張新春，曹應平，韓春雨，白云燦

?

基于圖像處理的輸電線路導線表面損傷特征研究

張新春，曹應平，韓春雨，白云燦

(華北電力大學機械工程系，河北 保定 071003)

導線表面損傷是影響架空輸電導線力學性能和電氣性能的重要因素，研究導線表面損傷特征對輸電導線耐久性設計和安全性評估具有重要意義。為此選取不同地區(qū)實際輸電線路中截取的不同電壓等級的典型導線 (鋼芯鋁絞線) 作為研究對象，利用圖像處理技術(shù)提取了不同導線損傷表面圖像信息。針對傳統(tǒng)像素點覆蓋法的不足提出一種改進的像素點覆蓋算法，給出了導線表面損傷特征與分形維數(shù)間的關系。研究結(jié)果表明，導線表面形貌具有明顯的分形規(guī)律，分形維數(shù)能夠度量架空輸電導線表面的損傷特征。導線表面損傷程度越低，二維分形維數(shù)越?。粚Ь€表面不平整度的增加將使得三維分形維數(shù)增加。導線表面損傷特征為傷痕時，二維分形維數(shù)介于1.5~1.7之間；損傷特征為磨損時，二維分形維數(shù)介于1.2~1.4之間；損傷特征為銹蝕時，二維分形維數(shù)介于1.4~1.5。

圖像處理；損傷特征；分形；輸電線路；鋼芯鋁絞線

導線表面損傷是交流和直流輸電線路安全運行所面臨的一個突出問題。大氣環(huán)境中運行的導線(主要指鋼芯鋁絞線)長期處于水汽、風沙和酸雨等物質(zhì)作用下，其表面逐漸銹蝕；同時導線在加工、安裝和調(diào)試過程中的磨損、擠壓和劃傷等會形成凹凸不平的表面，造成導線表面粗糙度增加[1]。存在嚴重傷痕的架空導線不及時維修更換，不僅將增加線路的功率損耗，嚴重時還會造成導線斷裂。此外，磨損的導線表面也易發(fā)生疲勞破壞，影響整條線路的安全運行[2-4]。然而，由于導線損傷表面形貌的隨機統(tǒng)計特征的復雜性，傳統(tǒng)的統(tǒng)計參量對導線表面損傷特征描述具有一定的局限性。相比傳統(tǒng)的表面形貌測量和描述方法，分形理論能較好地對不規(guī)則表面形貌進行描述。因此，如何引入分形理論來科學和準確地描述復雜鋼芯鋁絞線的表面損傷特征，對架空輸電線路導線的安全運行具有重要意義。

目前，國內(nèi)外關于導線表面粗糙度的研究也已展開，卞星明等[1]選取不同地區(qū)500 kV交流輸電線路導線及新導線樣本進行表面狀態(tài)分析；YI等[5]利用掃描電子顯微鏡觀測老化導線和新導線表面，發(fā)現(xiàn)老化導線表面粗糙度比新導線有所降低；LIN等[6]采用灰度值矩陣對導線的表面粗糙度進行了評估。以上研究表明，實際運行后導線表面狀態(tài)均發(fā)生了改變。但這些研究主要通過儀器觀測導線表面，將導線表面形貌視為平穩(wěn)隨機過程，并使用一些傳統(tǒng)的統(tǒng)計參量(例如，輪廓算數(shù)平均偏差和輪廓算數(shù)均方根偏差等)來描述，對測量儀器精度要求較高，并且表面損傷形貌也是一個非平穩(wěn)隨機過程，難以準確表達實際復雜鋼芯鋁絞線表面的損傷特征。分形維數(shù)具有尺度不變性，分形理論的引入為導線表面損傷特征的準確描述提供了新的途徑[7-8]?；诜中卫碚?，LIN等[9]對鍍鉻層和P110鋼耐腐蝕表面的分形維數(shù)進行了計算；DUTTA等[10]利用離散小波變換對刀具側(cè)面磨損進行檢測；孫虎和周麗[11]對復合材料結(jié)構(gòu)的健康狀況進行在線的連續(xù)監(jiān)測；馬莉[12]提出了用多尺度局部分形維對黑色素瘤和良性皮膚瘤輪廓進行甄別的方法；PANIN等[13]對高密度電流下金屬導線表面形貌的演變進行了分形分析；FENG等[14]對導線表面涂層進行了分形分析。這些研究在一定程度上揭示了表面狀態(tài)與分形之間的關系。然而，如何利用分形理論來表征架空輸電線路復雜鋼芯鋁絞線(aluminum cable steel reinforced，ACSR) 表面損傷特征的研究尚未見報道。因此，如何建立分形與ACSR表面損傷特征間的關系，并利用分形來描述導線表面損傷特征，也是輸電線路工程領域亟待解決的關鍵課題之一。

