高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能非接觸式檢測(cè)技術(shù)的研究

龍安州 羅林

摘 要：為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓斷路器故障，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，文章對(duì)高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能非接觸式檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，文章對(duì)高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，并指出了操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足的使用要求。然后，結(jié)合實(shí)際分析了有關(guān)高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，表明了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)已然無法滿足智能電力設(shè)備高精度、高集成的發(fā)展形勢(shì)，需充分利用各種先進(jìn)技術(shù)繼續(xù)研究高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能檢測(cè)技術(shù)。最后，文章提出了一種基于高速CCD成像的非接觸式檢測(cè)技術(shù)，并針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了分析、研究，得出了該非接觸式檢測(cè)技術(shù)具有以往檢測(cè)技術(shù)不具有的優(yōu)勢(shì)，且具有推廣性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：高壓斷路器;操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能;非接觸式;檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高壓斷路器是電力系統(tǒng)的重要保護(hù)裝置，其正常運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性影響非常大。尤其是當(dāng)其發(fā)生故障后，還有可能引發(fā)安全事故，導(dǎo)致工作人員的生命安全無法得以保證。所以，電力企業(yè)要重視高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的檢測(cè)，并靈活采用各種先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而有效保證高壓斷路器的正常運(yùn)行。

1 高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)簡述

高壓斷路器也可稱為高壓開關(guān)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，繼電保護(hù)器會(huì)切斷電路負(fù)荷、短路電流?？梢哉f，高壓斷路器是保護(hù)基礎(chǔ)電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。一般情況下，高壓斷路器操動(dòng)系統(tǒng)主要包括操動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、緩沖裝置。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

從圖1可以看出操動(dòng)機(jī)構(gòu)是獨(dú)立于高壓斷路器本體外的機(jī)械操動(dòng)裝置，通過控制該操作裝置就可以操作高壓斷路器。其主要作用是將其他能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，確保高壓斷路器的準(zhǔn)確性。具體來說，是通過操動(dòng)機(jī)構(gòu)直接實(shí)現(xiàn)高壓斷路器觸頭的分、合。由此可見，操動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)高壓斷路器使用性能、運(yùn)行質(zhì)量的影響極大。結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行需求來看，操作機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足要求：①保證合閘速度能滿足實(shí)際需求;②維持高壓斷路器在合閘位置，確保其不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作問題;③可防跳躍;④能保證分合動(dòng)作的精準(zhǔn)、連續(xù);⑤運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，能確保斷路器的正常運(yùn)行[1]。

2 高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障研究現(xiàn)狀

從實(shí)際來看，在高壓斷路器故障中操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障占大多數(shù)，且大多數(shù)表現(xiàn)為拒動(dòng)、誤動(dòng)、慢分、三相不同期故障，這些故障嚴(yán)重影響操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能，尤其影響高壓斷路器的正常運(yùn)行。所以，國內(nèi)許多專家學(xué)者仍在研究斷路器內(nèi)部故障。然而由于各種因素的影響，目前尚不能清楚地認(rèn)識(shí)到斷路器內(nèi)部故障及其外在特征之間的規(guī)律，且對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)異常與操作中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性的研究也不夠深入。從根本上來說，主要就是因?yàn)闇y(cè)試技術(shù)、方法的落后，仍無法對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)特征變化進(jìn)行深入研究。而現(xiàn)如今，智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展越來越快，電力系統(tǒng)對(duì)斷路器可靠性、穩(wěn)定性的要求也越來越高。若是仍無法對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，研究出更加先進(jìn)、完善的故障識(shí)別方法，就會(huì)導(dǎo)致斷路器安全性、可靠性無法保證，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2]。

以往多是通過測(cè)試來確定操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能是否正常，符合要求。如光線示波器法、光柵法、磁致伸縮位移傳感器、滑線電阻法、加速度法等。無論是應(yīng)用哪一種方法，都需要安裝傳統(tǒng)感。然而，隨著電力行業(yè)的發(fā)展，電力設(shè)備精度的不斷提升，能安裝傳感器的空間越來越小，以致于傳統(tǒng)的測(cè)試方法無法再發(fā)揮出應(yīng)有的作用。另外，國外還研究出高壓開關(guān)測(cè)試儀。如瑞典保伽瑪PROGRAMMA和德國威爾斯SA100型等，國內(nèi)并無類似的測(cè)試儀器。所以，在智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，我們應(yīng)深入研究無接觸式的檢測(cè)技術(shù)，以解決傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，確保操動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常使用。只有這樣，才能突破操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展瓶頸，取得更新的研究成果。

3 基于高速CCD成像的一種非接觸式檢測(cè)技術(shù)研究

3.1 研究內(nèi)容

基于高速CCD成像的非接觸式檢測(cè)技術(shù)研究內(nèi)容是從高壓開關(guān)機(jī)械特性試驗(yàn)中的形成參數(shù)、速度測(cè)試參數(shù)入手，結(jié)合高速CCD成像技術(shù)研究非接觸式測(cè)試系統(tǒng)。

具體來說，其研究內(nèi)容可分為以下幾個(gè)部分：第一，高速CCD成像裝置類型選擇?？紤]到操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性，需保證高速CCD成像裝置的成像速度快，且小巧、性價(jià)比高。只有從性比價(jià)入手，才能降低檢測(cè)裝置的成本投入，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。第二，圖像處理、傳輸。若想分析其機(jī)械特性，勢(shì)必要借助高速CCD成像裝置，高速成圖、快速處理及傳輸。只有這樣，才能對(duì)圖像反應(yīng)出的信息進(jìn)行判斷。第三，圖像位移標(biāo)定。這是決定該檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，要進(jìn)行重點(diǎn)研究。第四，測(cè)試裝置。這是非接觸式檢測(cè)技術(shù)的主要載體，應(yīng)高度重視。依據(jù)操動(dòng)機(jī)構(gòu)特性，測(cè)試裝置應(yīng)當(dāng)具有較高的數(shù)據(jù)接收、處理、分析能力，且應(yīng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、比較及報(bào)告自動(dòng)生成和打印功能[3]。

