（电子科学与技术专业论文）零值绝缘子红外图像预处理方法研究.pdf

顺i ：学位论文 a b s t r a c t p o r c e l a i ni n s u l a t o ri sw i d e l yu s e di nt r a n s m i s s i o nl i n e sa si n s u l a t i o np a r t s i f t h e r ei sl o wo rz e r ov a l u ei n s u l a t o r si nt h ei n s u l a t o rs t r i n g ，i no t h e rw o r d s ，ap o r t i o n o ft h ei n s u l a t i o ni s e q u i v a l e n t t os h o r tc i r c u i ta n dc o r r e s p o n d i n g l yr e d u c e st h e i n s u l a t o rs t r i n gc r e e p a g ed i s t a n c eo ft h ei n s u l a t o rs t r i n g ；i tw i l lg r e a t l yi n c r e a s et h e p r o b a b i l i t yo fi n s u l a t o rn a s h o v e r 0 n c ep o r c e l a i ni n s u l a t o rs t r i n gp r o d u c en a s h c o l l a t e r a l s ， i t ss h o r tc i r c u i tc u r r e n tw i l lt h r o u g ht h ei n s u l a t o r sf r o mi n t e r i o ra n d p r o d u c et h eh e a t i n ge f f 色c to f t e nm a k e st h ei n s u l a t o rs t e e lc a pb u r s to p e n ，t a k eo f fo r s t e e lf e e tb u r n e do f f ：t h u sp r e s e n t si n s u l a t o rs t r i n g ，t ob r e a ko f fs t r i n ga n dp o w e rl i n e w i r e sa n ds e r i o u sg r o u n da c c i d e n t ，r e s u l t i n gi nt h el o c a lp o w e rg r i ds o l u t i o na n dt h e c o l l a p s eo ft h ep o w e rg r i dc r a c k ，p a r a l y s i s ，t h es e r i o u si n n u e n c eo f i n d u s t r i a la n d a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n dt h el i f - e o ft h ep e o p l ea n ds t a b i l i t y a tt h es a m et i m ea l a r g en u m b e ro ft h ee x i s t e n c eo fl o w o rz e r ov a l u ei n s u l a t o r sw 订li n c r e a s ep o w e rl o s s a n dc a u s et h el o s so ft h eu n k n o w np a r to fp o w e r t h e r e f o r e ， i ti s v e r yi m p o r t a n t t o a c c u r a t e l yd e t e c t z e r ov a l u er e s i s t a n c e i n s u l a t o r sf o r m a i n t a i n i n g t h es a f eo ft h ep o w e rs y s t e ma n dr e d u c i n gp o w e r c o n s u m p t i o n i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di ne l e c t r i cp o w e r s y s t e mf a u l td i a g n o s i sa n dd e t e c t i o ne q u i p m e n tw i t hn o n c o n t a c t ，s a f e t yp e r f o r m a n c e t h ef e a s i b i l i t vo ft h em e t h o dt h a ti