一种GIS内部多谱段光学成像检测装置及其检测方法与流程

一种gis内部多谱段光学成像检测装置及其检测方法
技术领域
1.本发明属于光纤检测技术领域，涉及一种gis内部多谱段光学成像检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.气体绝缘组合电器(gis)设备具有结构紧凑、不受外界环境影响、占地面积小、维护工作量少、可靠性高等优点，因此近年在高压及超特高压电网中得到愈来愈广泛的应用。尽管gis设备可靠性较高，其在制造、运输、安装、运行等过程中仍可能产生内部绝缘缺陷，如电极表面毛刺、绝缘子表面缺陷、屏蔽罩或螺栓松动导致的悬浮电位体、过热等，这些缺陷在运行过程中会在放电作用下发生进一步劣化，甚至最终造成严重故障。由于gis设备主要应用于城市电网以及高压电网，因此其故障具有影响范围大、修复时间长等特点，一旦发生事故，将引起巨大的社会经济损失，并对电力系统的安全运行以至整个社会的稳定造成严重威胁。
3.现有的研究对gis内部绝缘缺陷的检测方式包括特高频、超声波、脉冲电流、机械振动信号检测等检测方法均为在gis外部采用间接方式对内部绝缘缺陷进行检测，然而对于内部绝缘缺陷出现早期故障的时候往往无法实现及时发现及时检测，因此，需要一种更加有效更加直接的检测装置来解决现有检测方式无法发现早期故障的问题。


技术实现要素：

4.本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种gis内部多谱段光学成像检测装置，包括：第一成像子系统、第二成像子系统、第三成像子系统；第一成像子系统包括第一前置物镜、第一传像光纤、第一成像ccd，第一前置物镜通过第一传像光纤连接至第一成像ccd；第二成像子系统包括第二前置物镜、第二传像光纤、第二成像ccd，第二前置物镜通过第二传像光纤连接至第二成像ccd；第三成像子系统包括第三前置物镜、第三传像光纤、第三成像ccd，第三前置物镜通过第三传像光纤连接至第三成像ccd；第一成像ccd、第二成像ccd、第三成像ccd经过耦合系统后共同连接至图像采集信息处理模块；
5.第一前置物镜、第二前置物镜、第三前置物镜均伸入gis设备的内腔；
6.耦合系统还连接有照明子系统，照明子系统包括：照明led，照明led通过照明光纤连接有照明灯，照明灯伸入gis设备的内腔；
7.第一成像子系统用于红外光成像，第二成像子系统用于紫外光成像，第三成像子系统用于可见光成像；
8.通过三个成像子系统对gis设备内部的硬件状态、内部绝缘缺陷分别进行紫外光、可见光和红外光成像，然后将紫外光、可见光和红外光成像进行多谱段图像融合；红外光成像可实现gis设备内部导体温度检测，通过不同光程和气压条件下sf6吸收率测试，以及对影响红外测温精度的光程和sf6气体压力进行分析，得到光程、气体压力与温度修正值的关系，并计算得到温度补偿值，根据被测gis设备的光程和sf6气体压力准确计算出gis设备内
部导体实际温度；成像系统的设备本体图像，由可见光成像子系统获取；紫外成像子系主要获取局部放电产生的电弧光斑位置图像，三个成像子系统通道分别获取各自的图像，经图像融合，输出融合后完整的图像，融合后的图像可清晰识别，放电位置在不同电压下，局放的严重程度不同，光斑图像的大小呈比例放大关系；将数字图像经过处理，分割出紫外图像中的局部放电光斑区域，进行滤波等图像处理，提取光斑的边缘，用于量化紫外图像，建立光斑面积与局放强度关系，对局放强度进行标定，得以实现局部放电位置与放电强度的定性定量检测。
