基于轻量化网络与增强多尺度特征融合的绝缘子缺陷检测

随着无人机搭载目标检测算法在输电杆塔绝缘子巡检领域的发展,针对绝缘子缺陷检测速度较低,网络复杂度高且缺陷小目标难以准确检测的问题,提出一种基于轻量化网络与增强多尺度特征融合的YOLOv5-3S-4PH模型进行绝缘子缺陷实时检测。首先将重构的ShuffleNetV2-Stem-SPP(3S)网络作为YOLOv5的主干网络,显著减小了网络的参数量和计算量;其次引入针对小目标的增强多尺度特征融合网络以及4个预测头,来增强网络对绝缘子缺陷的感知能力,并结合Mosaic-9数据增强、CIoU损失函数进一步补偿轻量化导致的检测精度损失;最后将其应用到自制绝缘子数据集进行验证。实验结果表明,该文所提出的模型相对于未改进的YOLOv5,全类平均精度提高了3%,检测速度提高了81.8%,参数量、计算量分别压缩了82.4%、67%。因此,所提出的模型更适合部署在无人机平台上进行绝缘子缺陷的实时监测。

直流电压下GIS盆式绝缘子表面电荷及电场分布特性仿真研究

GIS中盆式绝缘子表面在外施直流电压时会积聚大量电荷使得沿面闪络电压大幅降低,从而引发一系列电气设备故障。基于上述问题,文中分析了盆式绝缘子表面电荷的来源与传导途径,采用有限元仿真计算方法构建了二维轴对称仿真模型以及设定相关参数,研究了电压极性、不同电压幅值以及电压极性反转对盆式绝缘子表面电荷分布的影响。结果表明,在直流电压下,凹面主要积聚与外施直流电压极性相反的电荷,凸面主要积聚与直流电压极性相同的电荷,且凹面积聚的电荷密度更大;在极性反转后-100 kV直流电压下,盆式绝缘子表面原先积聚的电荷密度呈现先增大后逐渐减小的趋势,随后转换极性并达到饱和,电场在靠近高压端以及盆式绝缘子沿面0~20 mm处的畸变程度较为明显。电场在盆式绝缘子表面电荷极性发生变化前出现峰值,相比较电荷达到饱和状态,此时盆式绝缘子凹面最大场强增加46%,凸面最大场强增加5.4%。该研究可为直流电压下盆式绝缘子表面电荷分布特性提供指导。

基于多尺度特征融合的绝缘子缺陷程度检测

针对绝缘子不同程度缺陷特征相似、像素信息少、不同程度缺陷检测效果不佳的问题,提出了一种基于多尺度特征融合的绝缘子缺陷程度检测网络(multi-scale feature fusion defect degree detection network,MFFD3Net)。该网络采用重构的ResNeSt50架构提高了对绝缘子缺陷程度数据集的特征提取能力。设计了基于反卷积的多尺度特征融合模块,丰富了不同尺寸特征图的表达能力,提高了对不同尺度目标的检测性能。同时,在输入检测模块的浅层特征图后增加多感受野的特征提取模块(receptive field block,RFB),使得更多绝缘子缺陷信息进入有效感受野,对最终特征图产生影响,提升不同程度绝缘子缺陷的检测精度。MFFD3Net在绝缘子缺陷程度数据集上的全类平均精度达到85.02%,其中绝缘子轻微破损与绝缘子轻微闪络小目标的检测精度分别为78.37%、79.98%,能够完成不同程度绝缘子缺陷的识别与定位。因此,该文提出的MFFD3Net对于完善电力系统故障预警、保障电网安全稳定运行具有重要意义。