本文選取不同地區(qū)實際工程現(xiàn)場中不同電壓等級的ACSR作為研究對象，對其表面狀態(tài)分別進行了試驗，得到了不同樣本的表面損傷特征圖像?；诟倪M的像素點覆蓋法和傳統(tǒng)差分盒維法對不同導線表面狀態(tài)的分形維數(shù)進行了計算，給出了分形維數(shù)與ACSR表面損傷特征間的關系，為復雜導線表面損傷特征識別和描述提供一定的理論指導。

1 分形理論與算法驗證

1.1 分形理論

分形理論主要用于自然界或復雜非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)的不光滑和不規(guī)則幾何形體的研究，從非線性系統(tǒng)自身直接入手，從未經(jīng)簡化、抽象的研究對象本身去認識內(nèi)在的規(guī)律。該理論可為以前不能定量測量和準確描述的復雜對象提供一種新的途徑。

分形維數(shù)是表征物體表面狀態(tài)的一個非常重要指標，用于描述物體表面形貌的粗糙度。二維分形維數(shù)介于1和2之間，用于獲取圖像關注區(qū)域表面狀態(tài)的信息；三維分形維數(shù)介于2和3之間，用于表征圖像的不平整度?；谛〔ㄗ儞Q和分形維數(shù)的導線表面狀態(tài)分析可以得到導線表面不同分辨率下的細節(jié)特征。

1.1.1 像素點覆蓋法

像素點覆蓋法常用于二值化處理后圖像的盒計數(shù)維數(shù)求解[11]，圖像經(jīng)過二值化處理后，圖像上的每一個像素點為黑和白兩種顏色，得到一個圖像數(shù)據(jù)矩陣，在該數(shù)據(jù)矩陣中黑色表示為0，白色表示為1，矩陣的行列數(shù)分別對應二值圖的行列數(shù)。將數(shù)據(jù)矩陣劃分為若干個邊長為的正方形子塊，對包含0或1的塊的個數(shù)計為N。每個塊的邊長為

其中，=1, 2, 4,···, 2；為圖像的長度；為圖像一行中像素點的個數(shù)。利用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)(logδ, logN)，所得斜率的負值即為圖像的盒計數(shù)維數(shù)。

1.1.2 差分盒維法

像素點覆蓋法需將圖片變?yōu)槎祷瘓D，可較容易的將關注的區(qū)域提取出來，但會丟失圖像的部分細節(jié)信息。為此，可直接對灰度圖像進行分形維數(shù)求解，其中分別表示像素在平面中的位置和灰度值，圖像灰度值就形成了三維空間中一凹凸不平的曲面，則表示的三維空間分割成若干個邊長為的正方體盒子。設圖像灰度在=,=位置的最大值和最小值分別落在第個盒子和第個盒子中，則有

