張 奇，馬全亮，孫建剛，李超群

（天津市電力公司濱海供電分公司，天津300450）

與傳統(tǒng)的瓷絕緣子相比，復(fù)合絕緣子以其重量輕，耐污閃、濕閃性能好，運(yùn)行維護(hù)方便和不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)輸配電設(shè)備中得到了日益廣泛的應(yīng)用[1-4]。但是，隨著運(yùn)行環(huán)境的惡劣與電壓等級(jí)的提高，復(fù)合絕緣子表面不斷沉積各種固體污穢和鹽分，在干燥環(huán)境下，絕緣子表面電阻仍然很大，不會(huì)影響其正常運(yùn)行；在大氣濕度較高時(shí)，特別是在霧、露等惡劣氣象條件下，絕緣子表面在污穢物與濕度共同作用下發(fā)生沿面放電，乃至閃絡(luò)事故，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-8]。因此，開展復(fù)合絕緣子沿面放電與閃絡(luò)機(jī)理的研究工作，對(duì)防止輸變電設(shè)備閃絡(luò)事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行具有重要的理論意義與工程價(jià)值。

根據(jù)污閃過(guò)程可知，其發(fā)生的三要素為表面積污、潤(rùn)濕和電壓，其中，液滴在絕緣子表面凝結(jié)與潤(rùn)濕及其誘發(fā)的沿面放電是導(dǎo)致閃絡(luò)事故的主要原因，也成為國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)之一[9-13]。Karady 等研究了絕緣子表面存在液滴時(shí)，電場(chǎng)分布及其引發(fā)的導(dǎo)電通道、放電與閃絡(luò)現(xiàn)象[9]；Gorur等研究了離散液滴的大小、形狀和間距對(duì)絕緣子表面放電電場(chǎng)強(qiáng)度與放電能量的影響[10]；Cherney等基于泄漏電流與放電模式識(shí)別技術(shù)研究了硅橡膠絕緣子表面離散液滴誘發(fā)的電暈放電與干燥帶電弧放電的轉(zhuǎn)換過(guò)程[11]；我國(guó)的研究人員分析了不同復(fù)合絕緣子表面憎水性與離散液滴形貌下，表面電場(chǎng)分布、畸變與電暈、電弧放電的關(guān)系[12-13]。

綜上所述，雖然研究人員對(duì)液滴誘發(fā)絕緣子表面放電現(xiàn)象進(jìn)行了一些研究與分析，但是仍然缺乏對(duì)放電機(jī)理的系統(tǒng)研究，特別是離散液滴主要參數(shù)對(duì)放電特征的影響。因此，本文在實(shí)驗(yàn)室條件下采用紫外成像儀觀察分析了離散液滴誘發(fā)復(fù)合絕緣子沿面放電閃絡(luò)現(xiàn)象與過(guò)程，通過(guò)分析放電紫外圖像特征，獲取了離散液滴大小與位置對(duì)放電特征的影響，有助于進(jìn)一步研究絕緣子污閃放電機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試樣

圖1 為實(shí)驗(yàn)采用的試樣與電極結(jié)構(gòu)示意。實(shí)驗(yàn)試樣為硅橡膠絕緣子切片，取自未投入運(yùn)行的復(fù)合絕緣子，其尺寸為70 mm×30 mm×5 mm。實(shí)驗(yàn)電極為“半圓形-平板”不銹鋼電極，采用機(jī)械緊壓方式固定在試樣表面，電極間隙為40 mm。在實(shí)驗(yàn)開始前，所有試樣均采用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，并在室溫下干燥24 h。

圖1 實(shí)驗(yàn)試樣與電極結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Experimental specimen and electrode pattern

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。半圓形電極通過(guò)保護(hù)水阻R1接入交流高壓電源，平板電極直接接地。實(shí)驗(yàn)電源的額定容量為100 kV·A，輸出電壓為0～100 kV。實(shí)驗(yàn)用離散液滴為NaCl 與去離子水混合制成，并通過(guò)電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x（MODEL SC82）確定液滴污穢度為1.0 mS/cm。然后采用微升儀將不同體積的液滴放置在電極間試樣表面，液滴位置分別為靠近高壓電極、電極中間和靠近地電極，液滴大小分別為10 μL、20 μL、30 μL 和40 μL。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用日盲型紫外成像儀（DayCor）記錄沿面放電閃絡(luò)過(guò)程中輻射的紫外光學(xué)圖像，其工作的紫外波段為240～280 nm。