500 kV输电线路劣化瓷绝缘子非线性发热特性的红外分析

高压输电线路绝缘子串中的劣化件会威胁电网安全。为了研究劣化瓷绝缘子的红外发热特性,设置了一系列实验,研究了劣化绝缘子的电阻、沿串位置和环境相对湿度对红外检测的影响。并对含有两片劣化绝缘子的绝缘子串进行了附加实验,以研究了正常绝缘子和低值绝缘子之间不同的发热现象。利用有限元分析仿真进一步分析了红外图像中钢帽的发热机理。实验和仿真结果表明:劣化绝缘子的温升与阻值呈非线性关系,当电阻为30 MΩ时温升最大;绝缘子串两端的劣化易被检测;相对湿度过高可能会导致误检;正常绝缘子的发热区域是钢帽的下部,瓷件的温度上升1.2℃左右,而对于劣化绝缘子,沿钢帽的温升分布均匀,瓷件的温度与实验前基本一致。相关研究结果为劣化绝缘子的红外检测提供了参考依据。

基于HHT的绝缘子泄漏电流分析及放电状态分类识别

泄漏电流是污秽绝缘子在线监测参数,能动态地反映绝缘子表面的放电状态。文中开展了瓷绝缘子人工污秽放电试验,利用Hilbert-Huang变换分析了不同污闪阶段的泄漏电流固有模态函数分量、Hilbert边际谱与时频熵,从时频域及波形细节提取了15个特征量,使用主成分分析法与最小二乘支持向量机分类器对污秽放电状态进行识别。结果表明:起始放电阶段与闪络阶段的泄漏电流固有模态函数分量较多;泄漏电流的Hilbert边际谱上频率主要分布在0~150 Hz、200~250 Hz范围内;闪络前泄漏电流的时频熵值总是大于闪络后的;当训练样本数为测试样本数5倍及以上时,分类器的综合评判准确率可达99%,准确实现了污秽放电状态的分类识别。文中研究结果可为建立绝缘子污闪预警系统提供依据。

特高压GIL绝缘子用微米氧化铝-氧化硅共混环氧复合材料的性能研究

特高压气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)电压等级高、输送容量大,对绝缘子耐受电、热、力综合作用能力的要求更高。本研究通过分别掺杂微米级氧化铝、氧化硅和氧化铝-氧化硅共混填料的方式制备了环氧复合材料,对共混体系力学、热学和电气性能等进行测试分析。结果表明:随着氧化铝填料体积占比的提高,复合材料的综合力学性能提升,微米氧化铝/环氧复合材料综合力学性能最佳。掺杂两种填料有助于提升共混体系的导热和耐电弧性能,但会略微降低玻璃化转变温度和增大热膨胀系数,当氧化铝和氧化硅填料体积比为1∶1时,复合材料的耐电弧时间可达186.63 s,导热系数可达1.198 W/(m·K)。随着氧化硅填料体积占比提高,环氧复合材料的介电常数减小,电气强度升高,体积电阻率增大,介质损耗减小。微米氧化硅/环氧复合材料工频电气强度最高,可达36.63 kV/mm。

电容屏破损缺陷局部放电过程规律特征及仿真分析

油纸电容式变压器套管因性能好、成本低而被广泛采用。当电容屏存在边缘破损工艺缺陷时易发生局部放电,进而会改变油纸绝缘性能,缩短套管使用寿命,严重时危及电网设备安全运行。为研究电容屏破损局部放电过程变化规律,明确放电发展阶段,该文搭建了缺陷套管放电实验模型分析局放过程中相位谱图、放电量等参数发展规律,并基于实验规律及流体漂移扩散理论、固体双极电荷传输理论,建立了末屏缺陷针板沿面放电过程仿真模型,结合仿真中电荷形态变化、放电时间及油纸界面电荷密度分布对电容屏破损放电过程进行阶段划分:放电初始阶段,铝箔尖端电荷聚集发生电晕放电;放电发展阶段,尖端处带电粒子在电场作用下向油纸发展,小部分达到油纸界面产生沿面放电;放电破坏阶段,经过长时间沿面放电进入油纸发生预击穿,电场强度更大使带电粒子能量更高,冲击油纸表面造成油纸表面纤维素断裂炭化形成通道。仿真结果与实验结论相对应,证明了仿真的有效性。该文的研究成果进一步阐明了油纸套管电容屏工艺缺陷局部放电的过程及机理。