n f r a r e dd e t e c t i o nz e r ov a l u ei n s u l a t o r sh a v eb e e n v a l i d a t e db r i e n va n dh a v ei n t r o d u c e dt h er e s e a r c ho fz e r ov a l u ei n s u l a t o rs t r i n go f i n f a r e di m a g ep r e p r o c e s s i n gm e t h o di nt h i sp a p e r i ti si n e v i t a b l et om e r g em a n yk i n d so fn o i s et oi m a g ew h e nt h e i n f r a r e d t h e r m o g r a p h yt a k i n gi m a g e s t h en o i s ew i l l c a u s ei m a g eq u a l i t yd r o p ，f e a t u r e st o c o v e ru pa n dt h ec o n t r a s ti sn o to b v i o u s ，d i r e c t l yi n f l u e n c et h ei m a g es e g m e n t a t i o n ， f e a t u r ee x t r a c t i o na n dr e c o g n i t i o nf o rt h ea c c u r a c yo ft h ep r o c e d u r e t h em e t h o do f i m a g ed e n o i s i n gb a s e do np i x e lp e e rg r o u p sa n dn e i g h b o rg r o u p si sp r o p o s e di nt h e p a p e r f r o mt h ei m a g ep r o c e s s i n gr e s u l t si n d i c a t et h a t t h i s m e t h o dc a ne f f 色c t i v e l y r e m o v et h en o i s ea n dw i t h o u tb l u r r i n ge d g e sa n dd e t a i l s i nt h ec o u r s eo ft a k i n gi m a g e s ， i ti si n e v i t a b l et o m e r g em a n yk i n d so f b a c k g r o u n di n f o r m a t i o n ，s u c ha sw i r e ，t o w e ra n ds oo n 1 no r d e rm a x i m u ml i m i tt o s e g m e n tz e r ov a l u ei n s u l a t o r sf r o mt h ew h o l ei m a g eo fi n s u l a t o rs t r i n g ，t h et h r e s h 0 1 d i i i 零值绝缘子红外图像顶处理方法研冗 s e l e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t b e c a u s eo ft h ez e r ov a l u ei n s u l a t o rd i s t r i b u t i o nv o l t a g e d e p e n d so ni n s u l a t o rr e s i s t a n c e ，s ot h ed i s t r i b u t i o nv o l t a g eo fz e r oi n s u l a t o ri s l o w ， t e m p e r a t u r ei s l o wa n ds l i g h tt a l l e rt h a ne n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e t h eg e n e r a l a l g o r i t h mc a nn o te f 佗c t i v e l ys e g m e n to u tz e r o v a l u ei n s u l a t o ri m a g e s ，a ni n f r a r e d t h e r m a li m a g i n gs e g m e n t a t i o nm e t h o db a s e do ni m p r o v e di m m u n eg e n e t i ca l g o r i t h m h a sp r o p o s e di n t h i sp a p e r f i r s to fa