為降低周圍環(huán)境光源對(duì)放電光紫外檢測(cè)的干擾，所有放電實(shí)驗(yàn)均在暗室中開展。當(dāng)試樣固定在電極間，并將液滴置于試樣表面后，采用勻速升壓法在試樣上施加交流電壓，升壓速率為1.0 kV/s，待試樣表面發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，此時(shí)的電壓記為閃絡(luò)電壓。沿面放電閃絡(luò)過(guò)程及其紫外特征通過(guò)紫外成像儀所拍攝成放電紫外圖譜，并通過(guò)圖像特征提取技術(shù)建立紫外圖譜特征量與離散液滴參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而揭示離散液滴誘發(fā)絕緣子沿面放電、閃絡(luò)過(guò)程及機(jī)理。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental arrangement

2 圖像處理與特征提取

一般全彩色圖像的數(shù)字存儲(chǔ)形式為三維矩陣，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不便于放電特征量的提取。因此，在進(jìn)行特征量提取前先將全彩圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)降為一維矩陣，灰度值與放電紫外輻射強(qiáng)度相關(guān)，在0～255 之間，其中0 表示未發(fā)生放電和實(shí)驗(yàn)背景，255 表示發(fā)生了最強(qiáng)烈的放電。

2.1 放電紫外圖像的灰度直方圖分析

灰度直方圖是圖像處理中常用的一種統(tǒng)計(jì)工具，它是灰度級(jí)的函數(shù)，表示圖像中具有每種灰度級(jí)象素的個(gè)數(shù)，反映圖像中每種灰度出現(xiàn)的頻率[14]，其計(jì)算方法為

式中：An為某一灰度值的統(tǒng)計(jì)量；m、n 分別為矩陣的行、列數(shù)；當(dāng)?shù)趇 行第j 列的像素點(diǎn)灰度值為n時(shí)，Iij的值為1；當(dāng)?shù)趇 行第j 列的像素點(diǎn)灰度值不為n 時(shí)，Iij的值為0。

通過(guò)灰度直方圖可以初步評(píng)斷放電圖像的一些性質(zhì)：明亮圖像的直方圖傾向于灰度級(jí)高的一側(cè)，表明出現(xiàn)了強(qiáng)烈放電；低對(duì)比度圖像的直方圖窄而且集中于灰度級(jí)的中部，表明放電強(qiáng)度相對(duì)較小且特征較為一致；高對(duì)比度圖像的直方圖覆蓋的灰度級(jí)很寬而且像素分布不均，表明放電強(qiáng)度較為分散且分布不均。

2.2 灰度直方圖的特征統(tǒng)計(jì)

從直方圖的定義與獲取中可看出，直方圖能夠直觀定性地反映放電強(qiáng)度與分布特征，但缺乏一些定量特征參數(shù)。因此，為了對(duì)絕緣子沿面放電進(jìn)行定量分析，需要對(duì)放電紫外圖像的灰度直方圖進(jìn)行特征統(tǒng)計(jì)，以獲取不同離散液滴參數(shù)下放電紫外圖譜的特征。

首先，提取灰度直方圖的灰度值總和，能夠反映出放電強(qiáng)度，灰度值總和越大反映放電強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的電弧發(fā)光越劇烈，其計(jì)算公式為

