游书均 黄魏巍 石宁 李德彬 朱新燕
（云南电网有限责任公司昭通供电局 云南昭通 657000）
摘要：对于空心电抗器内表面的检测大多数都采用工业光纤内窥镜。工业内窥镜为获得大的视场角，一般采用超广角鱼眼镜头，图像畸变大，景深小；工业内窥镜一般采用光学直视系统进行观察，对观察者而言使用不便，即使使用了电视影像传输系统，受传像束分辨率的限制，也很难得到高质量的图像。
基于光电探测技术的空心电抗器内表面快速检测系统，由光学探测头系统，控制系统，传动系统，图像传输系统，图像采集、显示和数据处理系统构成。它可以对空心电抗器四孔八面进行同时检测，检测时间仅需50-60秒；可以对空心电抗器内表面的真实情况以位图的形式进行同时存储；可以根据设定的参数对存储的位图进行筛选，找出可能有问题的位图，供技术人员进行识别和确认。
关键词：空心电抗器，检测系统，光电探测
电抗器实质上是一个无导磁材料的空心线圈。在电力系统中一是补偿系统无功；二是限制短路电流。在电力系统发生短路时，由于采用了电抗器，在发生短路时，电抗器上的电压降较大，所以也起到了维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上的用户电气设备运行的稳定性。电抗器对电气设备的安全、稳定运行起着重要的作用。
1电抗器故障原因
1.1沿面树枝状放电和匝间短路
电抗器在户外的大气条件下运行一段时间后，其表面会有污物沉积，同时表面喷涂的绝缘材料也会出现粉化现象，形成污层。在大雾或雨天，表面污层会受潮，导致表面泄漏电流增大，产生热量。这使得表面电场集中区域的水分蒸发较快，造成表面部分区域出现干区，引起局部表面电阻改变。电流在该中断处形成很小的局部电弧。随着时间的增长，电弧将发展并发生合并，在表面形成树枝状放电烧痕，形成沿面树枝状放电。由于绝大多数树枝状放电产生于电抗器端部表面与星状板相接触的区域。而匝间短路是树枝状放电的进一步发展，即短路线匝中电流剧增，温度升高到使线匝绝缘损坏并在高温下导线熔化而形成。
1.2 局部过热导致绝缘层损坏
电抗器运行温度偏高。设计选择的绝缘材料耐热等级偏低是造成故障的主要原因。由于散热不均，或者电抗器内部局部过热，导致绝缘层损坏从而引起局部放电和电弧。
1.3 振动噪音异常
引起振动的主要原因是磁回路有故障和制造时铁芯未压紧或夹件松动。此外，器身固定、安装质量等均可造成振动和噪音异常。
1.4 磁回路故障引起内部放电
磁回路出现故障的原因是多方面的，如漏磁通的过于集中引起局部过热，铁芯接地引起环流和铁芯与夹件间的绝缘破坏，接地片的松动与熔断导致悬浮放电及地脚绝缘故障等。故障原因是由于下夹件与地脚之间的绝缘损坏，形成闭合磁通回路，运行时烧断接地联线，从而产生放电故障。在电抗器轴向位置有接地网，径向位置有设备，遮栏、构架等，都可能因金属体构成闭环造成较严重的漏磁问题，对周围环境造成严重的影响。若在磁场范围只有较大铁磁物质，无闭环回路问题不大，若有闭环回路，如地网、构架、金属遮栏等，其漏磁将感应环流达数百安培。这不仅增大损耗，更因其建立的反向磁场同电抗器的部分绕组耦合而产生严重问题，如是径向位置有闭环，将使电抗器绕组过热或局部过热，如同变压器二次侧短路情况，如是轴向位置有在闭环，将使电抗器电流增大和电位分布改变，故漏磁问题并不能简单地认为只是发热或增加损耗。
2 检测方案
经过对电抗器的实际观察和测量之后，我们对检测方案进行了设计。提出了非内窥式和内窥式两种方法对空心电抗器内表面进行检测。
2.1非内窥式
非内窥式是采用变焦成像技术对空心电抗器内表面进行检测。主要包括照明系统、变焦成像系统和图像处理系统，如图1所示。
图1 国内窥式空心电抗器内表面检测系统
首先利用照明系统将空心电抗器内表面照亮，然后利用变焦成像系统对电抗器内表面进行成像，最后利用图像处理系统存储和展现电抗器内表面的图像。
由于电抗器内表面间隔最大只有25毫米，而深度却2850毫米，另外电抗器内表面还有类似洗衣板表面的凸起。这使得从外部将空心电抗器内表面均匀照明难以实现，经过调研，利用现有的光源都很难实现。
