摘要：本文开展可实现断路器操动机构状态及故障识别，加强和丰富故障分析手段，探索一种新型的断路器动作特性测试装置，实现提高断路器设备运行可靠性的目标。
关键词：断路器；机构；识别
1前言
长期以来，无论在国外还是在国内，断路器机械特性测试仪采用直线位移传感器、光栅传感器、导电塑料电位器和角位移传感器等检测动触头位移和运动速度，这些传感器连接件在操动机构或主轴上安装，不仅传感器本身分辨率不高，且安装中存在的缝隙影响了精度。同时，不同型号断路器尺寸不同，传感器的夹具不同，安装过程过于繁琐，工作效率低下。动触头附近可供安装位移传感器空间非常有限，传统的传感器由于尺寸的限制，通过越来越困难。断路器在线监测和故障诊断的实质性进展缓慢，仅限于振动和绝缘气体信号处理来进行具体断路器的故障诊断，通用性较差，还没有形成一个真正意义上的实用化的断路器故障诊断专家系统。原因一方面在于断路器结构复杂，例如最重要的一个部件—灭弧室，由于其封闭性较强以及电弧燃烧的不确定性，测量方式很难确定，测量效果也不能保证；二是传感技术跟不上，这也限制了监测的发展；最后，由于断路器各部件繁多，如操动机构，很难判断哪些部件容易发生故障，以便对其进行监测，这就造成了监测的盲目性，缺乏监测经验。因为断路器在正常运行时很少发生动作，这也造成关键数据的缺乏，不利于经验的累计。
2断路器操动机构故障识别新技术
测试仪器常用硬件平台有GPIB、PCI、Compact PCI、VXI和PXI等，在断路器测试中作为数据采集系统，是对传感器或所需测量或处理的信号进行采集、数字化、存储、分析和显示的一个完整信号处理链路。数据采集的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后进行相应的信号处理和计算，得出所需的断路器状态相关数据。项目组经反复研究论证，考虑到测试现场的强电磁干扰，为保证设备可靠运行，确定采用目前最先进的PXI系统。
2.1 测试平台硬件搭建—PXI系统
目前，随着科学技术和生产工艺的不断进步，科学研究和工程实践对测量测试技术提出了越来越高的要求。操作方便、灵活多样、功能齐全的测试系统成为了现代生产和科研的必需设备，测试内容的日趋复杂，测试工作量的急剧增加，对测试系统的功能、性能、速度、精度等方面的要求都日益提高，传统的人工测试技术已经无法满足生产科研的需要。从近年的发展趋势来看，虚拟仪器测试系统己经逐渐成为自动测试系统的主要构成内容。数字化、智能化和网络化是当今仪器仪表与自动测试系统的三大发展趋势，并将彻底改变传统仪器仪表与自动测试系统的观念。经过30多年的发展，虚拟仪器己经形成了大致四种成熟的硬件结构体系：GPIB、PC-DAQ、VXI、PXI。不同的体系结构所能达到的性能和系统能力是很不相同的。其中，PC-DAQ系统是虚拟仪器硬件体系中最方便、最经济的一种方式，它是以基于PCI总线的各种功能板卡和计算机构成的，PCI卡插入计算机的PCI插槽中，然后配以相应的硬件驱动和应用程序就可以实现所需要的仪器功能。但是这种方式的抗干扰能力很差，适合于实验室使用。比较常见并且常用的是基于PXI规范的插入式数据采集系统，它内部可以插入多个数据采集模块，相当于扩展了计算机的PCI插槽；另外还有通过各种其他总线与计算机相连的外置式DAQ设备，总线形式包括并口、串口、USB口。很多仪器也可以通过GPIB等总线与计算机相连，实现数据采集功能。PXI系统的外形与VXI系统有相似之处，一个PXI系统需要一个机箱，其背板上除PCI总线外，还补充了触发总线、参考时钟、本地总线和星形触发线。插入机箱的模块通过标准连接器与背板相连。PXI系统具有良好的电磁兼容和冷却性能。考虑到VXI总线系统价格昂贵，PXI系统的体积更小，更便于携带，并且PXI把PCI计算机技术、Microsoft、Windows软件以及CompactPCI模块巧妙地结合在一起，在不牺牲测量指标以及不增加开发费用的情况下，极大的满足了不同层次用户对测试、测量、数据采集和工业自动化的应用需求。对于本项目测试现场要求便携、高可靠、便于扩展和标准架装，测试系统选用PXI是非常适宜的。
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2.2断路器操动机构图像信号处理与分析方法
