基于旋翼无人机的绝缘子憎水性检测

郑武略，张富春，翁珠奋，汤杰，黄海，袁鑫

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州510405)



基于旋翼无人机的绝缘子憎水性检测

郑武略，张富春，翁珠奋，汤杰，黄海，袁鑫

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州510405)

传统的绝缘子憎水性检测采用人工带电作业方式，不仅耗时费力，而且存在一定的安全隐患，为此设计了一种基于旋翼无人机的憎水性检测装置。利用旋翼无人机搭载的电动喷水装置、GoPro微型数码摄像机和图像传输设备，对输电线路绝缘子进行喷水、拍摄、图像传输等高空操作；然后在地面站通过图像处理软件分析绝缘子憎水性等级，其中主观判别采用喷水分级法，客观判别采用改进形状因子法。采用该装置对4组绝缘子进行憎水性测试，主观判别与客观判别所得结果一致。测试效果表明该装置能提高检测效率、准确性和安全性。

绝缘子；憎水性；旋翼无人机；喷水分级法；改进形状因子法

输电线路中的绝缘子经常会被灰尘等污秽物所污染，当气候比较湿润时，绝缘子表面由于附着大量污秽物，导致闪络电压降低，甚至在额定工作电压下都会发生闪络，使电网的安全运行受到很大的影响[1]。因此必须检查输电线路绝缘子表面的污秽情况，并对污秽进行清除。经研究发现，绝缘子表面的污垢状况与其憎水性存在一定的相关性，因此可以根据绝缘子的憎水性强弱来判断其表面附着污垢的程度。

目前检测绝缘子憎水性主要采用人工方式，由人爬上铁塔对绝缘子进行喷水试验，然后进行图像采集，最后将采集的照片进行图像处理，判断绝缘子的憎水性等级[2]。这种方式费时费力，检测效率很低，也会因人为因素无法找到污秽的绝缘子[3]。近年来，无人机技术在电网运维中得到了广泛的应用[4]，为无人机应用于绝缘子憎水性试验提供了可能。本文设计了一套基于旋翼无人机的憎水性检测装置，利用此装置对输电线路绝缘子进行憎水性测试，不仅节省人力，而且可提高检测效率。

1　常用憎水性评价方法

目前，憎水性检测方法主要有静态接触角法、喷水分级法和憎水性指示函数法。

1.1静态接触角法

静态接触角法[5-6]是通过测量被测物体表面与水珠的接触角，以接触角的大小来反映材料表面憎水特性，静态接触角θt的大小通过接触角测量仪测量。这种方法操作简单，可以方便地用于材料表面憎水性等级的评估，但受图像清晰度和人为干扰的影响较大。

1.2喷水分级法

绝缘子憎水性测试经常使用的方法是喷水分级法。该方法将憎水性分成HC1—HC7共7个等级[7]，其中HC1—HC3为憎水性状态，HC4为中间过渡状态，HC5—HC7为亲水状态，表1给出了分级标准。判断时，要分别从不同的角度仔细观察绝缘子表面水滴的情况，然后将所观察到的情形与表1的7种级别特征进行比较，得出憎水等级。喷水分级法可对绝缘子表面的憎水性能进行较为准确的评价。

表1喷水分级法憎水性分级判据

级别绝缘子表面水滴形态HC1仅形成分离的水珠,大部分水珠θt>80%HC2仅形成分离的水珠,大部分水珠50%<θt≤80%HC3仅形成分离的水珠,水珠不再是圆的,大部分水珠20%<θt≤50%HC4同时存在分离的水珠和水膜,总的水膜覆盖面积小于被测面积的90%,最大水膜面积小于2cm2HC5总的水膜覆盖面积小于被测面积的90%,最大水膜面积大于2cm2HC6总的水膜覆盖面积大于被测面积的90%,有少量的干燥区域(点或狭窄带)HC7全部试验面积上覆盖了连续的水膜