由于变焦成像系统是对侧面进行成像，因此，这将产生两个问题，一是图像的压缩比非常大，导致图像无法分辨，现有的图像处理软件都很难将压缩的图像再现；二是受成像系统分辨极限的限制，图像存在检测盲区。
2.2内窥式
内窥式是采用电子内镜技术对空心电抗器内表面进行检测。1983年美国Welchallyn公司研制并应用微型像传感器(CCD)代替了内镜的光导纤维导像和硬管透镜组导像,宣告了电子内镜或内视眼的诞生。电子内镜采用前端芯片技术和与之相匹配的特制光学成像透镜，从而和普通光导纤维内镜或硬管式内镜相比较，有更高的信噪比、更明亮和更清晰的图像、更逼真的色泽、更宽广的视场角和更加持久耐用。这是内镜发展史上一次历史性的突破，它的问世,给百余年来内镜的检测开创了新篇章,在工业和科研中越来越展现出巨大的优势。
电子内镜的核心技术是前端芯片技术。光学成像系统和像传感器CCD均安装在内镜的前端，而图像信号是以电信号的形式馈送给外部的显示器，因此，电子内镜的外径尺寸主要受光学成像系统和像传感器外径的限制。同时实现细径化和高清晰度，两者需要小尺寸、大像素数的CCD传感器和小外径、高分辨率的光学成像系统。目前国际上已有尺寸为四分之一英寸、显示模式为VGA和SVGA的CCD产品，在这样的条件下，设计和研制小外径、高分辨率的内镜光学成像系统就成为关键。
内窥式空心电抗器内表面检测系统包括光学成像系统、微型图像传感器CCD、照明系统、控制系统、传动系统、网络传输系统和图像采集、显示与处理系统。
3 系统构成
3.1光学探测头系统
它由照明系统、光学系统和CCD探测器组成。照明系统采用的是高亮度发散发光二极管，因此，照明系统具有体积小、发光效率高和寿命长的特点；光学系统采用的是全反射棱镜，因此，通过该系统所成的像具有畸变小的特点，可以真实地反映出空心电抗器内表面的情况；CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程主要是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
要求光学探测系统所成的像要能反映出空心电抗器内表面的真实情况，这样，有利于观察和识别内表面的疵病。在空心电抗器内表面快速检测仪的光学系统中，采用棱镜来直接观测和采集电抗器内表面的图像。
光学系统的研制过程当中，首先采用的是利用黑白CCD探测器单面采集的方式，黑白CCD探测器单面采集的优点在于制作简单，成本较低，而且图像较大，图像的处理比较简单。缺点在于速度较慢，容易产生误检。彩色双面采集优点在于所采集的图像更能准确地反映电抗器内表面的真实情况，而且采集图像的速度有较大的提高。缺点在于制作困难，成本较高，对于图像的存储需要较大的空间，图像的处理也比较复杂。为了快速准确观察和检测到电抗器内表面的疵病，最终采用彩色双面采集的方式。CCD探测器采用的水平解晰度 420 电视线，像 素 PAL: (H)500x(V)582，最低照度 0.5 Lux， 功率消耗 12V±10%，DC,100mA， 使用温度 -10℃～+ 50℃。
3.2控制系统
该系统主要由控制电路、数码管和控制键组成。该系统所完成的基本功能是控制探测头做匀速的上下运动. 通过控制电路实现对步进电机的控制；数码管可以对探测头的运动速度和运动距离进行显示。控制键可以控制探测头进行加速、减速、启动、停止、设定、复位、上行和下行。加速键在平时为速度增加，在设定时为数字增加。减速键在平时为速度减少，在设定时为数字减少。启动键使步进电机运行到设定位置。复位键使步进电机运行到初始位置。停止键可以在启动或复位中使步进电机运行停止，再次按启动或复位步进电机将继续运行。上行和下行分别使电机正转前进和反转后退，并且不受设定的限制。速度的设定范围是：0-600转/分；距离的设定范围是：0-9999毫米。
