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线路复合绝缘子憎水性及金具腐蚀特征提取方法

2024-10-23 32 上传者：管理员

摘要：采用结构光检测的傅里叶变换轮廓术，来重构表面的三维形貌形态特征，进而获得导地线复合绝缘子老化及金具腐蚀状态。结果表明：（1）分析复合绝缘子材料表面情况，通过统计分析水珠情况，可以自动获得憎水性等级，进而可以提取老化程度；（2）分析金具腐蚀情况，获得对应的锈蚀金具局部三维形貌图并进行曲面拟合后可以得到分析区域的均方根误差，当区域均方根误差大于0.1mm时，锈蚀较为严重。根据该方法可有效建立以表面三维特征来获取线路复合绝缘子憎水性及金具腐蚀特征的模型，可以精准辨识线路绝缘子的运行健康状况。

关键词：
材料老化
特征参数
线路复合绝缘子
结构光检测
金具腐蚀
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输电导地线复合绝缘子及附属金具受到自然条件影响，复合绝缘子表面出现老化行为，影响了绝缘性能，附属金具容易出现大量腐蚀现象，给输电线路运行维护带来了系列难题[1-4]。有关复合绝缘子材料表面老化研究工作，研究者集中在高湿自然环境、高污工业环境以及高盐海洋环境等区域特征参数对复合材料表面老化的影响[1-3]。微观界面缺陷、憎水性迁移特征以及绝缘能力等均被用于评价多种人工老化量测结果，以获取材料老化量化数据[5-9]，结合自然和人工的宏观及微观数据，建立了复合绝缘子表面定量老化的评价方法[10-11]。有关附属金具腐蚀研究工作，研究者集中在硫酸型高湿环境的相应参数，该环境被认为是金具锈蚀的首要环境条件[2,12-16]，也有研究者注意到了金具应力腐蚀的作用，在环境的大气腐蚀、电场腐蚀的协同下，金具腐蚀进一步加剧[17-18]。

这些研究基本从老化机理出发，分别建立复合绝缘子及附属金具的判断方法，缺乏统一的提取方法。本文采用结构光投影方法中的傅里叶变换轮廓术，来获取线路复合绝缘子憎水性及金具腐蚀特征，对待测绝缘子和金属表面进行二维传统图像采集后，初步判断复合绝缘子老化及金具腐蚀两类待检区域，基于结构光投影重构三维形貌，最后获得检测复合绝缘子憎水性及金具腐蚀情况。

1、基本原理

输电线路绝缘子和金具处于高空中，需要无人机设备来采集图像。在无人机设备上需搭载图像数字光投影模块（Digital Light Projector,简称DLP）和图像采集光轴与电荷耦合器件（Charge-coupled Device,简称CCD）。结构光投影的测量系统光路可参考图1，其中EcEc´是成像系统CCD的光轴，EpE´p是投影系统DLP的光轴，两个光轴相交于参考平面上O点。EcOEp呈现一定的夹角，以让后续的正弦条纹图产生变形条纹。

图1系统结构示意图

当无人机飞至待检测输电线路附近时，携带的CCD对待测绝缘子和金属表面进行二维传统图像采集后，基于直方图均衡化和被测物体的形态学特性，对复合绝缘子老化及金具腐蚀两类待检区域进行初步判断：若该区域无问题，则对下一个区域进行初步检测；若该区域无问题，则基于结构光投影对其三维形貌进行重构，以进一步检测复合绝缘子憎水性及金具腐蚀情况。

图2正弦条纹图

所提方法采用的是结构光投影方法中的傅里叶变换轮廓术[19-22]，在无人机系统中需提前放置一张如图2所示正弦条纹图，针对需基于结构光检测区域，通过DLP将该条纹图进行投影，物体表面的高低的不同将对条纹图产生影响进而发生形变，再基于CCD进行图像采集，采集后得到的变形光栅像可以表示为下列方程式：

式(1)中，r(x,y)是物体表面非均匀反射率，f0是变形光栅像的基频，ϕ(x,y)表示由物体表面的高低起伏带来的相位调制，即：

CCD采集到式(1)所示的变形光栅像后，需无线将图像传输至地面处理设备，该设备将对(1)式表示的变形光栅像进行傅立叶变换，再进行频谱滤波，取出图中阴影所示的基频分量，然后对之作逆傅里叶变换，则在空域中的光场分布可以表示为：

g (x,y)=A1r(x,y)exp{j[2πf0x+Ø(x,y)]}(3)