1.3憎水性指示函数法

近年来，数字图像处理技术和相机小型化技术的发展，为精确和客观地评价绝缘子表面的憎水性等级提供了新的方法[8]，其中均嫡法和形状因子法最为典型。

1.3.1均嫡法

均嫡法是一种基于绝缘子憎水性图像空间灰度信息的统计特征分析方法。设X为采集的憎水性图像信息，ai为第i个图像像素值，图像像素取值范围A={ai|i=1,2,…,256}。定义像素值出现的自信息量

式中p(ai)为ai在图像中出现的概率。

对憎水性图像信息源X中的自信息量取平均值，得X的嫡

(1)

式中m为自取信息量的个数。

由式(1)可知，图像嫡H(X)越大，图像X含有的信息就越多，各个灰度级等概率的可能性就越大，绝缘子憎水性越好。

1.3.2改进形状因子法

改进形状因子法[9]是结合形状因子fc和水迹的图像面积比K来反映绝缘子憎水性的，计算公式为

式中：a为最大水迹面积，b为图像总面积，c为最大水珠的周长。

相应的分级判据见表2[10]。

表2改进形状因子法憎水性分级判据

级别K和fcHC1K∈(0,1%),fc∈[0.5,1]HC2K∈[1%,4%),fc∈[0.5,1]HC3K∈[4%,10%),fc∈[0.5,1]HC4K∈[10%,40%),fc∈(0,1]HC5K∈[40%,80%),fc∈[0,1]HC6K∈[80%,95%),fc∈[0,1]HC7K∈[95%,100%],fc∈(0,1)

2　无人机憎水试验平台

本文设计的绝缘子憎水检测装置由移动端和地面端两部分组成，系统结构如图1所示。移动端包括六旋翼无人机、遥控电动喷水装置、图像拍摄装置和图像传输设备。地面端包括图传接收机、无人机地面监视器和憎水性数据处理平台。

2.1六旋翼无人机

使用无人机平台来代替人工攀爬操作，检测效率和安全性会更高。本装置使用的是TX-60型六旋翼无人机(如图2所示)，并装载有遥控电动喷水装置、图像拍摄装置和图像传输设备。首先无人机靠近绝缘子周围，并由电动喷水装置进行喷水操作；然后图像拍摄装置对绝缘子表面进行实时拍摄，并通过图像传输设备将图像传回地面站；最后地面站软件对拍摄的照片进行处理，判断憎水性等级。TX-60型六旋翼无人机的性能参数：轴距1 000mm，起飞质量7kg，续航时间20min，悬停精度垂直±0.5m、水平±2m。

2.2遥控电动喷水装置

图3　遥控电动喷水装置

遥控电动喷水装置主要由电动抽水泵、喷雾嘴、空心绝缘杆和水箱组成，其外壳由碳纤板制成，示意图如图3所示。喷雾嘴固定在空心绝缘杆的杆头，空心绝缘杆的杆尾与电动抽水泵相连，水箱安装在喷水装置的下方，电动抽水泵和水箱通过软管相连，喷雾器喷嘴可以调节出水的雾化程度。出水口直径2mm，水箱容积15L，满容量质量为2.5kg，空心绝缘杆长1m左右。

水箱的加水操作由自动抽水机完成，操作简单、方便，示意图如图4所示。

图4　自动抽水机

2.3图像拍摄装置

本装置要求在距离绝缘子2～3m处进行拍摄，并且无人机在空中会发生抖动，因此需要配备成像质量高的相机。本装置选用GoPro微型数码运动摄像机，它具有体积小、像素高的特点。

3　现场测试

利用无人机对绝缘子进行憎水性测试主要采取塔上和地面相结合的工作方式。测试工作共需要2名工作人员，一名工作人员操作无人机靠近绝缘子，并通过地面站的监视器观察绝缘子与无人机的相对位置，实时调整无人机的位置；当无人机处于合适的位置时，拨动喷水开关，遥控电动喷水装置对绝缘子进行喷水测试。具体喷水方法是：喷水装置的喷头距离绝缘子表面1～2m时，拨动喷水装置的控制开关，每2～3s拨动1次，间断性拨动5～10次。在喷水过程中，另一名工作人员在地面站对无人机图像传输设备传回来的图像进行处理，通过图像处理软件分析绝缘子的憎水性等级。憎水试验的现场操作如图5所示。