其中，N(,)為覆蓋平面位置(,)中的圖像所需的盒子數(shù)。覆蓋整個圖像所需的盒子數(shù)為

圖像的分形維數(shù)為

不同的盒子數(shù)，可以采用最小二乘法求得分維數(shù)。

1.1.3 改進的像素點覆蓋法

像素點覆蓋法計算盒子數(shù)時，將圖像劃分為邊長為(=1, 2,···, 2)的正方形，邊緣不夠邊長為的像素點塊被省去，導致圖像中邊緣像素點數(shù)據(jù)丟失，如圖1(a)中紅色方塊外的黑色像素點的數(shù)據(jù)丟失，可能導致覆蓋圖像面盒子數(shù)少于實際圖像面所需的盒子數(shù)，特別當邊長比較大時，問題更加突出。為準確的計算覆蓋整個圖像需要的盒維數(shù)，本文對上述方法進行改進，在圖像邊緣補上如圖1(b)所示的藍色像素點，補充像素點的像素值采用如下兩種方法進行求解：

(1) 補充像素點的像素值為所有沒有補充像素點塊像素值的平均值。則N變?yōu)?/p>

(2) 利用線性插值公式求解補充像素點的像素值，則N變?yōu)?/p>

圖1給出了改進前后塊劃分對比示意圖。每個黑色圓圈代表每個像素點，改進前圖像被4個塊所覆蓋，邊緣像素點計算時未被采用，在邊緣補充像素點(圖中藍色圓圈)，改進后圖像被9個塊所覆蓋，圖像完全覆蓋。

1.1.4 小波變換

小波變換是圖像信號處理中一個強有力的工具，圖像小波處理后能夠得到反映圖像整體情況的近似值和各個方向的細節(jié)值?；谛〔ㄗ儞Q的基本思想，選擇合適的小波基，對圖像進行二維小波分解。對任意的圖像有

其中，

任意圖像可經(jīng)小波變換分解成逼近圖像和高頻圖像。g(,)反映圖像的水平、垂直、對角方向的細節(jié)信息；f(,)反應原圖像整體信息。

1.2 算法驗證

為了驗證本文所提出改進方法的合理性，分別利用改進像素點覆蓋法和傳統(tǒng)方法對已知理論分形維數(shù)的黑色矩形塊和Koch曲線進行分形維數(shù)計算，補充像素點的像素值分別利用平均值和線性插值進行計算，并進行對比分析。利用自行編制程序計算了Koch曲線的logN和logδ，并進行線性擬合，如圖2所示。黑色矩形塊和Koch曲線分維數(shù)的計算結(jié)果列于表1中。從圖2和表1可知，相對傳統(tǒng)方法，本文的改進方法計算得到的分形維數(shù)更接近于理論值，利用均值和插值得到補充像素點均能使計算值更加逼近理論值，但插值主要利用少量的圖像邊緣像素點得到未知像素點值，在補充像素點較少時精度較高。隨著補充像素點數(shù)的增加，插值誤差較大，而補充像素點只需提供圖片的整體平均像素信息，使其對圖片的原信息影響較小；同時均值具有更小的計算量，更加便于實際工程運用。本文后面計算采用均值來補充像素點。以上研究表明，本文所提出改進方法準確度較高，所編寫的MATLAB程序具有可靠性?；诖?，本文對架空輸電線路ACSR的表面損傷特征進行了研究。

圖2 Koch曲線的分形維數(shù)計算

表1 不同方法的計算結(jié)果對比

2 實驗材料與方法

實際架空輸電線路導線是由多股圓線鉸合而成的復雜ACSR。電壓等級不同，導線型號也不同；電壓等級不同，導線外徑和圓線根數(shù)也不同。本文選取了不同地區(qū)5種常見型號的導線樣本作為研究對象，導線電壓等級范圍35~1 000 kV，基本攬括了實際輸電線路常見的電壓等級范圍(表2)。此外，針對每種型號導線樣本的單一損傷特征，本文還選擇了不同損傷程度樣本。通過對不同導線樣本進行對比分析，對其表面損傷特征進行了研究。