9.优选的，所述第一传像光纤、第二传像光纤、第三传像光纤均为光纤束，第一传像光纤、第二传像光纤、第三传像光纤的光纤束内的前后两端面的光纤位置呈一一对应排列；光纤束由离散分布的大量光纤组成，前置物镜前端面上的图像被离散分布的大量光纤采样，每根光纤都有良好的光学绝缘，独立地将获得的目标信息传输到后端面的成像ccd上，每根光纤可将其作为一个像元，像元的数目等于端面上光纤的根数，由于传像光纤束两端面的光纤呈一一对应排列，因此出射图像和入射图像保持一致。
10.优选的，所述第一成像子系统、第二成像子系统、第三成像子系统的成像光轴互相平行；三个成像子系统的成像光轴平行，由于前端前置物镜尺寸较小，各谱段图像保证可以满足重合，为后端图像融合奠定基础。
11.优选的，所述gis设备的外壁上设有法兰盘，第一前置物镜、第二前置物镜、第三前置物镜集中固定在法兰盘上；法兰盘用于固定前置物镜，同时保证将前置物镜位置固定在法兰盘固定的对应的gis设备的内腔位置，以保证成像稳定性。
12.更优的，所述第一前置物镜、第二前置物镜、第三前置物镜在法兰盘上呈正三角形排列。
13.更优的，所述照明灯固定在法兰盘上。
14.本发明还公开一种gis内部多谱段光学成像检测方法，该方法用于上述的检测装置，包括以下步骤：
15.步骤一：根据gis设备的外部结构，在其表面开槽；
16.步骤二：将第一前置物镜、第二前置物镜、第三前置物镜、照明灯集中固定在法兰盘上之后伸入gis设备的内腔；
17.步骤三：将法兰盘固定连接在gis设备的表面开槽处；
18.步骤四：调整第一成像子系统、第二成像子系统、第三成像子系统的成像光轴为互相平行状态；
19.步骤五：调整第一传像光纤、第二传像光纤、第三传像光纤的光纤束内的前后两端面的光纤位置呈一一对应排列；
20.步骤六：将第一成像ccd、第二成像ccd、第三成像ccd的成像经耦合系统耦合后传输至图像采集信息处理模块。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明通过三个成像子系统对gis设备内部的硬件状态、内部绝缘缺陷分别进行紫外光、可见光和红外光成像，然后将紫外光、可见光和红外光成像进行多谱段图像融合，红外光成像计算出gis设备内部导体实际温度；紫外光、可见光用于量化紫外图像，建立光斑面积与局放强度关系，对局放强度进行标定，三者融合得以实现局部放电位置与放电强
度的定性定量检测，因此本发明能够对直接在设备内部对gis设备内部早期出现的绝缘缺陷、故障及时发现及时监测，因此本发明检测更加直接、更加有效且能够及时发现现有技术中无法检测的早期故障。
附图说明
23.图1是一种gis内部多谱段光学成像检测装置正视剖视图；
24.图2是检测示意图。
25.图中：1、第一成像子系统；2、第二成像子系统；3、第三成像子系统；4、耦合系统；5、图像采集信息处理模块；6、gis设备；7、照明子系统；8、法兰盘；11、第一前置物镜；12、第一传像光纤；13、第一成像ccd；21、第二前置物镜；22、第二传像光纤；23、第二成像ccd；31、第一前置物镜；32、第一传像光纤；33、第一成像ccd；71、照明led；72、照明光纤；73、照明灯。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的相关技术进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.参考图1-2，一种gis内部多谱段光学成像检测装置，包括：第一成像子系统1、第二成像子系统2、第三成像子系统3；第一成像子系统1包括第一前置物镜11、第一传像光纤12、第一成像ccd13，第一前置物镜11通过第一传像光纤12连接至第一成像ccd13；第二成像子系统2包括第二前置物镜21、第二传像光纤22、第二成像ccd23，第二前置物镜21通过第二传像光纤22连接至第二成像ccd23；第三成像子系统3包括第三前置物镜31、第三传像光纤32、第三成像ccd33，第三前置物镜31通过第三传像光纤32连接至第三成像ccd33；第一成像ccd13、第二成像ccd23、第三成像ccd33经过耦合系统4后共同连接至图像采集信息处理模块5；