基于FasterNet和YOLOv5改进的玻璃绝缘子自爆缺陷快速检测方法

为了实现对电力输电线路中绝缘子缺陷实时快速的巡检需求,提出了一种结合FasterNet-tiny和YOLOv5-s-v6.1网络模型改进的缺陷快速检测算法FasterNet-YOLOv5。首先引入参数量小推理速度更快的FasterNet网络替换原先的CSPDarkNet53主干网络,加快网络的检测速度。然后结合由GhostNetv2网络提出的解耦全连接注意力机制(decoupled fully connected,DFC),在主干特征提取网络中设计了DFC-FasterNet模块,模块中的DFC Attention机制可以在特征提取过程中增大感受野,提升网络的检测精度。最后针对玻璃绝缘子自爆缺陷目标较小和背景较复杂的情况,重新设计Neck模块,提出BiFPN-F特征融合模块,使网络更精确地定位绝缘子缺陷区域。实验结果表明:改进后的算法可以快速精准定位,其均值平均精度(mean average precision,mAP)达到93.3%,相较于改进前提升5.67%,检测速度达到45.7 Hz,较改进前提升近1倍。同时与最新的YOLOv8n和YOLOv7-tiny相比,改进后的FasterNet-YOLOv5在自爆缺陷上的检测精度和速度更具优势,该文所提算法能够更快速地对绝缘子及其自爆缺陷实时定位识别。

非线性电导涂层对直流GIL绝缘子空间/表面电荷和沿面电场的调控研究

空间/表面电荷积聚是导致直流GIL绝缘子沿面闪络电压降低的潜在原因,涂敷非线性电导涂层是提升沿面绝缘性能的有效方法。本文建立了电场依赖性非线性电导涂层对绝缘子空间/表面电荷及沿面电场调控的数学模型,综合考虑了绝缘气体电流密度以及绝缘子固体电导率与电场强度的非线性关系,通过该模型研究了温度梯度分布下绝缘子内部电荷的分布规律,以及非线性电导涂层对绝缘子表面电荷积聚的影响机制。结果表明:非线性电导涂层对空间电荷消散有明显的促进作用,高压电极附近的同极性电荷主导了表面电荷分布;由于表面电荷分布和切向电场的改善,绝缘子的沿面闪络性能得到提高;在绝缘子与涂层界面之间会积聚正电荷,并从高压电极向地电极逐步递减。

基于改进YOLOX网络的雾天绝缘子缺陷检测

绝缘子作为输电线路中重要的元器件,对绝缘子缺陷的识别和定位在电网巡检方面有重要意义。为了对雾天情况下绝缘子状态进行准确定位识别,改进了YOLOX目标检测网络。首先,为了加快网络的训练速度,改进了激活函数;其次,为了解决小目标样本相较于整体样本较少和样本不均衡的问题,改进了图像增强方法和损失函数;最后,将改进的YOLOX网络在数据集上与4种目标检测网络进行比较。实验结果表明,在雾天数据集上,改进后YOLOX的准确度、平均准确率和每秒处理图片张数都有一定提升,符合无人机巡检的要求。