表2 實驗鋼芯鋁絞線樣本信息

試驗方法和步驟如下：

(1) 導線表面預處理：同一型號導線進行截斷處理，并編號。為保證測量結(jié)果的準確性，在實驗前需清潔導線表面，清水洗凈導線表面，通風處晾干。為防止導線磨損，在導線表面處涂抹少量的油脂，最后利用酒精清除導線表面油漬并晾干。

(2) 導線表面狀態(tài)取樣：標記導線表面凹痕、壓痕、割痕、磨損和不同程度銹蝕區(qū)域并編號。

(3) 導線表面狀態(tài)提取：用體視顯微鏡OLYMPUX SZX7對樣本表面標記區(qū)域進行分析，提取導線表面狀態(tài)信息，如圖3所示。

圖3 體視顯微鏡裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 表面?zhèn)蹖Ψ中尉S數(shù)的影響

圖4僅給出了導線樣本1不同表面?zhèn)?比如，凹痕、割痕和壓痕)的表面狀態(tài)。實際導線表面存在明顯局部凹陷區(qū)域，在凹陷區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)不規(guī)則的凸起(圖4(a))。由于刀片等片狀尖銳物切割，導線表面出現(xiàn)明顯的細長割痕帶(圖4(b))。由于施工過程中受擠壓等外界力作用，導線表面會發(fā)生嚴重的擠壓變形，出現(xiàn)壓潰面(圖4(c))。由于擠壓作用，在導線表面兩個擠壓面之間會出現(xiàn)凸起，在兩個擠壓面端部位置出現(xiàn)擠壓裂縫。

圖4 樣本1導線表面?zhèn)蹐D

利用圖像識別技術(shù)對圖4(c)進行識別，圖5給出了圖像處理后的灰度圖像、二值化圖像和邊緣檢測后的圖像。圖像二值化時利用類間最大距離法獲取圖像灰度的最佳閾值，邊緣檢測采用“prewitt”算子，對比圖4(c)和圖5可知，本文得到的二值圖和邊緣檢測圖像能較好識別出導線表面壓痕輪廓。

利用改進像素點覆蓋法計算樣本1傷痕表面圖像塊的個數(shù)N和塊的邊長δ，對logN和logδ進行線性擬合，計算樣本1劃傷表面的盒維數(shù)如圖6所示。logN和logδ擬合的相關系數(shù)在0.95以上，線性關系明顯，導線表面?zhèn)鄣恼w和局部存在相似性，即具有分形特征。分別利用改進像素點覆蓋法對樣本導線表面?zhèn)鄣亩S分形維數(shù)進行求解、差分盒維法對樣本導線表面的三維分形維數(shù)進行求解，導線表面?zhèn)蹱顟B(tài)見表3。

圖5 壓痕處理圖像

圖6 改進像素點覆蓋法求樣本1傷痕表面的分形維數(shù)

表3 樣本導線表面?zhèn)蹱顟B(tài)信息

導線表面?zhèn)鄣姆中尉S數(shù)的計算結(jié)果見表4。從表4可以發(fā)現(xiàn)，樣本1導線表面有壓痕時改進像素點覆蓋法求得的二維分形維數(shù)為1.660，高于割痕分形維數(shù)1.580，凹痕最小為1.528，樣本傷痕的二維分形維數(shù)介于1.5和1.7之間。另外，比較圖4和表3可知，樣本1導線表面壓痕覆蓋導線整個表面，導線表面受損程度在3種導線表面?zhèn)壑凶顕乐兀鴺颖?中導線割痕覆蓋導線表面絕大部分面積，凹痕則只出現(xiàn)在導線表面局部區(qū)域。結(jié)合表3和表4中改進像素點覆蓋法求得的二維分形維數(shù)可知，導線損傷越嚴重，二維分形維數(shù)越大。表4還給出了差分盒維法求得導線表面三維分形維數(shù)，直接利用導線表面灰度圖像的灰度值對分維數(shù)進行求解。導線表面樣本1和樣本2中割痕三維分形維數(shù)，差分盒維法計算得到三維分維數(shù)分別為2.328和2.351；而樣本3中凹痕損傷最嚴重，凹痕的三維分形維數(shù)最大，三維分形維數(shù)為2.362。從表3可知，樣本1和4中壓痕和割痕比凹痕嚴重，樣本1導線表面割痕覆蓋導線表面大部分面積，樣本1導線表面壓痕和割痕都受損較為嚴重，導線表面壓痕主要表現(xiàn)形式為擠壓平面，導線表面壓痕區(qū)域局部不平整度改變較小。導線表面割痕的主要表現(xiàn)形式為割裂裂痕，導線表面割痕在導線表面局部區(qū)域出現(xiàn)下凹裂痕，導線表面深度出現(xiàn)變化，不平整度加大，因而灰度值變化大，三維分形維數(shù)大。樣本5中凹痕最為嚴重，導線凹痕主要表現(xiàn)為局部凹陷，因而引起導線不平整度變化明顯，三維分形維數(shù)變大。