l l ，i n s u l a t o rg r a yi m a g e d e - n o i s eu s i n gt h e m e t h o do fa d a d t i v em e d i a n 行l t e ra n dm e a nf i l t e r t h e n ， u s i n gl o g a r i t h m i c t r a n s f o r m a t i o ne n h a n c eg r a yi m a g ea n di m p r o v ei m a g ec o n t r a s t f i n a l l y ，t h e o t u s f u n c t i o nf o rt h ee v a l u a t i o nf u n c t i o ni m p r o v e di m m u n eg e n e t i ca l g o r i t h m t oz e r o i n s u l a t o rs e g m e n t a t i o n ，s e g m e n t a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a ne f 托c t i v e l y s e g m e n tt h ez e r oi n s u l a t o r ，s oa st or e a l i z et h ed i a g n o s i so fz e r oi n s u l a t o r t os u mu p ， t h ei m a g e q u a l i t y h a se n h a n c e d b yi m a g e d e _ n o i s e ， i m a g e s e g m e n t a t i o n ，f o rt h es u b s e q u e n tz e r ov a l u eo fa ni n s u l a t o ra c c u r a t e l yi d e n t i f yt ol a ya f h l 】n d a t i o n k e yw o r d s ：i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n g ；z e r ov a l u er e s i s t a n c ei n s u l a t o r ；p e e rg r o u p s ； n e i g h b o rg r o u p s ； i m a g ed e n o i s i n g ； i m m u n e g e n e t i ca l g o r i t h m ； o t s u ；i m a g es e g m e n t a t i o n l v 硕。i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 零值绝缘子检测的背景及意义 瓷质绝缘子是输电线路中广泛采用的绝缘部件，由于在运行过程中受到内部 机械应力、机电负荷、大气污染、雨雪、绝缘子表面积污、污层湿润等情况的影 响易产生各种不同的缺陷，逐渐劣化，形成低值或零值绝缘子。瓷绝缘子的劣化 率一般随运行时间的延长而增加，如北京供电局2 2 0 k v 郊通二线瓷绝缘子的劣化 率1o 年内年由0 0 5 上升到了1 13 。如果绝缘子串中存在低值或零值绝缘子( 阻 值范围在0 5 m q 的绝缘子称为零值绝缘子【l 】) ，相当于有部分绝缘被短路，相应 地也减少了绝缘子串的整体爬电距离，因而大大增加了该串绝缘子的闪络概率。 一旦发生闪络，其短路电流会从绝缘子的内部通过，产生的热效应常使绝缘子钢 帽炸裂、脱开或者钢脚烧断，从而引发绝缘子断串、掉串和电力线路导线落地等 严重事故，导致局部电网解裂和整个电网的崩溃、瘫痪，严重影响工农业生产和 人民的生活安定。同时大量低值零值绝缘子的存在增加了电量损耗，造成了一部 分不明电量的丢失。 可见，绝缘子串中存在低值或零值是电力系统安全稳定运行的巨大隐患，大 量不明电量的流失造成了巨大的国民经济损失。例如，2 0 0 6 年2 月12 日，河南 电网有3 条2 2 0 k v 线路( 郑州i i 常峡线、新乡柳新线、焦作吉苗太线) 因为零值 盘型悬式绝缘子炸裂，导致导线脱落。仅2 0 0 6 年年初，郑州供电地区就发生了3 起由于绝缘子串中存在零值而引发的绝缘子掉串事故：2 2 0 k v 峡鹅线2 中相、索 峡线1 5 样、i i 常峡线4 0 杆塔b 相盘型悬式瓷绝缘子炸裂、导线脱落。2 0 0 0 年9 月2 2 日，江苏省2 2 0 k v 溧阳变电站2 2 0 k v 旁母、正母悬式瓷绝缘子因低值绝缘 子的存在而导掉串事故【2 】。这些由于绝缘子掉串而引起的停电事故，严重影响了 工农业的生产和人民生活，造成直接和间接经济损失数十亿元。因此，低值、零 值绝缘子的存在对电网的安全运行构成了极大威胁。为了防止类似事故的发生， 需要对绝缘子的绝缘性能做出及时准确地判断，以便在事故发生前，采取必要的 措施，防止事故发生。