基于域随机化的绝缘子缺损数据自动生成与评价方法

机器代人巡检已逐步在电力巡检场景中得到广泛应用,绝缘子作为维护电力系统安全可靠稳定运行的重要设备,对其缺陷进行准确有效检测具有重要意义。绝缘子缺损识别是绝缘子缺陷检测中的重要任务,针对当前绝缘子缺损数据样本较少且样本不平衡,模型泛化能力差、数据标注不精确的问题,该文提出基于域随机化的缺损样本自动生成框架与样本图像质量评估方法,在虚拟域到真实域的绝缘子缺损检测域适应问题上取得了较好的效果,并基于该方法生成图像标注数据供开源使用。该文提出的域随机化数据生成方法首先基于程序化建模生成结构可调的绝缘子伞盘模型并基于纹理噪声模型建立了包含陶瓷绝缘子常见色彩、纹理信息的程序化纹理模型,进而基于网格噪声模型建立了绝缘子缺损切割模块,随后通过域随机化生成完整的绝缘子结构、纹理模型、缺损结构、背景信息与场景物体。在图像渲染和自动标注环节,首先基于相机对准与能见度自动生成与调整拍摄点及相机参数,进而提出了基于光线投射方法建立数据标注类别判定方法,设置实例对应的图像渲染通道进行图像渲染,完成批量数据生成。该文采用域随机化生成的3000张虚拟数据在不修改YOLO V5网络结构、模型参数的基础上训练模型,在300张真实绝缘子缺损图像上进行测试,正常绝缘子识别准确率达到97.8%,召回率92.1%,缺损绝缘子识别准确率79.0%,召回率75.9%,各检测类别的准确率和召回率均高于基于400张真实图像训练得到的检测模型的推理结果。该文提出的图像样本质量评估方法考虑了与真实域数据的相似度和样本在数据集中的独立性,将所得评价结果代入损失函数权重计算,进一步提升了推理结果,缺损绝缘子识别准确率85.3%,召回率77.8%。

正极性直流电场对绝缘子雾凇覆冰的影响机理及覆冰试验验证

复杂大气环境下绝缘子覆冰是影响电网安全运行的关键科学问题。与交流相比,直流电场对荷电水滴具有较强的吸附作用,但鲜有研究涉及。基于场致荷电、流体力学和电磁学原理,对两种典型悬式绝缘子开展了电场-流场耦合仿真分析以及自然覆冰试验研究。结果表明,荷电水滴在直流电场中趋向于沿电场线运动,且其轨迹偏移量随着外施电压和水滴直径的增加而增大,而随着风速的增加而减小;直流电场下绝缘子表面产生冰树枝,不同绝缘子表面法向电场分量存在较大差异,进而影响冰树枝的生长特性;随着外施电压的升高,冰树枝逐渐从绝缘子伞裙边缘扩散至其表面,且冰树枝尖端逐渐变钝;带电情况下两种绝缘子覆冰量和覆冰长度大于不带电情况,且增长幅度均超过15%。研究结果对于建立带电绝缘子覆冰增长模型奠定了基础。

聚苯醚绝缘材料热氧老化动力学参数计算方法

聚苯醚是新能源储能和5G通信等产业领域的重要材料。热重动力学参数计算是快速评定聚苯醚热寿命的关键。但热重分析常选用氮气气氛且升温速率较高,导致老化机理发生改变。为此,该文通过慢速升温和空气气氛下的热重实验模拟聚苯醚的实际老化过程。在多个升温速率对应失效温度区间内拟合温度积分数值解修正Doyle系数,对早期热氧降解阶段进行动力学分析、求取活化能,并推估该阶段反应机理函数以计算指前因子。结果表明,该方法求解活化能的精度较Flynn-Wall-Ozawa法和ASTM E1641-18法更高,且聚苯醚实际热氧老化可等效为遵循类幂律反应机理函数的单一反应,计算得到的指前因子比假定反应机理的标准方法更加可靠。上述工作为聚合物绝缘的热氧老化动力学参数计算提供了有效的技术方法。