28.第一前置物镜11、第二前置物镜21、第三前置物镜31均伸入gis设备6的内腔；
29.耦合系统4还连接有照明子系统7，照明子系统7包括：照明led71，照明led71通过照明光纤72连接有照明灯73，照明灯73伸入gis设备6的内腔；
30.第一成像子系统1用于红外光成像，第二成像子系统2用于紫外光成像，第三成像子系统3用于可见光成像；
31.通过三个成像子系统对gis设备6内部的硬件状态、内部绝缘缺陷分别进行紫外光、可见光和红外光成像，然后将紫外光、可见光和红外光成像进行多谱段图像融合；红外光成像可实现gis设备6内部导体温度检测，通过不同光程和气压条件下sf6吸收率测试，以及对影响红外测温精度的光程和sf6气体压力进行分析，得到光程、气体压力与温度修正值的关系，并计算得到温度补偿值，根据被测gis设备6的光程和sf6气体压力准确计算出gis设备6内部导体实际温度；成像系统的设备本体图像，由可见光成像通道获取；紫外成像子系主要获取局部放电产生的电弧光斑位置图像，三个成像子系统通道分别获取各自的图像，经图像融合，输出融合后完整的图像，融合后的图像可清晰识别，放电位置在不同电压下，局放的严重程度不同，光斑图像的大小呈比例放大关系；将数字图像经过处理，分割出
紫外图像中的局部放电光斑区域，进行滤波等图像处理，提取光斑的边缘，用于量化紫外图像，建立光斑面积与局放强度关系，对局放强度进行标定，得以实现局部放电位置与放电强度的定性定量检测。
32.进一步的，所述第一传像光纤12、第二传像光纤22、第三传像光纤32均为光纤束，第一传像光纤12、第二传像光纤22、第三传像光纤32的光纤束内的前后两端面的光纤位置呈一一对应排列；光纤束由离散分布的大量光纤组成，前置物镜前端面上的图像被离散分布的大量光纤采样，每根光纤都有良好的光学绝缘，独立地将获得的目标信息传输到后端面的成像ccd上，每根光纤可将其作为一个像元，像元的数目等于端面上光纤的根数，由于传像光纤束两端面的光纤呈一一对应排列，因此出射图像和入射图像保持一致。
33.进一步的，所述第一成像子系统1、第二成像子系统2、第三成像子系统3的成像光轴互相平行；三个成像子系统的成像光轴平行，由于前端前置物镜尺寸较小，各谱段图像保证可以满足重合，为后端图像融合奠定基础。
34.进一步的，所述gis设备6的外壁上设有法兰盘8，第一前置物镜11、第二前置物镜21、第三前置物镜31集中固定在法兰盘8上；法兰盘8用于固定前置物镜，同时保证将前置物镜位置固定在法兰盘8固定的对应的gis设备6的内腔位置，以保证成像稳定性。
35.更进一步的，所述第一前置物镜11、第二前置物镜21、第三前置物镜31在法兰盘8上呈正三角形排列。
36.更进一步的，所述照明灯73固定在法兰盘8上。
37.本发明还公开一种gis内部多谱段光学成像检测方法，该方法用于上述的检测装置，包括以下步骤：
38.步骤一：根据gis设备6的外部结构，在其表面开槽；
39.步骤二：将第一前置物镜11、第二前置物镜21、第三前置物镜31、照明灯73集中固定在法兰盘8上之后伸入gis设备6的内腔；
40.步骤三：将法兰盘8固定连接在gis设备6的表面开槽处；