目前增加绝缘子绝缘性能的主要措施是加大爬电距离、涂 防污材料、定期清扫、采用新型绝缘子等，但缺少设备外绝缘运行的实时信息和 有效的检测手段，都不能做到及时准确地判断。为了保证电网可靠运行，急需一 种简单、经济、安全、准确的零值绝缘子在线检测方法。 在全国智能电网迅速发展的现阶段，本课题的实施不仅贯彻落实了国务院 关于印发节能减排综合性工作方案的通知精神，还积极的参与节能减排工作， 零值绝缘了红外图像预处理方法硼f 究 对形成政府推动、企业实施、全社会共同参与的节能减排：i _ ：作机制，具有重要的 经济和社会意义；同时对低值或零值绝缘子的及时检测可以降低污闪事故发生率 及掉串停电事故次数、减少不明电量丢失，为国家节约大量电能，利国利民。因 此，对瓷质绝缘子的低值零值检测是一个很重要的课题。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 绝缘子劣化不仅能引起绝缘子周围电场变化，而且在电气上也能表现出其特 征，具体劣化特征表现在以下几个方面：在绝缘子受损位置、污秽严重地带、绝 缘子头部钢帽等位置形成强电场和强应力，并伴随有发光、放电、噪声、释放亚 硝酸气体等特征；同时能引起电压分布不均衡、绝缘子电阻下降、电晕脉冲电流 增大等现象。 为了实现绝缘子的低值、零值检测，国内外研究学者借助各种测量设备及手 段，从绝缘子电场、电气特征中提取有用的特征量，希望能对零值绝缘子进行有 效检测。目前使用较多的方法主要有电压分布法、电场测量法、敏感绝缘子法、 声波及超声波法、脉冲电流法、紫外成像法及红外热像法等。这些方法均有各自 的优点，但都还存在一些不足，现将它们概括如下： ( 1 ) 电压分布法 电压分布法【3 j 是通过测量绝缘子的电压分布判断绝缘子性能变化。正常绝缘 子串的电压分布呈不完全马鞍型，即在绝缘子串中，靠近导线侧的绝缘子承受电 压最高，约为靠近接地端绝缘子承受电压的1 7 3 o 倍，中间部分承受电压最低。 由于相邻绝缘子之问承受的电压之比大致在1 1 1 3 之间，因此通过检测绝缘子 串的电压分布可以判断是否存在零值绝缘子【4 】。该方法通过检测人员携带短路叉、 火花间隙放电叉或绝缘子串电压分析仪等接触式测量设备人工登塔测量绝缘子串 的电压分布值，具有操作直观、能准确判断绝缘子性能变化的优点。但是，采用 该方法检测时，工作量大，安全性差、效率低、易受电磁干扰，造成误检和漏检。 ( 2 ) 电场测量法 由于劣化、零值绝缘子会引起绝缘子串电压分布值的变化，从而引起电场分 布的变化，电场测量法【5 j 就是通过检测绝缘子表面的纵向电场分布情况，来实现 零值绝缘子检测，该方法的优点是所用的测量设备简单，而且对温度、湿度、风 速等天气条件要求比较低，但需要在多个位置测量、检测任务繁重。 ( 3 ) 敏感绝缘子法 敏感绝缘子法【6 j 的原理是通过测量敏感绝缘子的承受电压，与其标准分布电 压进行比较，从而判断该串绝缘子中是否存在绝缘性能劣化的绝缘子，该方法的 优点是仅需要测量敏感绝缘子上的电压值就可以判断该串是否存在劣化( 零值) 绝缘子。当判定存在劣化绝缘子时才逐片检测，从而减轻了工作量，提高了工作 2 硕上学位论文 效率。但该方法的缺点【3 l 是：检测灵敏度与绝缘子的绝缘劣化程度、劣化绝缘子 在整个绝缘子串中所处位置有关，而且仍需要登杆接触式测量，安全性不高、工 作量大，并对3 3 0 k v 以上电压等级的检测效果有待实证。 ( 4 ) 声波及超声波法 声波及超声波检测方法 7 - 引，其原理是当绝缘子存在裂缝，超声波进入或穿过 绝缘子时，会在裂隙处发生反射、折射和模式变化，通过对接收的超声波处理或 根据声波的强弱、有无，即可判断是否含有劣化绝缘子。该方法设备简单，操作 方便，抗干扰能力强，可以较准确地检测出由开裂引起的零值绝缘子。但受环境 背景噪声影响很大，同时对未开裂的低值零值绝缘子不起作用，在现场强大的高 压磁场下，要区别局部劣化放电信号，有一定难度，由于超声波本身存在耦合和 衰减及超声波换能器性能问题还不适合现场检测，目前只广泛地应用于实验室检 定和企业生产在线检测【引。 ( 5 ) 脉冲电流法 脉冲电流法【l0 】原理是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子的 绝缘状况。正常绝缘子串的电压分布呈不对称的马鞍型，当绝缘子串中存在低值 或零值绝缘子时，由于低值或零值绝缘子的自身电阻很低，导致它在整个绝缘子 串中承担的电压也很低，同时抬高了相邻绝缘子串电压值，使得正常绝缘子承担 的电压大于其在正常情况下的电压，导致整串绝缘子电压分布变化，同时引起回 路阻抗减小、绝缘子电晕现象加剧，电晕脉冲电流增大。根据线路上存在低值或 零值绝缘子时，电晕脉冲个数增多、幅度增大，利用电流传感器获取电晕脉冲电 流信号，通过一定的信号处理手段，从而达到检出低值或零值绝缘子的目的。 ( 6 ) 紫外成像法 紫外成像仪通过检测劣化绝缘子电晕和放电部位辐射紫外线的产生和增强来 间接地评估绝缘子的绝缘状况，它具有预见性好、不受天气限制、检测速度快、 检测距离较远、操作简单等优点，但只能观察较强的放电信号，所以以检测电晕、 局部放电及电弧为主。