动车组车顶隔离开关用支柱绝缘子污秽状态下的电场分布特性研究

研究污秽状态下支柱绝缘子的电场分布特性有助于理解其放电机理。文中以FQJG2-30-16-400-M型车顶复合支柱绝缘子为研究对象,进行如下研究:对绝缘子表面进行淋雨试验,同时施加40 kV工频电压,靠近金具部分的伞裙首先发生闪络,且出现了干燥带,伞裙边缘形成大粒径的水珠时,容易引发表面放电。利用COMSOL有限元分析软件在绝缘子靠近金具的伞裙表面设置干燥带和水珠,护套表面存在干燥带时,电场畸变明显,杆径处的干燥带场强最大,上表面干燥带场强大于下表面干燥带场强,干燥带场强最大值随着干燥带数量增加反而减小。绝缘子表面出现水珠时,水珠附近的场强明显增大,越靠近中轴线水珠表面电场强度越大。靠近高压端的水珠的最大电场强度受半径的影响较大,低压端则不明显。

复合绝缘子交流盐雾闪络的可见光判据研究

绝缘子闪络事故一旦发生,严重危害电网安全运行。为探索放电检测和电弧发展成闪络预警的新方法,采用图像处理技术研究复合绝缘子交流盐雾闪络过程中不同阶段的电弧演化特性,提出复合绝缘子表面放电和电弧发展成闪络的可见光判据。首先进行10 kV复合绝缘子交流盐雾闪络试验,拍摄黑暗背景和明亮背景下的电弧演化视频,接着分析并发现局部电弧发展阶段和临闪阶段的电弧熄灭重燃特征差异,最后提出用放电像素数作为可见光图像放电程度评估参数,并通过图像处理技术提取不同背景下各阶段电弧演化过程的放电像素数时间序列。结果表明,放电像素数能准确反映绝缘子表面放电状态,放电像素数时间序列与各阶段电弧熄灭重燃规律高度匹配,可将放电像素数不为0和放电像素数时间序列谷值不为0分别作为复合绝缘子表面放电和盐雾闪络的可见光判据。

鸟啄损伤对复合绝缘子运行性能的影响研究

复合绝缘子因其性能优越得以在电网领域广泛应用,目前由于鸟类数量增加,鸟啄复合绝缘子的情况日益严重,鸟啄后绝缘子结构遭到破坏,会造成电网线路故障,因此本文研究鸟啄损伤对复合绝缘子性能的影响,为电网运维管理提供参考。首先通过试验对复合绝缘子鸟啄后机电性能进行分析;然后通过人工模拟鸟啄伞裙损伤来研究不同受损占比、不同受损数量对复合绝缘子沿面电场强度与污闪电压的影响;最后开展复合绝缘子护套电蚀损实验、酸浸实验、热老化试验,评估护套损伤对复合绝缘子性能的影响规律。结果表明:鸟啄后复合绝缘子结构遭到破坏,其电气性能、力学性能和防污性能都受到影响,同时护套损伤后,在局部场强、水分、酸、放电产热、机械应力等诸多因素共同作用下,芯棒材料劣化降解,芯棒力学性能下降,存在复合绝缘子异常断裂的风险。

界面湿放电下护套ATH填料析出对绝缘子芯棒酥朽老化的影响

复合绝缘子中玻璃钢芯棒的酥朽老化现象频繁出现,严重影响了输电线路可靠性。然而,酥朽老化与界面放电的关系尚无明确证据,界面放电下护套粉化对老化的影响仍不明确。文中以内击穿故障而退运绝缘子为参考,搭建了基于界面湿放电的人工加速老化平台,还原了绝缘子的界面放电和芯棒酥朽老化的发生和发展,并模拟了护套ATH填料析出对于酥朽过程的影响。实验在高湿环境下通过界面放电提供酸性和高温条件,在1000 h的老化过程中,对芯棒样品的微观结构、物理化学性质和泄漏电流进行表征。实验结果表明,多因素环境下的复合绝缘子界面放电会引发芯棒中环氧树脂的分解,最终导致玻璃纤维暴露、断裂,形成酥朽老化。同时,由于界面放电导致的护套ATH填料析出行为虽然会加剧芯棒表面老化;但在长期老化过程中,ATH填料可以部分减缓酥朽老化的深入。硅橡胶护套的耐漏电起痕能力对于减缓芯棒酥朽依然有正向效果,使复合绝缘子拥有一定的自修复性。该研究提供了界面放电引发酥朽老化的实验室基础,有助于监测和理解芯棒老化的发展过程和机理,同时从预防和减缓酥朽老化的角度为护套填料配方提供参考。