41.步骤四：调整第一成像子系统1、第二成像子系统2、第三成像子系统3的成像光轴为互相平行状态；
42.步骤五：调整第一传像光纤12、第二传像光纤22、第三传像光纤32的光纤束内的前后两端面的光纤位置呈一一对应排列；
43.步骤六：将第一成像ccd13、第二成像ccd23、第三成像ccd33的成像经耦合系统4耦合后传输至图像采集信息处理模块5。
44.实施例
45.本实施例基于光纤传像的gis设备6内部多谱段光学成像方法，对gis设备6内部进行紫外光、可见光和红外光多谱段光学成像观测，作为诊断gis设备6局部放电、接触不良、过热等缺陷的直接手段。本实施例通过研究gis设备6内部紫外光、可见光和红外光的光谱特征及其在sf6气体中的传播规律，获得适用于gis设备6内部多谱段光学信号传输的光纤特性参数，并且提出可传输多谱段光学图像信号的光纤传像技术，并研制出可植入gis设备6内部的无源光学信号采集阵列，提出适配于采集阵列的多谱段高灵敏度数字成像，通过光纤束图像质量优化与多谱段图像融合，研制出多谱段光学图像融合的成像装置，并开展gis设备6内部缺陷模拟仿真验证，构建出多光谱光学图像数据库，为进一步评估gis设备6设备
内部状态、降低故障概率，提供新型监测手段。
46.基于光纤传像的gis设备6内部多谱段光学成像关键技术研究是gis设备6设备运行状态监测的基础，结合gis设备6内部缺陷多谱段光学图像样本库，形成一套适用于gis设备6内部状态监测多光谱成像在线装置。通过对gis设备6设备运行状态图谱和数据的分析，实现和优化gis设备6设备运行状态诊断和管理，进而为gis设备6设备工艺改进，延长设备寿命，减低设备运行成本，为gis设备6安全运行、设备改造及防护的科学决策提供有效的理论及数据支撑。
47.本实施例基于光纤传像的gis设备6内部多光谱段光学成像系统是采取多光谱成像原理，针对gis设备6内部局部放电、接触不良、过热温度状态，分别采用紫外、可见及红外三种不同光谱波段成像后，再进行多谱段图像融合与图像识别技术，最终实现对不同目标的检测。三谱段成像系统的光轴平行，由于前端尺寸较小，各谱段图像基本可以满足重合，为后端图像融合奠定基础。每个子成像系统均由前置物镜、光纤传像束、耦合系统、图像采集信息处理模块几大部分组成。被检测目标通过前置物镜成像于光纤传像束的前端面上，前端面上的图像被离散分布的大量光纤采样，每根光纤都有良好的光学绝缘，独立地将获得的目标信息传输到后端面上。每根光纤可将其看作一个像元，像元的数目等于端面上光纤的根数。传像束两端面的光纤呈一一对应排列，因此出射图像和入射图像保持一致，出射图像经耦合系统传输到ccd像面进行图像采集与处理，整个系统的综合性能随着前置物镜、光纤传像束、ccd相机探测器的性能的提升能够同时得到提高。
48.根据gis设备6的外部结构，在其表面开槽，将紫外传像束、红外传像束、可见光传像束、照明led集装在定制的法兰盘上，再将法兰盘嵌装在gis设备6的外部结构上。
49.光纤束：是一种可以任意弯曲的传输图像的无源器件，由多根光纤规则排列成束构成，每根光纤就是一个像元，能够独立传输信息，彼此之间没有串扰。与传统的光学成像器件相比，具有重量轻、使用方便、便于携带等优点，光纤束具有耐辐射、耐腐蚀、抗电磁干扰的特性。
50.紫外成像：能在电力设备出现异常的温升之前就能对放电进行检测，能更及时的反映设备的放电情况。作为一种无需停电，无需直接与设备直接接触的检测方法，紫外成像法(紫外传像束)能直观、快速、方便、准确的对设备的外绝缘放电进行反映。