虽然劣化绝缘子会使周围空气电离增加，但是由于绝缘子 本身放电非常微弱，没有出现明显的放电，在绝缘子串周围微弱空气电离发展为 电弧之前，受到紫外成像仪c m o s 感光灵敏度和远距离检测的限制，难以通过紫 外成像仪观测到，因此紫外成像法主要适用于局部放电的观测，难以对零值绝缘 子进行准确的检测j 。 ( 7 ) 红外热像法 红外热像法检测零值绝缘子的原理【】j 是根据零值绝缘子的热像特征是与相邻 良好绝缘子相比呈暗色调( 负温升) 的热像，检测时如发现绝缘子串中温度分布 不连续且有暗色调的热像者，则判为零值绝缘子。红外检测技术在线路瓷绝缘子 方面的应用是一种可靠、高效的检测手段【l2 1 。但绝缘子的运行环境、气象条件、 3 零值绝缘子红外图像预处理方法研究 检测时间、检测距离等因素对红外检测技术的影响不容忽视。 以上检测方法大多处于试验探索阶段，为相关专业人员继续深入研究提供了 良好的借鉴和帮助。本课题采用较为成熟的红外诊断技术，融合了高电压技术、 图像处理技术、绝缘技术、人工智能等理论分析方法，有着较大的创新性。 1 3 课题来源 本课题来源于以下基金项目： ( 1 )国家中小型企业创新基金项目紫外和红外图像相结合的零值绝缘 子在线检测装置( 项目编号：1l c 2 6 2 1 4 3 0 2 8 1 2 ) ( 2 )长沙市科技计划重点项目基于红外热像的零值绝缘子在线监测装 置产业化( 项目编号：k ll0 4 2 9 2 11 ) ( 3 )教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目紫外和红外图像相 结合的零值绝缘子在线检测方法研究( 项目编号：2 0 10 0 1 6 1 110 0 0 4 ) ( 4 )湖南省电力公司项目基于人工智能的红外热像零值绝缘子在线检 测技术及装置研究 ( 5 )湖南大学青年教师科技创新扶持项目基于人工智能的红外热像零 值绝缘子在线检测系统 本课题得到了湖南省电力试验研究院相关工作人员的大力支持，湖南省电力 试验研究院拥有一大批国内外最先进的精密仪器设备和先进智能的人工气候室， 为本课题的实施提供了试验场地和设备 1 4 主要研究内容 本课题利用t h e r m ac a m p 3 0 红外热像仪拍摄x p 1o 型号的瓷质正常绝缘 子串和含零值绝缘子的绝缘子串红外图像，结合图像处理技术、人工智能技术、 计算机等技术对红外绝缘子图像进行预处理研究。对红外图像进行对比度增强后， 利用像素同龄组和相邻组对图像进行去噪；利用免疫遗传算法在图像分割中的应 用对含零值绝缘子串进行分割。本文主要研究的内容具体包括以下几个方面： ( 1 ) 红外检测零值绝缘子的原理及可行性验证 简单介绍了红外检测零值绝缘子的工作原理，利用在湖南省电力试验研究院 人工气候室中对瓷质绝缘子串在1 1o k v 、3 5 k v 条件下模拟线路实验时采集的温 度、湿度、电阻等数据及绝缘子红外图像，从理论上验证了红外检测零值绝缘子 的可行性。 难点：试验时采集绝缘子的各项数据精准性对可行性分析结果至关重要，主 要解决办法是试验时维持环境温度、湿度等外界条件的稳定，详细记录绝缘子电 4 硕一l 学位论文 阻、环境温度、湿度等数据，尽量减少环境因素变化对实验结果的影响。 ( 2 ) 绝缘子红外图像去噪 针对红外热像仪拍摄过程中不可避免地引入高斯噪声和脉冲噪声，造成图像 质量下降，特征掩盖，对比度不明显，直接影响图像分割、特征提取、识别等后 续步骤的准确性。根据红外图像中噪声的特点，设计了基于像素同龄组和相邻组 的红外去噪方法。 难点：红外图像中含有高斯噪声和脉冲噪声，怎样同时最大限度的去除这两 种噪声，并且能很好的保持图像边缘等细节特征成为该部分内容的难点。 ( 3 ) 含零值绝缘子的绝缘子串图像分割 为了把含零值的绝缘子串最大限度分割出来，阈值的选取至关重要。由于零 值绝缘子的分布电压取决于绝缘子电阻，所以零值绝缘子的分布电压很低，温度 也较低，相对环境温度略有温升。 难点：由于零值绝缘子的温升与环境温度相差不大，怎样确定合适的阈值把 含零值的绝缘子串分割出来成为本部分的难点。 本文研究方法的特点及创新点： ( 1 ) 将图像处理、红外故障检测技术、高电压技术、绝缘技术、计算机等技 术相结合，可以实现零值绝缘子的非接触式检测。本文研究的方法好坏直接影响 到后续能否正确识别零值绝缘子，是整个非接触式检测的重要部分。 ( 2 ) 对红外零值绝缘子模拟实验时获得的图像和数据进行了分析、计算，验 证了红外检测零值绝缘子的可行性，为工程应用提供了参考。 ( 3 ) 提出了一种新的去噪方法基于像素同龄组和相邻组的红外图像去噪 方法。该方法在最大限度的去除红外图像中的高斯噪声和脉冲噪声的条件下，能 较好的保持图像边缘等细节特征。 ( 4 ) 针对零值绝缘子的温升与环境温度相差不大，提出了一种以双阈值d 括甜 函数为适应度函数的改进免疫遗传算法的分割方法。为了避免过早的出现早熟现 象，利用相似度的概念优先选择不相似的个体。分割结果表明，该方法能有效地 分割出零值绝缘子，从而实现零值绝缘子的诊断。 1 5 本章小结 本章介绍了零值绝缘子检测的研究背景及意义、现阶段国内外研究现状及发 展趋势、零值绝缘子检测的理论依据以及本课题的来源。简单说明了本文要研究 的主要内容以及难点、创新点。 