3.3 传动系统。该系统主要由步进电机，传动轴和齿型带收放机构组成。步进电机通过齿轮带动传动轴转动，传动轴又带动齿型带做往复运动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件[5]。在非超载的情况下，电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机 则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的主要特性：1）步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2）步进电机停止时具有自锁功能。3）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。4）改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。
在传动系统的研制过程需要解决的主要有传输线的收放问题和探测头运行同步问题。在传输线的收放方面，为了将传输线收放自如，先后采用了被动收线和主动收线的方式。所谓被动收线就是通过主动轴和被动轴使传输线自然进入收线盒当中。所谓主动收线就是通过绕线装置将传输线收入盒当中。在主动收线方式下，主要是利用弹簧将传输线缠绕起来，主动收线方式虽然可以使收放线自如，但结构复杂。
3.4 图像传输和显示系统
该系统主要由信号传输线、服务器、网线和显示器组成。它所完成的主要功能是将空心电抗器内表面的图像信号通过模拟传输线路传入服务器上，图像信号在服务器上由硬件进行实时转换和压缩，然后通过网线把压缩好的数据传入与它进行联接的计算机中。远端监控主机通过专用管理软件对实时传递来的监视内容进行查看。通过管理软件还可以远程更改视频服务器的工作参数，控制探头等前端设备的工作方式。对于没有安装管理软件的终端，由于服务器内置了Web服务器，也可以通过浏览器直接连接服务器进行监视内容的观看。
该系统要求能够对多路视频图像进行传输和显示，另外，满足远程视频要求。该系统的研究，需要解决三个方面的问题，一是较长距离传输时视频或图像信号具有较高的信噪比，即图像清晰，稳定。二是能对电抗器内表面的状况进行实时观察。三是多画面图像可以在笔记本电脑上显示。
视频信号的衰减问题是该系统中要解决的首要问题，对此，我们采取了三方面的措施，一是采用高灵敏度CCD探测器对光信号进行探测。二是采用银导线进行信号传输，并对滑动接触的部分进行镀银处理，使信号的衰减降到最低。三是利用网线进行网络传输。
利用视频采集卡很容易在台式电脑上实现多画面显示。由于视频采集卡具有一定的体积，而笔记本电脑上又没有相应的卡槽和输出端口，受到监控系统的启发成功地解决了这一问题。这使得整个检测仪变得小巧，轻便，便于移动或携带。
4检测过程
利用空心电抗器内表面快速检测仪电抗器模型内表面状况进行了检测，检测装置如图2所示。检测系统由探测头，传动系统，控制系统和计算机构成。探测头可以对电抗器内表面进行成像，同时，探测头在传动系统的带动下在电抗器内部运动，这样就会将内表面的状况拍摄下来。通过控制系统将图像传送给计算机。
图2 检测系统示意图
5结论
该仪器可以对空心电抗器4个孔八个面进行同时显示；可以对拍摄的4个孔八个面图像进行同时存储；可以对拍摄的图像进行放大处理，也可以对拍摄的图像进行回放。利用空心电抗器内表面快速检测仪图像处理软件可以对拍摄的图像进行裁剪、筛选，可以识别有瑕疵的图像。
参考文献
[1]林芳克电抗器事故原因的分析及防止对策广西电力 2006，4：33~34
[2]张瑞 常静波 刘银年 高稳定度步进电机驱动电路设计.计算机工程.2007，2（4）：247~249
论文作者:游书均,黄魏巍,石宁,李德彬,朱新燕
论文发表刊物:《电力设备》2016年第12期
论文发表时间:2016/8/25
标签：电抗器论文; 表面论文; 图像论文; 系统论文; 步进电机论文; 信号论文; 传输线论文; 《电力设备》2016年第12期论文;