图5　憎水试验现场操作

4　数据处理与结果

4.1检测方法

检测数据的处理采用2种方式：主观判别法和客观判别法。主观判别法采用瑞典输电研究所(SwedenTransmissionResearchInstitute，STRI)推出的喷水分级法，利用STRI给出的7个等级的标准图像，将喷完水后的绝缘子水珠分布图像与标准图像进行对比，从而判断出所属等级。客观判断法采用改进形状因子法，计算形状因子fc和面积比K，根据表2的判别标准对绝缘子的憎水性作进一步的判断。

4.2检测结果

使用基于旋翼无人机的憎水性检测装置对4组绝缘子进行憎水性测试，所采集的图片如图6所示。

图6　4组绝缘子憎水性测试采集图像

4.3数据处理

4.3.1主观判别

主观判别采用喷水分级法。A组绝缘子的表面同时存在分离的水珠和水膜，憎水性等级属于HC4；B组绝缘子的表面仅形成分离的小水珠，而且水珠不是圆的，憎水性等级属于HC3；C组绝缘子的表面只有少量的干燥区域，且总的水膜覆盖面积大于被测面积的90%，憎水性等级属于HC6；D组绝缘子的表面仅形成分离的水珠，憎水性等级属于HC2。

4.3.2客观分析

客观分析采用改进形状因子法，分别计算4组绝缘子的K和fc值，结果见表3。

由表3可以得出：A、B、C、D组绝缘子的憎水性等级分别为HC4、HC3、HC6、HC2，与主观分析法得到的结果一致。

表34个样本的K和fc计算结果

组别K/%fc组别K/%fcA340.7C920.8B70.6D30.5

5　结束语

传统的绝缘子憎水性检测主要依靠人工登塔方式进行，工作效率和安全性不高。本文介绍的基于无人机的憎水性检测装置，利用无人机代替人工攀爬作业，提高了操作的安全性；利用无人机搭载的微型数码运动摄像机和图像传输设备对绝缘子进行拍摄和实时传送，通过分析软件对拍摄图片进行处理，提高了检测的效率和准确性。

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郑武略 (1987)，男，湖北宜昌人。助理工程师，工学学士，从事超高压输电线路运维工作。

张富春(1982)，男，山东菏泽人。高级工程师，工学硕士，从事超高压输电线路运维工作。

翁珠奋(1989)，男，广东揭阳人。助理工程师, 工学学士，从事超高压输电线路运维工作。

(编辑李丽娟)

Detection on Hydrophobicity of Insulator Based on Rotor Unmanned Aerial Vehicle

ZHENG Wulue, ZHANG Fuchun, WENG Zhufeng, TANG Jie, HUANG Hai, YUAN Xin

(Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou, Guangdong 510405, China)

Traditional detection method for hydrophobicity of the insulator adopts artificial charged operation which is not only time-consuming and strenuous but also there are security hidden dangers. Therefore, this paper designs a kind of detection device for hydrophobicity based on rotor unmanned aerial vehicle (UAV) which firstly uses electro-driven water spray device, GoPro micro digital camera and image transmission equipment carried by rotor UAV to conduct high altitude operation for the power transmission line insulator such as water spray, filming, image transmission, and so on. This detection device then uses image processing software to analyze hydrophobicity level of the insulator at the ground station, thereinto it uses water spray classification for subjective discrimination while improved shape factor method for objective discrimination. This device is used for hydrophobicity testing on four groups of insulators. Results of subjective discrimination and objective discrimination are consistent, which indicates that this device is able to improve detection efficiency, veracity and security.

insulator; hydrophobicity; rotor unmanned aerial vehicle; water spray classification; improved shape factor

2016-02-25

2016-04-22

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.022

TM855

B

1007-290X(2016)08-0116-04