51.红外测温：变电设备在高温度，高转速，大电流的状态下运行，使得对供电可靠性的要求越来越高。而这些都与设备的热状态密切相关。gis设备6内部触头过热，传统测温技术无法实现gis设备6内部触头温度准确检测，基于红外热成像法可实现gis设备6内部导体温度检测。通过不同光程和气压条件下sf6吸收率测试，以及对影响红外测温精度的光程和sf6气体压力进行分析，得到光程、气体压力与温度修正值的关系，并计算得到温度补偿值，将该温度补偿值应用在红外测温装置中，根据被测物的光程和sf6气体压力准确计算出gis设备6内部导体实际温度
52.高压电气设备输电线路在发生电离放电时，放电的强度由周围环境电场强度决定，会发生电晕、闪络以及电弧等形式放电，其中在弱放电极端，仍然以电晕放电为主要的形式，放电时伴随着能量的转移从而会释放出光信号，电晕放电时候释放的光信号包括紫外光、可见光、红外光等波段，电晕放电的光谱中除了连续谱之外，还有谱带和分离线谱，并且在不同的高压之下，辐射光信号的能量也会有所不同，基本呈现正比关系，即电压升高，
辐射增强，放电强度增大，在不同电压下，紫外辐射的敏感程度要高于可见光和红外光，因此本实施例将检测紫外光信号作为检测高压电气设备放电的手段。
53.基于紫外可见光融合成像法的gis内部局部放电检测原理：
54.gis设备6内部绝缘气体介质六氟化硫sf6是一种无色无味的惰性气体，气体折射率接近空气折射率。当内部出现绝缘缺陷等故障时，会发生电晕、闪络或电弧等不同形式的放电，在放电过程中，电子不断释放能量。局部放电所产生的光谱多集中于紫外波段，放电位置会出现局部过热，当温度＞300℃，sf6便会产生分解，其主要衍生物为so2和sof2，并且随着内部故障持续恶化，so2含量会呈现稳定上升趋势。因此，传统的紫外光谱检测方式分析so2生成特性，是检测gis设备6设备局部放电，初步辨识故障类型的一种重要方法。研究表明，如图3.5所示，so2具有良好的紫外吸收特性，在295～305nm的紫外区段存在5个明显的吸收特征峰，so2浓度会随着放电时间的增加稳定上升。紫外光谱检测法是通过测量so2不同浓度下光谱紫外吸收的峰谷幅值强度，达到定量检测局部放电强度的目的。为满足局放产生位置与严重程度的同步检测，本课题采用紫外可见光融合成像检测法，成像系统的设备本体图像，由可见光成像通道获取，紫外成像通道主要获取局部放电产生的电弧光斑位置图像，两个通道分别获取的图像，经图像融合，输出完整的图像。如图3.7所示，融合后的图像可清晰识别，放电位置在不同电压下，局放的严重程度不同，光斑图像的大小呈比例放大关系。将数字图像经过算法处理，分割出紫外图像中的局部放电光斑区域，进行滤波等图像处理，提取光斑的边缘，用于量化紫外图像，建立光斑面积与局放强度关系的物理数学模型，最终借助模型对局放强度进行标定，得以实现局部放电位置与放电强度的定性定量检测。
55.综上所述，本发明提供了一种gis内部多谱段光学成像检测装置及其检测方法，通过三个成像子系统对gis设备内部的硬件状态、内部绝缘缺陷分别进行紫外光、可见光和红外光成像，然后将紫外光、可见光和红外光成像进行多谱段图像融合，红外光成像计算出gis设备内部导体实际温度；紫外光、可见光用于量化紫外图像，建立光斑面积与局放强度关系，对局放强度进行标定，三者融合得以实现局部放电位置与放电强度的定性定量检测，因此本发明能够对直接在设备内部对gis设备内部早期出现的绝缘缺陷、故障及时发现及时监测，因此本发明检测更加直接、更加有效且能够及时发现现有技术中无法检测的早期故障，因此本发明拥有广泛的应用前景。
56.需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。