方向分为水平、垂直、45°

  29、和135°方向，通过如图9所示的4个方向找到这个像素梯度方向的邻接元素像素；

  30、步骤4.3:若找到的邻接元素像素x的灰度值与其如图10所示的4个梯度方向上前后2个像素的灰度值相比最大，则该点不是边缘，并将该点像素值置为0；

  31、步骤4.4：对图像各点灰度用累计直方图统计，利用otsu算法确定双阈值，同时填加阈值滑动条对算法确定的阈值进行随时微调，具体如下：

  33、其中：σ(t)为最大类间方差；t为需确定的高灰度阈值，p为灰度小于t的像素点占全图像素点的比例，u(t)为灰度小于t的像素点的平均灰度值；p-为灰度大于t的像素点占全图像素点的比例，u-(t)为灰度大于t的像素点的平均灰度值。

  34、反复迭代计算t，当存在t使得σ(t)最大时，即可确定为高灰度阈值，低灰度阈值为高灰度阈值的一半。

  35、步骤4.5：若大于高灰度阈值则是边缘；若小于低灰度阈值则不是边缘；若灰度结果在这2个阈值之间，则根据这个像素的邻接像素中有没有超过高阈值的边缘像素，若有则它就是边缘，最后获得电弧图像整体轮廓，提取轮廓如图6所示。

  36、所述步骤5中，对电弧图像利用imagej软件进行电弧图像面积、长度、运动速度进行计算，包括：

  37、5.1：统计图片中电极间的像素个数，用以下公式对1个像素间距实际代表距离进行计算：

  39、其中d为电极间距，x为电极间像素个数，a为1个像素间距实际代表距离。电弧图像提取过程如图3(a)、图3(b)所示。同时，通过对比不同时刻电弧图像区域形心点的坐标，来计算电弧运动速度及电弧运动轨迹。

  40、5.2：以像素间距为参考分别换算成电弧实际面积和轮廓长度，用以下公式进行计算：

  43、其中l为电弧长度，l为电弧边缘轮廓长度，s为电弧区域面积，d为电弧平均直径。电弧图像提取过程如图3(a)、图3(b)所示。同时，通过对比不同时刻电弧图像区域形心点的坐标，来计算电弧运动速度及电弧运动轨迹。

  45、1)本发明对原有电弧图像提取方法进行了一定的改进和简化。改进的种子生长法利用电弧区域灰度、亮度大的特点通过3×3窗口遍历自动确定平均灰度最大的区域为初始生长点，避免原有种子生长法手动确定初始生长点的主观性和繁琐性；通过判断生长起始点与周围8领域的关系生成电弧区域的方法，减小了原来通过阈值确定区域的误将其他部分区域识别为电弧区域的风险，提高了电弧图像识别提取的准确性。

  46、2)本发明对原有边缘检测算法进行了改进。利用otsu算法确定双阈值自适应确定图像边缘，能更好减小人工根据经验选取边缘所带来的误差；同时添加滚动条对算法确定的阈值进行微调，能使得图像边缘提取根据实际环境获得更好的切割效果，有利于进一步对电弧形态变化的观察。

  47、3)对能综合量化在沿面放电发展过程中电弧特性的变化。本发明通过电弧实际面积、轮廓长度、平均弧径、不同时刻形心点坐标四个方面来综合表征电弧形态特征、运动特征，比起用某单一指标评价电弧特性更为全面客观，为沿面放电微观机理的研究提供了依据.

  技术研发人员：刘鑫源,方晓娟,吴晨,陈宗菊,冯兴龙,宋璇,王少奇,赵文俊,钟垒峰,罗宇

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