一種改進(jìn)型的便攜式高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置

龍安州　楊秀洪

摘 要：我國高壓斷路器在線檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，尤其是便攜式在線檢測(cè)裝置的研究也并不深入，無法滿足不同用戶的使用需求，嚴(yán)重影響到了我國電力行業(yè)的發(fā)展。為了突破這一發(fā)展困境，文章在原在線監(jiān)測(cè)技術(shù)之上提出了一種可離線或在線測(cè)試的便攜式斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。文章先是分析了該監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)架構(gòu)及組成，然后分析了該裝置的技術(shù)原理，最后簡單闡述了該裝置優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：便攜式;高壓斷路器;狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置

中圖分類號(hào)：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0158-02

高壓斷路器是一種被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)過載、短路等故障保護(hù)的電力設(shè)備。隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展，斷路器檢測(cè)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。尤其是在線檢測(cè)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。然而由于我國斷路器檢測(cè)技術(shù)起步較晚，在線檢測(cè)技術(shù)仍具有不夠靈活、安裝位置固定的缺陷，不能適應(yīng)更多的使用環(huán)境，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者都展開了研究。其中清華大學(xué)、中能電力科技開發(fā)有限公司等單位也開展了綜合性斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，也積累了比較多的研究經(jīng)驗(yàn)。尤其是中能電力科技開發(fā)有限公司開發(fā)了TF50型斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，能夠?qū)嗦菲鞯碾妷勖?、絕緣狀態(tài)、控制回路、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)等參數(shù)或部件進(jìn)行全面的在線檢測(cè)與分析。但從實(shí)際來看，有關(guān)便攜式斷路器狀態(tài)監(jiān)側(cè)裝置的研究仍不夠深入。只有Kelman公司推出了ProfileP2型斷路器分析儀產(chǎn)品。然而Kelman公司生產(chǎn)的ProfileP2型斷路器分析儀價(jià)格昂貴，尋求研制性價(jià)比高的國產(chǎn)化便攜式斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，能夠完全替代ProfileP2型斷路器分析儀，無疑具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

1裝置系統(tǒng)架構(gòu)、組成

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

該檢測(cè)裝置的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括電流變換器、電壓變換器、電荷型傳感器、CCD攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)等。運(yùn)用該系統(tǒng)可以通過采集分、合閘線圈電流變化、儲(chǔ)能、操動(dòng)過程等特征信號(hào)，分析斷路器機(jī)械特性，進(jìn)而構(gòu)建集聲、電、圖等于一體的測(cè)試與故障識(shí)別系統(tǒng)，從而及時(shí)反映斷路器的運(yùn)行狀態(tài)及故障表現(xiàn)，確保工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況采取有效的應(yīng)對(duì)措施，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠[1]。

1.2系統(tǒng)組成

該測(cè)試與故障識(shí)別系統(tǒng)主要是由軟件、硬件組成。其中軟件系統(tǒng)能夠分析、處理聲音、電流等信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而依據(jù)檢測(cè)結(jié)果判定斷路器是否存在故障。硬件作為主要的功能載體，也發(fā)揮著維持系統(tǒng)性能，保證測(cè)試與故障識(shí)別效果的作用。

1.2.1軟件組成

該系統(tǒng)主要是由測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)、筆記本、圖像獲取和前置處理單元組成的。但是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中并不需要適用筆記本。因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后，可以再將裝置接入到筆記本，從而借助筆記本上的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、分析、比較、查詢、出具并打印報(bào)告。

1.2.2硬件組成

該系統(tǒng)硬件包括測(cè)試平臺(tái)硬件、PXI機(jī)箱、控制器及采集卡、聲音傳感器、三維振動(dòng)傳感器、電流傳感器、高速攝像機(jī)等。