3.2 研究方法

為了深入研究高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性及其外在故障之間的規(guī)律，設(shè)計(jì)出非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)，文章從高壓卡關(guān)的機(jī)械特性試驗(yàn)入手進(jìn)行了研究。具體研究步驟：第一，收集相關(guān)資料，形成初步的檢測(cè)方案。第二，選擇了DSP芯片、ARM芯片、線陣CCD，采集卡、解碼器等硬件設(shè)備，同時(shí)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了控制算法、處理算法。例如，設(shè)計(jì)自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)變焦、自動(dòng)光圈算法，確保系統(tǒng)可以得到高對(duì)比度的圖像;針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)圖像提取和運(yùn)動(dòng)圖像位置提取算法，最終獲得高壓斷路器機(jī)械特性的測(cè)量數(shù)據(jù)。第三，在測(cè)試裝置搭建設(shè)完成時(shí)，編制上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、分析、比較及報(bào)告生成、打印。

3.3 具體測(cè)試

具體測(cè)試對(duì)象是高壓斷路器中可視化的動(dòng)桿及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過跟蹤、觀察動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)速度、位置，得到相應(yīng)的位移、時(shí)間曲線。之后，就可以根據(jù)曲線圖對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。同時(shí)，為了真正實(shí)現(xiàn)無接觸，還應(yīng)用了非接觸式的高速成像傳感器。這種非接觸式傳感器并不需要專門的安裝空間，只需要能將目標(biāo)條紋貼在動(dòng)桿表面即可，既方便又快捷。

非接觸式的高速成像傳感器包括線陣CCD、采集卡、解碼器、目標(biāo)條紋等部分。其具體測(cè)試原理是：將目標(biāo)條紋粘于動(dòng)桿之上，并使高速成像傳感器垂直于連桿方向。在高壓斷路器合閘、分閘之時(shí)，聯(lián)動(dòng)桿會(huì)隨著目標(biāo)條紋一起運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，高速成像傳感器會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行高速拍照，待運(yùn)動(dòng)完畢后，高速成像傳感器會(huì)對(duì)照片進(jìn)行分析、處理，從而得到目標(biāo)條紋運(yùn)動(dòng)的行程及速度4]。另外，從中能夠看出確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是高速成像的圖片要足夠清晰，且能捕捉到運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)、終點(diǎn)，這就需要用到各種算法來達(dá)到這一目的。接下來，再依次運(yùn)用自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)變焦、自動(dòng)光圈等算法進(jìn)行對(duì)比、分析，就可以明確如何繼續(xù)優(yōu)化該測(cè)試裝置，保證該檢測(cè)技術(shù)可以得到推廣。

3.4 算法結(jié)果分析

第一，對(duì)焦算法。其測(cè)試圖像數(shù)據(jù)來源于目標(biāo)條紋前方任意位置的測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)目標(biāo)物并成像后的圖像，而后對(duì)焦、調(diào)整后，進(jìn)行了梯度函數(shù)、邊緣檢測(cè)。結(jié)果顯示，邊緣檢測(cè)更具有優(yōu)勢(shì)，也更適用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，保證圖像的清晰。第二，變焦算法。主要分為粗變焦、細(xì)變焦兩種。經(jīng)過對(duì)比、分析發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)用這兩種變焦算法都可以得到需要的圖像。第三，光圈算法。通過控制光圈，可以使采集到的圖像亮度適中，從而滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。同時(shí)，經(jīng)過測(cè)試得出了最佳的控制機(jī)制，即平均灰度值大于等于115即可，距離目標(biāo)條紋120 cm處時(shí)，系統(tǒng)可以更好地滿足工業(yè)環(huán)境需求。第四，數(shù)據(jù)處理算法。在正式測(cè)量前，需提前設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，而后通過對(duì)焦、變焦、光圈控制得到質(zhì)量更好的圖像。運(yùn)用數(shù)據(jù)處理算法對(duì)圖像上的信息進(jìn)行提取、處理，對(duì)其特征信號(hào)進(jìn)行跟蹤、處理，從而得到所需數(shù)據(jù)。

3.5 創(chuàng)新之處

相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法來說，這種從操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性入手進(jìn)行非接觸式測(cè)量的技術(shù)，不僅數(shù)據(jù)可靠，且適用性更加廣泛。因?yàn)槟繕?biāo)條紋相比于傳統(tǒng)器更加方便，且不需要太大的空間，易安裝、易使用，能夠適應(yīng)更加復(fù)雜、多變的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，及時(shí)了解操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能。最重要的是工作量小，可有效提高檢測(cè)效率，結(jié)果準(zhǔn)確，不會(huì)帶來檢測(cè)結(jié)果誤差，造成比較嚴(yán)重的安全事故。

4 結(jié)語

綜上所述，從電力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，非接觸式檢測(cè)技術(shù)更符合時(shí)代特征，也更能滿足高精度、高集成高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)需求。文章提出的基于高速CCD成像的非接觸式檢測(cè)技術(shù)正可以彌補(bǔ)以往檢測(cè)技術(shù)的不足，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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