考虑温度梯度的高压直流GIL盆式绝缘子空间电荷仿真

在直流电压和温度梯度作用下,直流气体绝缘输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)中盆式绝缘子内部易积聚空间电荷,引起局部电场畸变。因此,研究直流电压下盆式绝缘子内空间电荷积聚特性,对提高直流GIL的绝缘性能具有重要意义。以直流GIL盆式绝缘子为研究对象,基于2维双极性载流子模型,建立了电-热-流-电荷多物理场耦合模型,研究了不同温度分布、不同电压等级和不同极性电压下盆式绝缘子内空间电荷分布特性和电场分布规律。仿真结果表明:仿真模型能够有效地模拟盆式绝缘子内空间电荷和电场分布,在盆式绝缘子工作条件下,空间电荷主要积聚在金属与绝缘材料界面处,最大电荷密度为156.59 mC/m^(3),在一定程度上造成设备内部电场畸变。绝缘子在复杂工况下的空间电荷仿真可以解决电力设备难以直接测量空间电荷分布的难题,研究方法和结果可为直流GIL的绝缘优化设计和可靠运行提供理论支撑。

基于离散元方法的复合绝缘子表面污秽沉积模型

污秽颗粒在复合绝缘子表面的沉积会影响其电气特性,导致沿面放电甚至污秽闪络的发生,从微观的角度探究其沉积机理,能够为电力系统的稳定运行提供理论依据。文中基于JKR接触力学理论,通过传统牛顿力学法和离散元方法分别对颗粒碰撞过程中的受力情况进行分析,提出综合考虑法向碰撞、颗粒反弹速度的碰撞沉积模型。根据不同碰撞沉积模型进行仿真实验,将所得结果与现有实验结果进行比较。结果表明:对比牛顿力学方法,离散元方法得到的碰撞沉积模型更能准确预测SiO_(2)颗粒在复合绝缘子表面的沉积情况。绝缘子表面颗粒沉积数随粒径的增大呈先增大后减小的趋势,在粒径20μm时达到最大沉积数。改变风向,绝缘子串中压端与高压端NSDD的比值随风向角度的增大而减小,下表面与上表面NSDD的比值随角度的增大而减小。绝缘子表面颗粒沉积数随风速的增大呈先增大后减小的趋势,并在±30º时达到最大。该文模型能够更为准确的描述污秽颗粒在绝缘子表面的沉积过程,研究结果有助于完善复合绝缘子表面污秽沉积机理。

复合绝缘子无溢流覆冰增长数值模拟及自然覆冰试验验证

绝缘子覆冰对电力系统的安全可靠运行构成了严重威胁。目前,主要从试验角度定性解释伞裙结构对绝缘子覆冰形态、覆冰量的影响,少有基于覆冰增长机理的冰形数值模拟研究。因此以FXBW-35/70为研究对象,基于流体力学和热力学原理,计算分析了绝缘子表面冻结系数和对流换热系数的变化规律,建立了绝缘子无溢流覆冰增长三维数值模型,并进行了自然覆冰试验验证。结果表明,冻结系数随着温度、水滴直径和液态水含量的升高而降低;对流换热系数随着风速的增大而增大。绝缘子无溢流覆冰增长方向与位置有关,杆径覆冰主要沿径向增长,而伞裙边缘覆冰沿径向和轴向2个方向增长。模型计算得到的绝缘子覆冰特征参数与试验的误差均在15%以内,验证了模型的有效性。