零值绝缘子红外图像预处理方法研究 第2 章红外技术检测零值绝缘子原理及可行性验证 2 1 红外技术检测零值绝缘子的原理 2 1 1 红外热像仪的工作原理及应用 在自然界中一切温度高于绝对零度( 一2 7 3 16 摄氏度) 的物体，都会不停地 向外辐射红外线，这种现象称为热辐射。红外线是波长介于微波与可见光之间的 电磁波，波长在0 7 7 m 至10 0 0 m 之间，不同温度的物体，向外辐射的红外能量 不同。温度越高，辐射出的总能量越大，则红外辐射越强。通常我们用辐射系数 来衡量物体辐射能力的大小，当物体辐射能量完全等于吸收能量时，此时物体称 为“黑体”。根据基尔霍夫定律可知，吸收越强的物体发射辐射也越强，一般黑颜 色或表面颜色较深的物体，辐射系数大，辐射较强；亮颜色或表面颜色较浅的物 体，辐射系数小，辐射较弱。 人眼仅能看到0 3 9 朋到0 7 6 聊之间这段很狭窄的波长电磁辐射，称为可见 光谱。而对于波长在0 3 9 m 以下或0 7 6 脚以上的辐射，人眼是看不到的，当需 要观测电磁波中红外线( 波长0 7 7 所至10 0 0p m ) 的辐射时，就需借助外界设备， 如红外测温仪、红外摄像仪、红外热像仪等。但红外测温仪只能捕获到物体的单 点温度值，而红外热像仪可以将整个目标物体的温度特性形成一个二维图像。根 据本课题的需要，采用红外热像仪进行红外图像的拍摄。 红外热像仪两个最基本的部分是光学器件和探测器，它工作时利用光学器件 获取不同材料、不同温度、不同表面光度、不同颜色等特征的物体辐射能量，并 聚集到探测器上，经过电子扫描电路对采集到的红外热像进行扫描并转换成电信 号，经过放大电路处理、转换等方法把图像在监测显示器上显示出来。这种红外 热图颜色的深浅跟物体表面温度是相对应的，不同颜色代表被测物体的不同温度， 屏幕上亮处表示温度高，暗处表示温度低。通俗地讲红外热像仪就是把探测到的 红外热量转换生成热图像和温度值，显示在显示器上，并且可以对温度值进行计 算的一种检测设备。其工作原理，按普朗克定律 1 3 】： 则班篙 ( 2 1 ) 式中，丁为黑体温度，单位k ；a 为光谱辐射波长，单位m ；c 1 为第一辐射 常数( c 1 = 3 7 4 1 0 - 1 6w m 2 ) ；c 2 为第二辐射常数( c 2 = 1 4 4 1 0 - 2m k ) ；鸭。( 丁) 为单位表面积在波长a 时向整个半球空间发射的辐射功率( 简称为光谱辐射度) ， 单位w m 3 。当波长一定时，以温度丁为变量，可以计算出黑体的光谱辐射度，分 硕卜学位论文 布曲线如图2 1 所示： 图2 1 不同温度下黑体光谱辐射度 红外热像仪可以通过测出红外辐射能量m 就能算出温度值t ，通过与黑体基 准参量比较，仪器处理器能详细计算出各测点实际的温度值，且在显示器上以不 同颜色的温标显示出检测面温度分布的变化。 红外热像仪能够将探测到的热量精确量化，能够对发热的故障区域进行准确 识别和严格分析。其通过探测物体辐射的红外能量的大小，得到反映物体温度的 温度矩阵，进而形成以灰度值高低来表征温度高低的二维灰度图像。红外热像仪 一般可以分为长波热像仪和短波热像仪，长波热像仪由于工作在长波段，不受太 阳光的干扰，特别适合白天在设备现场检测。本文高压线路绝缘子的检测就可以 用这种热像仪。红外热像仪非常灵敏，能探测到小于0 1 的温差。同时又由于 热像仪探测的是热而不是光，所以它也可以在晚上使用。又因为它是非接触性的 被动检测装置，没有光辐射，可以在不干扰被检测对象的正常工作下进行，所以 不会暴露使用者的位置。 红外热像仪不仅能应用于电力系统设备故障诊断还可以应用于火电厂储煤堆 自燃监测与预报，电厂温排水热污染监测以及只要是电气设备故障发热能够在设 备外部有温度响应的电气设备故障诊断，同时还能应用于建筑节能评价、设备状 态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。 7 零值绝缘一红外图像预处理方法研， 2 1 2t h e r m ac a m t mp 3 0 红外热像仪介绍 本课题采用的红外热像仪是t h e r m ac a m t mp 3 0 型号，它的性能参数如表2 1 所示： 表2 1t h e r m ac a m t mp 3 0 性能参数表 指标名称 性能指标 f o v 视场( 宽高) 最小焦距 2 4 。18 。0 3 m( 3 5 m m 镜头) 热灵敏度( n e t d ) 0 0 8 ( 3 0 时) 帧频 5 0 6 0 h z ( 非插入法) 聚焦 自动或手动 图像输出 r s i 7 0e l a n t s c 或c c i r p a l 复合视频 探测器类型 焦平面，1 f 制冷微量热戮探测器3 2 0 2 4 0 像素 波k 范隔 7 5 - 13 聊 测温范围 一4 0 + 1 0 0 0 精度 士2 ( 读数范围) 或士2 可移动点、区域最高温、区域最低温、区域平均值、自动 测量模式 捕捉最高温或最低温 辐射率校正 0 1 1 0 可变 反射环境温度佼正 自动，基丁- 输入的反射温度 图像存储介质类型 高容量的c f 闪存卡( 】2 8 m b ) 文件格式 1 4 b i t 数字化热l 到( j p e g ) 电流电源 交流适配器11 0 2 2 0 v a c ，5 0 6 0 h z 电压 1 1 - 1 6 v d c 