式中：S 為灰度值總和；I（i，j）為第i 行第j 列的像素點(diǎn)灰度值。

其次，計(jì)算灰度直方圖的熵，能夠反映放電圖像的細(xì)節(jié)變化，熵值越高表明放電越復(fù)雜，其計(jì)算公式為

3 結(jié)果與討論

3.1 放電閃絡(luò)過(guò)程的紫外特征

圖3 為液滴置于電極中間，體積為10 μL 時(shí)絕緣子沿面閃絡(luò)過(guò)程中放電紫外圖像。從圖中可看出，隨著施加電壓的逐漸升高，高壓電極及電極間的場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了電極場(chǎng)致發(fā)射和空氣的電離場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，首先在高壓電極附近出現(xiàn)電暈放電，并在電極間形成了較為微弱的電離通道，如圖3（a）所示；隨著電壓的繼續(xù)升高，高壓電極和電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，電離通道連讀逐漸增強(qiáng)，液滴周圍出現(xiàn)了淡紫色的電暈放電，但是由于電極中間位置液滴的存在，對(duì)形成貫穿電極的電離通道具有一定阻礙作用，導(dǎo)致液滴上方空氣在強(qiáng)電場(chǎng)作用下形成了飛弧狀的電離通道，如圖3（b）所示；當(dāng)電壓再次升高后，電極間的電離通道變得更加明亮，同時(shí)在電極間形成了更為明亮的飛跨液滴的空氣電離通道，如圖3（c）所示；當(dāng)施加電壓達(dá)到了閃絡(luò)電壓后，電極間形成了強(qiáng)烈的電弧放電，放電亮度達(dá)到最大，同時(shí)由于強(qiáng)烈放電導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)了紫外成像儀的光暈圓圈，但其不影響放電紫外特征的統(tǒng)計(jì)，如圖3（d）所示（圖3 中：L 為高壓電極側(cè)；R 為地電極側(cè)）。

圖3 沿面閃絡(luò)過(guò)程中放電的紫外圖像Fig.3 UV images of surface discharges during the flashover process

為了定量描述閃絡(luò)過(guò)程中放電紫外圖像特征，圖4 和圖5 分別給出了放電圖像的灰度直方圖及其定量紫外特征參數(shù)。從圖4 可看出，在發(fā)生沿面閃絡(luò)之前，試樣表面放電紫外圖像的像素主要集中在50 以下，表明在這一過(guò)程中沿試樣表面主要發(fā)生的是電暈放電，放電的發(fā)光強(qiáng)度較弱，對(duì)應(yīng)的灰度直方圖主要集中在低灰度值范圍。但是，隨著電壓的升高，低灰度值范圍內(nèi)的像素個(gè)數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表明電暈放電逐漸增強(qiáng)。當(dāng)發(fā)生沿面閃絡(luò)時(shí)，放電紫外圖像的灰度直方圖在各個(gè)灰度值均呈現(xiàn)一定的分布，并且在低灰度值（30 左右）和高灰度值（250 左右）出現(xiàn)了峰值，這主要是由于試樣表面發(fā)生了貫穿兩極的強(qiáng)烈放電現(xiàn)象，放電紫外亮度很高，同時(shí)在電弧與空氣接觸區(qū)域內(nèi)存在空氣電離，在電弧周圍產(chǎn)生較弱的放電，其紫外亮度相對(duì)較弱，但仍高于閃絡(luò)前的電暈放電。

圖4 沿面閃絡(luò)過(guò)程中放電紫外圖像的灰度直方圖Fig.4 Gray-scale histogram analysis of UV images of surface discharges during the flashover process

圖5 沿面閃絡(luò)過(guò)程中放電的紫外特征提取Fig.5 UV imaging characteristics of surface discharges during the flashover process

圖5（a）給出了沿面閃絡(luò)各個(gè)階段的紫外光子數(shù)，通過(guò)測(cè)量規(guī)定區(qū)域內(nèi)的紫外光子數(shù)可以表征放電強(qiáng)度，隨著放電階段的發(fā)展，放電紫外光子數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在發(fā)生閃絡(luò)時(shí)輻射的紫外光子最多。與之相對(duì)應(yīng)的放電紫外圖像的灰度值之和也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，如圖5（b）所示。同時(shí)，放電紫外圖像灰度直方圖的熵值隨著放電階段的發(fā)展逐漸增大，并且在閃絡(luò)階段顯著增大，表明在閃絡(luò)發(fā)生前試樣沿面放電分散性較小，主要呈現(xiàn)一定規(guī)律的電暈放電和空氣電離；當(dāng)發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，沿面放電較為復(fù)雜，放電的不規(guī)律性增大。