当h(x,y)为0时，即对参考平面进行测量时，预存的光栅像可以表示为：

式(4)中：

对式（4）同样进行傅里叶变换、频谱滤波、逆傅里叶变换，可以得到：

ϕ0(x,y)是由于投影系统的出瞳在有限远处，发散照明所引入的附加相位调制。如果投影系统的出瞳处在无限远，附加相位等于零。

对于发散照明情况，单纯由高度引起的相位调制∆ϕ(x,y)为：

通过公式(3)和(5)可以获得这一相位调制：

式(7)中，lm{}表示取复数的虚部，*表示共轭。再对相位进行相位展开后，根据三角形HCD和HEpEc的相似关系，可得到物面各点的高度值h(x,y)为：

获得由各地高度值构成的物体三维形貌后，对图像的待检区域基于局部加权回归算法进行曲面拟合，再将三维结果与曲面拟合结果相减，并计算出均方根误差，即可对被测物体表面的待检度进行定量分析和判断。

2、实验方法与分析

2.1绝缘子

采用该方法分析了复合绝缘子材料表面情况，图3(a）所示为伞裙水珠图片，图3(b）为采集到的因表面高度变化而导致形变伞裙的水珠变形光栅图。

图3伞裙水珠及变形条纹图

对采集到的变形光栅像进行傅里叶变换、提取基频和逆傅里叶变换，与参考面相减和相位展开后，可以获取如图4所示的绝缘子水珠三维形貌。其中，图4(a）为平面形貌，图4(b）为立体形貌图，图4(c）为水珠斜视形貌图。

图4伞裙水珠三维形貌

根据三维形貌图，直接均匀截取N段绝缘子表面水珠截面数据并绘制如图4所示水珠三维图，通过统计每张截面图水珠数量N并转换为对应的憎水性等级HC[23-24]，最后将截面图的憎水性等级取平均近似即可得到该绝缘子图像的憎水性等级F(HC)，相应方程式为：

根据统计结果，可以自动获得憎水性等级，进而可以提取老化程度，如图4中，统计了45颗水珠，F(HC)为1.12，可以认为憎水性为HC1，即该绝缘子伞裙处于较为良好状态。

2.2金具

采用该方法分析了金具腐蚀情况，图5(a）所示为锈蚀金具图片，图5(b）为采集到的因表面高度变化而导致形变金具的变形光栅图。

图5锈蚀金具及变形条纹图

对采集到的变形光栅像进行傅里叶变换、提取基频和逆傅里叶变换，与参考面相减和相位展开后，可以获取如图6所示的金具三维形貌。在金具取A、B和C三点，这三个点区域的锈蚀程度不一，可以作为该方法的直接比对。

图6锈蚀金具三维形貌

根据图6中A、B和C三个区域，可得对应的锈蚀金具局部三维形貌图。图7(a）、（b）、（c）为区域各坐标的真实高度值，对三个区域基于局部加权回归算法进行曲面拟合后可以得到如图7(d）、（e）、（f）所示的拟合曲面，使用各点的真实高度与拟合曲面得到的高度可以计算得到各区域的均方根误差分别0.089mm(A区域）、0.112mm(B区域）和0.116mm(C区域），因此A区域较为平滑，B、C区域锈迹较多。根据后期大量实验结果可得出，当区域均方根误差大于0.1mm时，锈蚀较为严重。

图7锈蚀金具局部三维形貌图

3、结论

采用结构光投影方法中的傅里叶变换轮廓术，来获取线路复合绝缘子憎水性及金具腐蚀特征，采集了待测区域绝缘子和金属表面图像后，基于结构光投影重构三维形貌，可直接检测复合绝缘子憎水性及金具腐蚀情况。

(1）采集并获取表面高度变化而形变伞裙的水珠变形光栅，建立了三维形貌图并获取绝缘子表面水珠数据，统计分析获得憎水性等级，可提取老化程度。

(2）采集并获取表面高度变化的腐蚀金具表面变形光栅，可获取局部三维形貌图，曲面拟合后获取分析区域的均方根误差，当误差大于0.1mm时，锈蚀较为严重。

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基金资助:国网四川省电力公司科技项目(52199722001H);

文章来源:郭利瑞,吴驰,雷潇,等.线路复合绝缘子憎水性及金具腐蚀特征提取方法[J].合成材料老化与应用,2024,53(05):36-39.

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期刊名称：合成材料老化与应用

期刊人气：1256

期刊详情

主管单位：广州合成材料研究院有限公司

主办单位：广州合成材料研究院有限公司

出版地方：广东

专业分类：化工

国际刊号：1671-5381

国内刊号：44-1402/TQ

邮发代号：46-306

创刊时间：1972年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：7-9个月

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