表4 導線表面?zhèn)鄣姆中尉S數(shù)

3.2 表面磨損對分形維數(shù)的影響

圖7給出了用不同粗糙度等級砂紙和鋼刷打磨的樣本4導線表面圖照片。P1500砂紙打磨后導線表面出現(xiàn)鏡面，P400砂紙打磨后導線表面變得更加光滑，而鋼刷打磨后導線表面出現(xiàn)均勻、細小的刷痕。

表5給出了打磨處理方式對導線表面分形維數(shù)的影響。可見，砂紙打磨后導線表面的二維分形維數(shù)較鋼刷處理和無處理后導線表面的二維分形維數(shù)減小。砂紙粒度數(shù)值越高，打磨后導線表面越光滑，二維分形維數(shù)越小。導線表面磨損后二維分形維數(shù)介于1.2~1.4之間。導線表面用鋼刷處理后，二維分形維數(shù)相對于無處理導線表面有所增大，主要是因為導線表面經(jīng)鋼刷處理后，鋼刷金屬絲在導線表面留下均勻而細淺的劃痕，導線表面二維分形維數(shù)增加。利用砂紙打磨后的導線表面更加平整，導線表面深度變化減小，三維分形維數(shù)減小。而利用鋼刷處理后導線表面出現(xiàn)不平整面，導線表面不平整度增大，三維分形維數(shù)增加，鋼刷打磨導線表面后導線表面三維分形維數(shù)變大。

圖7 樣本4導線磨損表面照片

表5 導線磨損表面分形維數(shù)

3.3 表面銹蝕對分形維數(shù)的影響

利用體式顯微鏡，圖8給出了樣本3導線表面的銹蝕照片。當導線重度銹蝕時，導線表面出現(xiàn)黃色銹蝕斑塊，在導線表面局部區(qū)域甚至出現(xiàn)細小的銹蝕孔(圖8(a))。當導線輕度銹蝕時，導線表面出現(xiàn)細小的褐色凸起斑點(圖8(b))?？梢姡瑢Ь€表面銹蝕后受水汽、粉塵等因素的影響，導線表面會形成凹凸不平的表面，粗糙度比新導線增加。

圖8 樣本4銹蝕導線表面照片

圖9給出了銹蝕程度對導線表面分形維數(shù)的影響。導線表面銹蝕越嚴重，改進像素點覆蓋法求得二維分形維數(shù)越大，導線表面銹蝕后二維分形維數(shù)在1.4~1.5之間(圖9(a))。差分盒維法和改進像素點覆蓋法求得分形維數(shù)隨著銹蝕程度的增加而增加(圖9)，究其原因為重度銹蝕將導致導線表面不平整度大于輕度銹蝕的情況。

圖9 導線銹蝕表面分形維數(shù)