3.2 液滴大小對(duì)放電紫外特征的影響

在液滴電導(dǎo)率與液滴位置不變時(shí)，液滴體積對(duì)絕緣子沿面放電紫外特征的影響如圖6 所示。從圖中可以看出，隨著液滴體積的增大，放電紫外光子數(shù)、放電紫外直方圖的灰度值和熵值均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表明雖然較大體積的液滴對(duì)沿面電離通道形成與帶電離子運(yùn)動(dòng)起到一定的抑制作用，但其最終引發(fā)的放電閃絡(luò)較為劇烈。這主要是由于絕緣子沿面放電閃絡(luò)最主要的形成方式是電子、離子等帶電離子與空氣發(fā)生的碰撞電離。當(dāng)試樣表面不存在液滴時(shí)，陰極發(fā)射的初始電子沖擊試樣表面解吸附氣體發(fā)生碰撞電離，導(dǎo)致電子崩的形成與發(fā)展；當(dāng)存在液滴時(shí)，液滴在電場(chǎng)下發(fā)生極化，正離子偏向陰極側(cè)液滴表面，當(dāng)電子沖擊液滴表面時(shí)被正離子捕獲，發(fā)生復(fù)合，從而對(duì)放電的起始與發(fā)展產(chǎn)生一定的抑制作用[15-17]。

圖6 不同液滴體積下沿面放電的紫外特征提取Fig.6 UV imaging characteristics of surface discharges under different droplet volume

隨著液滴體積的增大，電極間沿絕緣子表面的絕緣有效距離減小，表面干區(qū)所承受的電壓相對(duì)增大，較易引發(fā)電暈放電和空氣電離，導(dǎo)致在沿面放電發(fā)展各個(gè)階段輻射出較多的紫外光子，同時(shí)放電也變得較為強(qiáng)烈和復(fù)雜。

3.3 液滴位置對(duì)放電紫外特征的影響

在液滴體積與液滴電導(dǎo)率不變時(shí)，液滴位置對(duì)絕緣子沿面放電紫外特征的影響如圖7 所示。從圖中可以看出，隨著液滴位置從地電極側(cè)到高壓電極側(cè)，放電紫外光子數(shù)、放電紫外圖像直方圖的灰度值和熵值均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明液滴處于地電極側(cè)的時(shí)候放電起始與發(fā)展受到了一定的抑制，但所引發(fā)的放電閃絡(luò)比較劇烈。這主要是由于在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，試樣表面電子運(yùn)動(dòng)速度高于正離子移動(dòng)速度，當(dāng)液滴置于高壓電極側(cè)時(shí)，液滴的阻擋作用導(dǎo)致液滴兩側(cè)迅速積聚大量的正電荷和電子，并且較易形成高電場(chǎng)引發(fā)跨接液滴的電弧放電，從而導(dǎo)致閃絡(luò)較易發(fā)生。與之相對(duì)應(yīng)，液滴在地電極側(cè)的時(shí)候，液滴對(duì)電子移動(dòng)起到了一定阻礙作用，當(dāng)外加電場(chǎng)足夠高時(shí)才能誘發(fā)沿面閃絡(luò)。

液滴的介電常數(shù)要高于空氣和復(fù)合絕緣子試樣表面的介電常數(shù)，因此，當(dāng)液滴置于試樣表面后，在試樣表面、液滴和空氣交界處形成較強(qiáng)的局部電場(chǎng)，沿面電場(chǎng)畸變程度隨著液滴從地電極側(cè)向高壓電極側(cè)發(fā)展呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。由于沿面放電與電弧的發(fā)展是從電極兩端向著液滴位置，只有當(dāng)電壓達(dá)到臨界值的時(shí)候，電弧在電場(chǎng)力切向分量與弱法向分量共同作用下形成跨接液滴的沿面閃絡(luò)。

圖7 不同液滴位置下沿面放電的紫外特征提取Fig.7 UV imaging characteristics of surface discharges under different droplet location

4 結(jié)論

基于沿面放電閃絡(luò)的紫外成像特征研究了離散液滴參數(shù)（液滴位置與液滴體積）對(duì)復(fù)合絕緣子沿面放電的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）當(dāng)絕緣子表面存在液滴時(shí)，隨著沿面放電的起始、發(fā)展以至閃絡(luò)形成，放電紫外成像的灰度直方圖從較為集中的低像素（0～50）范圍發(fā)展到很寬的像素分布，紫外光子數(shù)、灰度值之和以及熵值均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，并且在閃絡(luò)發(fā)生時(shí)紫外成像特征參數(shù)均顯著出現(xiàn)最大值。

（2）隨著液滴體積的增大，放電紫外光子數(shù)、紫外成像的灰度值與熵值均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

（3）隨著液滴位置從地電極側(cè)向高壓電極側(cè)移動(dòng)，放電紫外光子數(shù)、紫外成像的灰度值與熵值均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

[1]張彥，姚建剛，毛田，等（Zhang Yan，Yao Jiangang，Mao Tian，et al）.WebGIS 紅外熱像零值絕緣子在線檢測(cè)系統(tǒng)（Infrared thermal imaging on-line detection system of zero value insulator based on WebGIS）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（4）：51-57.