镜头识别 自动 电池类型 内置可充锂电池，操作时问为2 小时，充电时间为1 小时 操作渝度 一15 + 5 0 存放温度 一4 0 + 7 0 湿度 上作及存储：1 0 一9 5 ( 非冷凝) 封装 符合1 p 5 4 ，i e c5 2 9 抗冲击 承受2 5 9 ，i e c 6 8 2 2 9 标准 抗震性 承受2 9 ，1 e c 6 8 2 6 标准 重避1 ，4 k g 包括电池( 1 2 k g 不包括i 也池1 尺寸 1 0 0 m m 1 2 0 m m 2 2 0 m m 接口 u s b r s 2 3 2 ，图像快速传输到p c 8 7 i ! j 卜学位论义 t h e r m ac a m t mp 3 0 是第五代高性能非制冷焦平面、经济型红外热像仪。5 0 h z 的帧频确保p 3 0 能检测快速运动的物体，由于具有高性能、检测操作简单等特点 而被广泛应用于电力、冶金、石化、医疗、科研等各种检测中。它具体具有以下 特点： ( 1 ) 超高热灵敏度( o 0 8 ) ：采用最新技术的非制冷微热量型探测器，可 以分辨细微至0 0 8 的温度变化，所生成的高分辨率红外图像清晰无噪音 ( 3 2 0 2 4 0 像素) 。 ( 2 ) 自动捕捉最高温或最低温 ( 3 ) 适合于各种天气状况( i p 5 4 ) ：p 3 0 采用防尘防水设计，可承受2 5 g 的 冲击和2 g 的震动，满足i p 5 4 工业标准。t h e r m a c a m t mp 3 0 仅重1 4 k g ，外观设 计符合人体工程学，即使每天操作数小时，依然感觉使用舒适。 ( 4 ) 一键操作功能：通过键操作可以设置仪器参数。改变调色板，设置发 射率和测温范围，开启分析工具，如点测温，区域测温等。 ( 5 ) 多种附件及镜头可选：t h e r m a c a m t mp 3 0 配有一个内置2 4 。光学镜头， 可以满足大多数现场应用。能够与t h e r m a c a m t mp 3 0 配套使用的一系列光学镜 头包括：近焦镜头，广角镜头，长焦镜头和显微镜头，最大限度的满足各种应用 需求。 ( 6 ) 灵活的图像存储：t h e r m a c a m t mp 3 0 能够存储全屏数据的j p e g 图像。 这些图像可以随温度测量值，语音注释一同存储至可移动的闪存卡( 1 2 8 m b ) 内。 通过t h e r m ac a mq u i c k v i e w 软件，可以将仪器内存储的图像轻松下载。 ( 7 ) 兼容t h e r m ac a mr e p o r t e r 软件：仪器内所有存储的图像都可以轻松下 载并完整保存至最新的t h e r m ac a mr e p o r t e r t m 分析报告软件中。t h e r m ac a m r e d o r t e r t m 软件是基于w i n d o w s 系统开发的一套简单实用的分析软件。它将强大 的图像分析和报告自动生成功能融合于一身，能够快速准确的对红外检测结果进 行评估分析。 2 1 3 基于红外热像的零值绝缘子在线检测方法设计 ( 1 ) 瓷质绝缘子 线路瓷绝缘子类产品主要品种包括：高压线路盘形悬式瓷绝缘子、高压线路 耐污盘形悬式瓷绝缘子、高压线路针式瓷绝缘子、高压线路瓷横担绝缘子。本课 题采用的x p 1o ( x p 表示以机电破坏负荷表示的普通型悬式瓷绝缘子) 属于高压 线路盘形悬式瓷绝缘予。高压线路盘形悬式瓷绝缘子( 普通型) 供高压架空输配 电线路中的绝缘和固定导线使用，一般组装成绝缘子串用于不同电压等级的线路 上。工程应用中，对于11o k v 的线路一般采用7 8 片绝缘子，3 5 k v 的线路采用 3 4 片绝缘子组成绝缘子串，本课题试验时1 1o k v 采用7 片绝缘子串，3 5 k v 采 9 零值绝缘子红外图像预处理方法研究 用3 片绝缘子串。 悬式瓷绝缘子由瓷件、铁帽和钢脚用不低于5 2 5 号硅酸盐水泥、石英砂胶合 剂胶装而成。瓷件表面一般绘白釉、棕釉，根据需要也可绘其它釉。铁帽、钢脚 表面全部热度锌。本课题采用x p 1 0 的盘形悬式瓷质绝缘子作为试验，为了更好 的模拟现场运行的实际效果，需对绝缘子进行人工涂污。参照高压设备外绝缘子 污秽等级标准，将污秽等级分为0 、i 、i i 、i i i 和i v 5 个等级。本课题采用固体涂 层法对阴干后绝缘子瓷表面均匀染污，灰密统一为1 m g c m 2 ，根据高压设备外绝 缘污秽等级标准( 参照g b t5 5 8 2 9 3 ) 中等值盐密来调配人工污秽，污秽等级的 判别数据如表2 2 ，x p 1 0 盘式瓷质绝缘子的结构参数如表2 3 所示： 表2 2 污秽等级判别依据 表2 3x p 1 0 盘式瓷质绝缘子的结构参数表 参数名称参考值 结构高度m m 瓷件直径m m 泄漏距离m m 瓷件上表面积c m 2 瓷件下表面积c m 2 1 4 6 2 5 5 2 9 5 6 4 5 8 0 5 由于绝缘子表面积是试验中需要常用的数据，当某些型号的参数未提供时， 还可通过下面方法进行计算，以便备用。 瓷质绝缘子可以看成是旋转体，即由一条曲线绕轴线旋转而成，这条曲线即 是泄漏距离( 爬距) 。