3.4 導線表面小波變換

為了研究導線損傷特征在不同方向上的狀態(tài)細節(jié)信息，選用db4作為小波基將導線表面形貌灰度圖像進行2級分解并進行單支重構(gòu)，形成二級分辨率下導線表面的近似圖像，以及水平、垂直和對角3個方向上的細節(jié)圖像。利用小波變換，對導線表面有傷痕、磨損和銹蝕圖像進行小波分解。再利用差分盒維法計算原圖和重構(gòu)后圖像的三維分形維數(shù)，如圖10所示。

圖10 小波變換后導線表面分形維數(shù)

圖10中，LL2、HL2、LH2和HH2分別表示導線表面圖像經(jīng)第二次小波分解后近似、水平、垂直和對角細節(jié)圖像。從圖10(a)可以發(fā)現(xiàn)，凹痕在3個方向上分布較為均勻，水平、垂直和對角方向子圖像的三維分形維數(shù)相差不大；導線表面割痕方向為圖像的對角方向，對角方向子圖像的三維分形維數(shù)比其他幾個方向大；壓痕紋理在垂直方向較為豐富，垂直方向上的三維分形維數(shù)比其他方向要大。此外，割痕在3個方向上子圖像的三維分形維數(shù)均大于壓痕和凹痕，而壓痕原圖像的三維分形維數(shù)比凹痕原圖像的分形維數(shù)大，但壓痕3個方向上子圖像的三維分形維數(shù)比凹痕對應3個方向上子圖像的三維分形維數(shù)小。從圖10(b)可知，圖7導線表面磨損程度在圖像的對角方向最為嚴重，對角方向上子圖像的三維分形維數(shù)比其他方向圖像均要大；打磨處理后導線表面比無處理導線表面不平整程度有所改善，打磨處理后導線表面3個方向上子圖像三維分形維數(shù)波動程度比無處理小。由圖10(c)可知，圖8導線表面銹蝕越嚴重，導線表面的不平整度加大，銹蝕原圖像和3個方向子圖像的三維分形維數(shù)越大；導線表面銹蝕圖像為圖像的對角方向，對角方向子圖像的三維分形維數(shù)大于其他方向。

4 結(jié) 論

本文選取不同地區(qū)不同電壓等級的實際交流輸電線路中5種常見型號的ACSR樣本進行表面狀態(tài)試驗，利用小波變換法對導線表面狀態(tài)圖像進行處理，給出了分形維數(shù)與不同導線表面損傷特征間的關系。得到如下結(jié)論：

(1) 傷痕、磨損和腐蝕將使導線表面變得更加凹凸不平，導線表面損傷特征具有明顯的分形規(guī)律，可以用分形維數(shù)來表征導線表面的損傷特征。

(2) 利用改進的像素點覆蓋法和差分盒維法對導線損傷表面的分形維數(shù)進行計算，得到導線表面損傷特征為傷痕時，二維分形維數(shù)介于1.5~1.7；當損傷特征為磨損時，二維分形維數(shù)位于1.2~1.4；當損傷特征為銹蝕時，二維分形維數(shù)介于1.4~1.5。相比磨損和銹蝕，傷痕缺陷對導線表面影響更為明顯。

(3) 導線表面?zhèn)酆弯P蝕越嚴重，二維分形維數(shù)越大；導線表面不平整度的增加將導致三維分形維數(shù)增大；導線表面打磨越光滑(即粗糙度越小)，二維和三維分形維數(shù)隨之減小。由于鋼刷打磨導線表面后會出現(xiàn)細小劃痕，分形維數(shù)將大于無處理導線表面的分形維數(shù)。

[1] 卞星明, 楊文言, 趙磊, 等. 交流輸電線路導線表面狀態(tài)的實驗研究[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(1): 62-68.

[2] BIAN X M, CHEN L, YU D M, et al. Surface roughness effects on the corona discharge intensity of long-term operating conductors [J]. Applied Physics Letters, 2012, 101(17): 1741031-1741034.

[3] ZHAO M Y, ZHOU Q, ZHAO X Z. The fretting fatigue analysis between strands of ACSR [C]//2011 International Conference on Electrical and Control Engineering. New York: IEEE Press, 2011: 3240-3242.