[2]陳華林，姚建剛，李佐勝，等（Chen Hualin，Yao Jiangang，Li Zuosheng，et al）.利用徑向溫度分布特征檢測(cè)絕緣子污穢等級(jí)（Insulator pollution level detection using radial temperature distribution features）[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（5）：56-61.

[3]Du B X，Liu Yong.Pattern analysis of discharge characteristics for hydrophobicity evaluation of polymer insulator[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2011，18（1）：114-121.

[4]劉勇，杜伯學(xué)，劉弘景，等（Liu Yong，Du Boxue，Liu Hongjing，et al）.泄漏電流相角變化特征與絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)分析（Phase angle characteristics of leakage current and analysis on outdoor insulator performance）[J].高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2012，38（4）：831-837.

[5]鄭會(huì)軍，帥定新，陳洪，等（Zheng Huijun，Shuai Dingxin，Chen Hong，et al）.用于絕緣子串泄漏電流測(cè)量的光纖電流傳感器（Optical fiber current sensor for leakage current measurement of insulator string）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（4）：25-29.

[6]Du B X，Li Y P，Liu Yong. Hydrophobicity evaluation of silicone rubber insulator using DC discharge induced acoustic wave [J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2013，20（5）：1836-1844.

[7]Liu Yong，Du B X. Recurrent plot analysis of leakage current in dynamic drop test for hydrophobicity evaluation of silicone rubber insulator[J]. IEEE Trans on Power Delivery，2013，28（4）：1996-2003.

[8]Du B X，Ma Zongle，Cheng Xinxin，et al. Hydrophobicity evaluation of polymer insulator using pd-induced electromagnetic wave[J]. IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19（3）：1060-1067.

[9]Karady G G，Shah M，Brown R L.Flashover mechanism of silicone rubber insulators used for outdoor insulation-I[J].IEEE Trans on Power Delivery，1995，10（4）：1965-1971.

[10]El-Kishky H，Gorur R S. Electric field computation on an insulating surface with discrete water droplets[J]. IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，1996，3（3）：450-456.

[11]Lopes I J S，Jayaram S H，Cherney E A. A method for detecting the transition from corona from water droplets to dry-band arcing on silicone rubber insulators[J]. IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2002，9（6）：964-971.

[12]Gao Haifeng，Jia Zhidong，Mao Yingke，et al.Effect of hydrophobicity on electric field distribution and discharges along various wetted hydrophobic surfaces[J]. IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15（2）：435-443.

[13]司馬文霞，劉貞瑤，蔣興良，等（Sima Wenxia，Liu Zhenyao，Jiang Xingliang，et al）. 硅橡膠表面分離水珠放電特性的研究（Study of discharge characteristics of discrete water drops on the silicone rubber surface）[J]. 高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2004，30（2）：7-9.

[14]Liu Yong，Du B X，Du Dongming. Pattern analysis on dielectric breakdown characteristics of biodegradable polyethylene film under nonuniform electric field[J].European Transactions on Electrical Power，2013，23（1）：72-82.

[15]梁飛，MacAlpine Mark，關(guān)志成，等（Liang Fei，MacAlpine Mark，Guan Zhicheng，et al）.污穢絕緣子表面干區(qū)形成的影響因素（Factors affecting dry-band formation on the surface of polluted insulator）[J].高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2012，38（10）：2604-2610.

[16]Du B X，Liu Yong. Frequency distribution of leakage current on silicone rubber insulator in salt-fog environments[J]. IEEE Trans on Power Delivery，2009，24（3）：1458-1464.

[17]Du B X，Liu Yong，Liu H J，et al.Recurrent plot analysis of leakage current for monitoring outdoor insulator performance [J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2009，16（1）：139-146.