其中測(cè)試平臺(tái)硬件的作用是滿足多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊的插入需求，進(jìn)而有效滿足現(xiàn)場(chǎng)便攜、可靠、便于擴(kuò)展的要求;PXI機(jī)箱選用的是美國PXIe-1062Q型的8槽機(jī)箱，可有效滿足高處理應(yīng)用軟件的需求。采集卡的主要功能是進(jìn)行信號(hào)處理，完成聲音測(cè)量、分?jǐn)?shù)倍頻程分析、頻率分析等工作。聲音傳感器主要采用的是高保真子彈型針孔式降噪微音監(jiān)聽器，不僅內(nèi)部具有AGC自動(dòng)增益控制電路增強(qiáng)遠(yuǎn)距離聲波，而且采用了先進(jìn)語音集成電路，并配合動(dòng)態(tài)降噪處理設(shè)計(jì)。這種型式的聲音傳感器具有靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。三維振動(dòng)傳感器采用的是KD1000系列三軸壓電式加速度傳感器，具有靈敏度高、橫向靈敏度小和抗外界干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。電流傳感器采用的是0.2級(jí)霍爾電流傳感器以及符合UL94-V0標(biāo)準(zhǔn)的外殼。高速攝像機(jī)采用的是德國MotionBLITZ高速相機(jī)，具有分辨率高，成像質(zhì)量好，使用穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。并且支持ROI功能，可以進(jìn)一步提高幀頻，開窗模式下幀率達(dá)到5000幀/s，尤其是采用了GigEVision接口[2]。

2技術(shù)原理

就目前來看，我國對(duì)于斷路器的監(jiān)測(cè)主要是采用比較測(cè)量信號(hào)、原始信號(hào)的方法。但是應(yīng)用這種方法只能確定斷路器機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)了故障，無法準(zhǔn)確確定是否發(fā)生了故障以及故障原因、位置。本文提出的在線監(jiān)測(cè)原理主要是通過獲得分、合閘運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)觸頭的每一時(shí)刻的位置信息以及其它信息，并結(jié)合動(dòng)觸頭參數(shù)獲得有關(guān)動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)位移及時(shí)間特性之間的關(guān)系曲線，之后就可以結(jié)合出廠時(shí)的斷路器參數(shù)信息，判斷斷路器是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。比如斷路器動(dòng)觸頭的平均速度、分速度等。但是若想對(duì)分、合閘運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)觸頭的每一時(shí)刻的位置信息以及其它信息進(jìn)行采集，就要充分利用電阻傳感器、光電傳感器。其中電阻傳感器的作用是獲得動(dòng)觸頭的行程、速度測(cè)試結(jié)果、合分閘時(shí)間、位移速度參數(shù)等。但是這種裝置不易安裝。其中光電傳感器的作用是獲得動(dòng)觸頭行程、時(shí)間特性曲線[3]。

基于以上考慮，為了獲得可靠的斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)位移、時(shí)間曲線，文章先是設(shè)計(jì)了整套斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而后設(shè)計(jì)了比較可靠的算法，以便能結(jié)合實(shí)際斷路器實(shí)際參數(shù)獲得動(dòng)觸頭合分閘、位移、速度等信息。

2.1裝置組成

圖像處理部分采用的是DSP芯片，測(cè)試系統(tǒng)則選用了ARM芯片。其中DSP芯片的作用是進(jìn)行圖像采集、編解碼、圖像定標(biāo)和處理、數(shù)據(jù)傳輸。在具體應(yīng)用了則配置了DSP+FPGA構(gòu)成的圖像采集卡。DSP部分主要是進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理、與上位機(jī)的通信控制。FPGA主要負(fù)責(zé)控制圖像信息的采集及存儲(chǔ)、對(duì)線陣相機(jī)各項(xiàng)參數(shù)。ARM芯片具有數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、交換功能，且具有DSP部件高速數(shù)據(jù)接口。

2.2控制算法原理

該裝置應(yīng)用的是高速成像傳感器，主要分析對(duì)象就是線陣CCD采集的圖像。然而光圈、變焦、對(duì)焦等對(duì)成像質(zhì)量有所影響。所以，設(shè)計(jì)了光圈控制算法、變焦控制算法、對(duì)焦控制算法。這樣就可按照?qǐng)D像算法評(píng)估、得到評(píng)估結(jié)果、輸出控制指令、解碼器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、相機(jī)采集圖像的算法評(píng)估、結(jié)果達(dá)到最佳。同時(shí)，提前將CCD采用行頻設(shè)置為了10K，以確保曝光時(shí)間為定值，并將相機(jī)數(shù)字、模擬增益調(diào)到最大。后續(xù)若有必要還可通過配套軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、功能編程，確保其得到能最佳的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.2.1對(duì)焦算法設(shè)計(jì)