[4] BIAN X M, WANG Y J, WANG L M, et al. The effect of surface roughness on corona-generated electromagnetic interference for long-term operating conductors [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(2): 879-887.

[5] YI Y, ZHANG C Y, WANG L M, et al. Conductor surface conditions effects on the ion-flow field of long-term operating conductors of the HVDC transmission line [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, 32(5): 2171-2178.

[6] LIN L, BIAN X M, CAO L, et al. The evaluation method of surface roughness degree for long-term operating conductors based on gray value matrix [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(3): 1641-1643.

[7] SAYLES R S, THOMAS T R. Surface topography as a non-stationary random process [J]. Nature, 1978, 271: 431- 434.

[8] 孫建平, 胡英成, 王逢瑚, 等. 基于圖像處理的木材斷裂面分形分析[J]. 儀器儀表學報, 2013, 34(12): 2818-2823.

[9] LIN N M, GUO J W, XIE F Q, et al. Comparison of surface fractal dimensions of chromizing coating and P110 steel for corrosion resistance estimation [J]. Applied Surface Science, 2014, 311: 330-338.

[10] DUTTA S, PAL S K, SEN R G. Progressive tool flank wear monitoring by applying discrete wavelet transform on turned surface images [J]. Measurement, 2016, 77: 388-401.

[11] 孫虎, 周麗. 基于分形維數(shù)的復合材料結(jié)構(gòu)損傷成像[J]. 儀器儀表學報, 2013, 34(2): 401-407．

[12] 馬莉. 基于多尺度局部分形維的黑色素瘤輪廓不規(guī)則性描述方法[J]. 中國圖象圖形學報, 2010, 15(5): 736-741.

[13] PANIN A, SHUGUROV A, SCHREIBER J. Fractal analysis of electromigration-induced changes of surface topography in Au conductor lines [J]. Surface Science, 2003, 524(1-3): 191-198.

[14] FENG F, SHI K, XIAO S Z, et al. Fractal analysis and atomic force microscopy measurements of surface roughness for Hastelloy C276 substrates and amorphous alumina buffer layers in coated conductors [J]. Applied Surface Science, 2012, 258(8): 3502-2508.

On the Surface Damage Features of Transmission Line Conductors Based on Image Processing

Zhang Xinchun, Cao Yingping, Han Chunyu, Bai Yuncan

(Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding Hebei 071003, China)

The surface damage of conductors is an important factor in affecting the mechanical and electrical performances of overhead transmission lines. Thus, it is important to study the surface damage features of conductors for the durability design and safety assessment of transmission conductors. Firstly, several typical conductors (aluminium conductor steel reinforced, ACSR) in different regions and voltage levels are selected as the objects of study in this paper. Then the image information of the damaged surface of conductors is extracted by image processing technology. An improved pixel covering algorithm is proposed to make up for the shortcomings of the traditional pixel covering method, and thus the relations between surface damage features and fractal dimensions of conductors can be established. Research results show that there is obvious fractal rule in the conductor surface topography. The fractal dimensions can measure the surface damage characteristics of conductors. The two-dimensional (2D) fractal dimension tends to become smaller with the decrease in the conductor surface damage. The increase in the unevenness of conductor surface will improve the 3D fractal dimensions. When the damage of the conductor surface is a scar, the 2D fractal dimension is between 1.5 and 1.7. If the damage is characterized with wear, the fractal dimension spans from 1.2 to 1.4; whereas the damage is characterized with corrosion, the fractal dimension ranges from 1.4 to 1.5.

image processing; damage features; fractal; transmission line; aluminium conductor steel reinforced

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030440

A

2095-302X(2018)03-0440-08

2017-09-25；

2018-01-10

國家自然科學基金項目(11402089)；河北省自然科學基金項目(A2017502015)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(2017MS153)

張新春(1980-)，男，河北海興人，副教授，博士。主要研究方向為輸電線路工程。E-mail：xczhang@ncepu.edu.cn