将这条曲线等分成若干等份，其中每一小段围绕绝缘子轴 线旋转形成的旋转体近似构成一个圆台( 或圆柱) ，本课题利用卡尺、直尺、坐 标纸( 米格纸) 等工具，计算出这些圆台( 或圆柱) 外侧的表面积之和就可得出 整个绝缘子的表面积。 单个圆台的侧表面积为： s = 丌( z + 以) ，2 ( 2 2 ) 公式( 2 2 ) 中s 为圆台侧的表面积，z ，以分别为圆台上、下面的直径， 1 0 硕十学位论- 义 为圆台侧面的高度。 整个绝缘子的表面积为： s = & + s 2 + + s 。 ( 2 3 ) 式中，n 为绝缘子盘面等分的数量。 根据公式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 测量出了x p 1o 型号绝缘子的表面积，上盘面约 为5 7 6 2 5c m 2 ，下盘面约为8 7 2 2 8 c m 2 。绝缘子表面测量的精度跟选取等分曲线的 数量有关，当等分曲线的数量越大( 即每一个圆台的厚度越小) ，则绝缘子表面积 的计算值就越接近实际值。 ( 2 ) 零值绝缘子在线检测方法设计 正常绝缘子串的发热温度分布与其电压分布规律相同，呈不对称的马鞍形 14 1 。当绝缘子串中含零值绝缘子时，整串绝缘子的电抗降低，泄露电流增加，绝 缘子串的电压分布和温度分布都将发生很大程度的畸变。根据零值绝缘子红外热 像的成像特点，提出了基于红外热像的零值绝缘子在线检测方法，将红外图像上 的绝缘子热像信息映射为一组行为特征，结合自适应去噪、分割对红外图像进行 预处理，利用k l 变换等方法提取图像相对温度分布特征。通过零值绝缘子特征 与正常绝缘子特征间的比较，采用系统分析、人工神经网络确定判定阈值，从而 识别出零值绝缘子，实现零值绝缘子非接触式检测，安全准确。 通过设计试验，利用t h e r m ac a m 丌p 3 0 型号的红外热像仪获取不同污秽等 级、不同湿度、温度条件下的x p 10 型号的绝缘子串模拟运行红外图像，经过中 值、均值滤波或基于像素同龄组和相邻组的白适应去噪等方法对图像进行降噪处 理、利用改进的免疫遗传算法对零值图像进行分割等处理后，提取绝缘子红外热 像中绝缘子串区域相对温度分布特征参数，例如绝缘子串区域灰度最大值、最小 值、分布方差、灰度最大差值、盘面与背景平均灰度最大差值等参数，并结合环 境湿度、等值附盐密度作为零值绝缘子人工神经网络识别模型的输入参数，将实 际测定绝缘子串是否含零值的状态分类信息作为输出参数，用所得的实验数据训 练识别模型，建立红外图像相对温度分布特征信息、环境信息与绝缘子零值信息 的映射关系，实现零值绝缘子识别。红外热像零值绝缘子整体检测方法的流程图 如图2 2 所示： 零值绝缘子红外图像预处理方法研究 绝缘子串模拟实验 v 绝缘子红外热像图 1r 图像去噪 图像分割 图 像 0豫 二值图像 处 理 ， 目标区域提取 7 。 特征提取 毒t 击l 止毛么t 昙 孔7 l1 可7 i 呈 y 零值绝缘子识别模型 图2 2 红外热像零值绝缘子整体检测方法流程图 整个研究过程包括绝缘子模拟试验设计、图像数据采集、图像预处理、特征 提取、零值分类等五大部分。 1 ) 试验设计及图像数据采集 试验设计是指在不同污秽等级、温度、湿度等条件下模拟绝缘子串线路运行 情况，从零值绝缘子的位置、片数、相邻情况、角度和距离五个方面进行拍摄红 外图像。同时记录人工气候室内的环境温度、湿度，对所拍摄的图像进行对比分 析。 2 ) 图像预处理 图像预处理包括了图像滤波、图像分割、盘面提取等步骤，是本文重点研究 的内容。针对红外热像图信噪比低，兼有乘性和加性噪声的特性研究了基于像素 同龄组和相邻组的去噪算法，通过去噪可以从被噪声污染的图像中恢复温度场图 像信息，最大程度地消除干扰噪声，保留细节，为后续分割提高准确性。 图像分割的目的是将绝缘子盘面( 目标区域) 从绝缘子红外热像图的背景中 1 2 硕：i ：学位论文 分割出来，根据红外图像对比度低，零值绝缘子与背景温升相差不大的特点，提 出了改进免疫遗传算法的红外零值绝缘子分割方法。通过分割后得到的绝缘子串 盘面( 目标区域) 及背景区域为后续特征提取提供了方便。 3 ) 特征提取 特征提取是从目标区域提取可反映绝缘子零值分类信息的特征量，特征量需 既要保证较高的识别率，又要形象、直观，尽量避免繁琐复杂的运算，以加快检 测速度。 4 ) 零值分类 判定阈值是识别零值绝缘子的直接依据。为保证检测的正确性，确定高区分 度的判定阈值至关重要。根据从红外热像图提取的特征量来判断零值绝缘子，环 境参数中湿度与泄漏电流的关联度最大，引入运行环境的相对湿度参数以提高检 测的准确 2 2 红外技术检测零值绝缘子可行性验证 2 2 1 瓷绝缘子在运行状态下的发热形式 瓷质绝缘子在运行状态下的发热形式主要由绝缘介质、泄露电流等原因引起。 具体有以下几个方面： ( 1 ) 交流电压作用下绝缘介质极化效应引起介质损耗发热，发热功率和绝缘 子表面温升分别为： p ，= 叼c 舻 ( 2 2 ) 臼、：p 一日。：! ! 熊 ( 2 3 ) “ 办s 公式( 2 2 ) 中：c 为绝缘子等值电容，f ；为绝缘子的分布电压，v ；喀6 为在工作温度下的介质损耗因数；为线路运行电压角频率。公式( 2 3 ) 中：臼， 为绝缘子表面温度，；9 。为