清晰圖像、模糊圖像的便捷清晰圖、過渡帶寬度是相同的。前者邊界足夠清晰、過渡帶比較窄，而后者的邊界不清晰，且過渡帶比較寬。在對(duì)焦方面，可采用梯度函數(shù)算子、邊緣檢測(cè)算子兩種方法將模糊的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦膱D像。在應(yīng)用梯度函數(shù)為主的對(duì)焦算法，還需結(jié)合聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、應(yīng)用。在能量梯度函數(shù)為例，可使用相鄰的點(diǎn)的差分值計(jì)算一個(gè)點(diǎn)的梯度強(qiáng)度，具體可按照以下公式（1）進(jìn)行計(jì)算。而基于邊緣檢測(cè)算子的對(duì)焦算法主要是依據(jù)圖像邊緣過渡帶的寬窄進(jìn)行判定圖像是否清楚、邊界是否清晰、過渡帶是否狹窄。顯然，這遠(yuǎn)比判斷圖像上大部分的點(diǎn)更方便。

結(jié)合該裝置特性選擇了以下對(duì)焦算法：以梯度函數(shù)為主的對(duì)焦算法實(shí)現(xiàn)主要是依靠公式（1）、（2），在這兩個(gè)函數(shù)中得到最大的函數(shù)值對(duì)應(yīng)的輸入圖像就為最清晰的圖像。以邊緣檢測(cè)為主的對(duì)焦算法實(shí)現(xiàn)流程為：確定目標(biāo)物位置、輸入一組圖像，而后計(jì)算邊緣過渡帶寬度，得到最小過渡帶寬度值對(duì)應(yīng)的圖像為最清晰的圖像。

2.2.2變焦算法設(shè)計(jì)

通過變焦可以拍攝到距離更遠(yuǎn)的物體，并進(jìn)行放大。該系統(tǒng)的變焦機(jī)制主要包括粗變焦、細(xì)變焦兩種。其中粗變焦的目的是確保視場(chǎng)內(nèi)的條紋數(shù)至少有五個(gè)。細(xì)變焦的目的是保證目標(biāo)條紋能平鋪在整個(gè)視場(chǎng)中。

2.2.3光圈算法設(shè)計(jì)

由于相機(jī)數(shù)字、模擬增益已經(jīng)被調(diào)到最大，所以光圈要盡可能地小。當(dāng)光圈越小，景深越大時(shí)，圖像亮度會(huì)越合適。這樣就能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境。具體來說是根據(jù)平均灰度值了解光圈的大小，并通過調(diào)整光圈使平均灰度值達(dá)到最佳。這時(shí)光圈值也最為合適[4]。

3裝置優(yōu)勢(shì)

該裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：第一，靈活性強(qiáng)。該便攜式高壓斷路器監(jiān)測(cè)裝置即可離線測(cè)量，也在供電狀態(tài)下進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，且體積有限，可適用于不同場(chǎng)所。第二，顯示方式直觀。為了方便觀察，該裝置還配備了液晶顯示模塊。第三，功能非常全面。該裝置既可以對(duì)控制回路、機(jī)械系統(tǒng)等進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)機(jī)械形成、開合時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，從而方便使用人員對(duì)機(jī)械系統(tǒng)、線圈電壽命進(jìn)行診斷。第四，能有效杜絕傳感器帶來的影響，保證檢測(cè)的可靠性。尤其是可以進(jìn)行無接觸檢測(cè)，非常便捷。由此可見，該裝置更具有應(yīng)用前景，值得推廣。

綜上所述，本文所描述的便攜式高壓斷路器檢測(cè)裝置更具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)下在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，適應(yīng)更加復(fù)雜、多變的工作環(huán)境。尤其是可以為我國高壓斷路器檢測(cè)裝置的研究提供思路。

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