断路器能及时准确的接通或断开电力供应，其可靠性，依赖于其内部机械部件的正确动作来完成它的职能。断路器实验和实际应用的统计表明，当断路器不能正常发挥作用时，大部分原因是其内部的机械部件不能准确而可靠的动作，这样，对于生产断路器的厂家来说，就必须提高断路器的出厂成品检验手段，尤其是针对其机械特性。高压断路器在安装投入或检修后，为保证其安全运行，按规程要求必须进行机械特性参数测试。中华人民共和国国家标准常温下的机械试验GB33O9-89（本标准参照采用国际标准IEC56 《交流高压断路器》、IEC129 《交流高压隔离开关和接地开关》）规定了高压断路器设备常温下的机械特性试验方法，其中参数包括：分闸时间、合闸时间、分合闸同期性、合闸同期性、开距、超程、刚分（合）速度、平均速度和最大速度等。
目前，对于断路器机械特性的检测方法主要有行程一时间检测法，分合闸线圈电流检测法，振动信号检测法及图像测量四种方法。断路器的行程一时间特性是表征断路器机械特性的重要参数，也是计算断路器分、合闸速度的依据。断路器分合闸速度，尤其是断路器合闸前、分闸后的动触头速度，对断路器的开断性能有至关重要的影响。断路器动触头速度的测量，主要是通过测量动触头的行程一时间关系，然后经过计算得到动触头的速度等参数。因此，断路器的行程一时间特性检测，是断路器机械特性检测的重要内容。断路器的行程一时间特性测量方法中，行程检测法应该算是一种比较理想的断路器机械特性检测方法，但是这种方法大多使用光电传感器且对其安装及测试精度有很高的依赖。不同型号断路器尺寸不同，传感器的夹具不同，夹具的携带和安装过程复杂繁琐造成工作效率低下，随着真空断路器外形结构尺寸已缩小到接近极限，动触头附近可供安装位移传感器的空间非常有限，传统的直线位移传感器或角位移传感器由于尺寸的限制，通过连接件在操动机构和主轴上安装越来越困难。另外，传感器的精度不同和仪器中电子元件的差异，也会造成测量结果有较大差异。针对这种现状，本文将围绕断路器动触头行程的测量，研究新的断路器机械特性测试方法，从根本上解决现有测试方法的不足，满足测试现场快速、准确测量的要求。目前，在以图像处理为代表的计算机视觉被广泛应用在电力系统故障领域中，并得到丰硕的成果。然而在断路器动触头行程测量中应用较少，并且大部分都是对其他方法的辅助和验证，没有系统化和正规化。一些学者虽然采用了计算机视觉对真空断路器行程进行测定，但在测量目标点的选定方面并没有过多的介绍。
通过综合运用电力设备测试原理和计算机视觉技术，较好地解决了高压断路器状态测试、性能评价中最为关键的操动机构工作特性分析、开断过程快慢和触头行程测量等难题，尤其针对断路器动触头运动的图像快速跟踪方法。该方法首先采用高速、高清相机拍摄断路器开、合过程中绝缘拉杆上的辅助标志物运动的序列图像，然后采用粒子滤波方法对其进行跟踪并据此获取每幅图像中辅助标志物的质心坐标，通过计算序列图像拍摄间隔时间和辅助标志物在图像中的坐标
变化，获得动触头精确的运动轨迹，最后根据运动轨迹获取断路器操动机构的开、合速度、行程及其他工作特性。具体过程如下：第一步，在高压断路器的绝缘拉杆上固定具有鲜明颜色特征的贴片，作为辅助标志物。第二步，调整高速、高清摄像机的位置和视野，使其对准绝缘拉杆所在的观察窗。第三步，启动相机并拍摄高压断路器进行开、合过程，获取辅助标志物高速运动的序列图像。对于断路器动触头的直线位移特性，只需要一个辅助标志物即可；对于其运动的角位移特性，则跟踪两个具有不同颜色特征的辅助标志物的运动，通过计算这两个标志物质心连线的转动角度来获取断路器动触头的角位移特性。第四步，从高速、高清相机拍摄的序列图像的第一帧开始，对图像进行畸变校正和颜色空间变换，并将图像由RGB空间变换到HIS空间。第五步，采用粒子滤波、菱形图像块匹配等方法对辅助标志物在图像中的运动进行跟踪，获取其运动轨迹。第六步，根据辅助标志物的实际尺寸、成像大小、摄像机的焦距、拍摄速率，采用小孔成像原理，计算高压断路器动触头的开、合速度、行程并绘制其运动轨迹，据此进一步分析其动作特性。
3结语
采用集声波、振动信号、光学图像识别及电信号检测的多位一体的监测技术。充分发挥非接触传感测试技术，并利用图像和数字信号处理技术，以全新的方式获取断路器传动部件的运动轨迹，并结合整个操作过程中的声音、振动频谱分析和断路器分合闸线圈动作电流分析，研发一套可用于诊断高压断路器操动机构故障征兆的测试系统，实现对断路器机械运动的多维度关联性数值分析，为诊断分析和评估断路器操作机构故障提供依据和监测手段，最终实现提高断路器设备运行可靠性的目标。此外，利用研究的相关成果，也能够研发一种新型的断路器动作特性测试装置。
作者简介：
李凯恩（1985.12.29—），男；籍贯云南临沧；汉族；学历本科；工程师；长期从事配网管理。
论文作者:李凯恩,林勇,王骏,罗玉珠,高景林
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/3
标签：断路器论文; 测试论文; 特性论文; 测量论文; 图像论文; 系统论文; 触头论文; 《电力设备》2018年第30期论文;