高壓斷路器操動機構性能非接觸式檢測技術的研究

龍安州 羅林

摘 要：為了及時發現高壓斷路器故障，保證電力系統的正常運行，文章對高壓斷路器操動機構性能非接觸式檢測技術進行了研究。首先，文章對高壓斷路器操動機構進行了分析，并指出了操動機構應當滿足的使用要求。然后，結合實際分析了有關高壓斷路器操動機構性能檢測技術的現狀，表明了傳統檢測技術已然無法滿足智能電力設備高精度、高集成的發展形勢，需充分利用各種先進技術繼續研究高壓斷路器操動機構性能檢測技術。最后，文章提出了一種基于高速CCD成像的非接觸式檢測技術，并針對該技術進行了分析、研究，得出了該非接觸式檢測技術具有以往檢測技術不具有的優勢，且具有推廣性的結論。

關鍵詞：高壓斷路器;操動機構性能;非接觸式;檢測技術

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A

高壓斷路器是電力系統的重要保護裝置，其正常運行對電力系統的安全性、穩定性、可靠性影響非常大。尤其是當其發生故障后，還有可能引發安全事故，導致工作人員的生命安全無法得以保證。所以，電力企業要重視高壓斷路器操動機構性能的檢測，并靈活采用各種先進的檢測技術，保證檢測結果的準確性，從而有效保證高壓斷路器的正常運行。

1 高壓斷路器操動機構簡述

高壓斷路器也可稱為高壓開關。當電力系統發生故障后，繼電保護器會切斷電路負荷、短路電流。可以說，高壓斷路器是保護基礎電力系統的關鍵設備。一般情況下，高壓斷路器操動系統主要包括操動機構、傳動系統、緩沖裝置。其結構簡圖如圖1所示。

從圖1可以看出操動機構是獨立于高壓斷路器本體外的機械操動裝置，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換為機械能，確保高壓斷路器的準確性。具體來說，是通過操動機構直接實現高壓斷路器觸頭的分、合。由此可見，操動機構對高壓斷路器使用性能、運行質量的影響極大。結合電力系統運行需求來看，操作機構應當滿足要求：①保證合閘速度能滿足實際需求;②維持高壓斷路器在合閘位置，確保其不會出現誤動作問題;③可防跳躍;④能保證分合動作的精準、連續;⑤運行穩定、可靠性高，能確保斷路器的正常運行[1]。

2 高壓斷路器操動機構故障研究現狀

從實際來看，在高壓斷路器故障中操動機構故障占大多數，且大多數表現為拒動、誤動、慢分、三相不同期故障，這些故障嚴重影響操動機構性能，尤其影響高壓斷路器的正常運行。所以，國內許多專家學者仍在研究斷路器內部故障。然而由于各種因素的影響，目前尚不能清楚地認識到斷路器內部故障及其外在特征之間的規律，且對操動機構異常與操作中的機械運動特性的研究也不夠深入。從根本上來說，主要就是因為測試技術、方法的落后，仍無法對操動機構特征變化進行深入研究。而現如今，智能電網建設發展越來越快，電力系統對斷路器可靠性、穩定性的要求也越來越高。若是仍無法對操動機構運動特性進行分析，研究出更加先進、完善的故障識別方法，就會導致斷路器安全性、可靠性無法保證，進而影響電力系統的正常運行[2]。

以往多是通過測試來確定操動機構性能是否正常，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。無論是應用哪一種方法，都需要安裝傳統感。然而，隨著電力行業的發展，電力設備精度的不斷提升，能安裝傳感器的空間越來越小，以致于傳統的測試方法無法再發揮出應有的作用。另外，國外還研究出高壓開關測試儀。如瑞典保伽瑪PROGRAMMA和德國威爾斯SA100型等，國內并無類似的測試儀器。所以，在智能技術、物聯網、云計算等技術不斷發展的背景下，我們應深入研究無接觸式的檢測技術，以解決傳統檢測方法的不足，確保操動機構的正常使用。只有這樣，才能突破操動機構性能檢測技術的發展瓶頸，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技術研究

3.1 研究內容

基于高速CCD成像的非接觸式檢測技術研究內容是從高壓開關機械特性試驗中的形成參數、速度測試參數入手，結合高速CCD成像技術研究非接觸式測試系統。

具體來說，其研究內容可分為以下幾個部分：第一，高速CCD成像裝置類型選擇。考慮到操動機構的機械特性，需保證高速CCD成像裝置的成像速度快，且小巧、性價比高。只有從性比價入手，才能降低檢測裝置的成本投入，保證電力系統運行的經濟效益。第二，圖像處理、傳輸。若想分析其機械特性，勢必要借助高速CCD成像裝置，高速成圖、快速處理及傳輸。只有這樣，才能對圖像反應出的信息進行判斷。第三，圖像位移標定。這是決定該檢測技術應用準確度的關鍵，要進行重點研究。第四，測試裝置。這是非接觸式檢測技術的主要載體，應高度重視。依據操動機構特性，測試裝置應當具有較高的數據接收、處理、分析能力，且應具有數據存儲、查詢、比較及報告自動生成和打印功能[3]。

3.2 研究方法

為了深入研究高壓斷路器操動機構運動特性及其外在故障之間的規律，設計出非接觸式檢測系統，文章從高壓卡關的機械特性試驗入手進行了研究。具體研究步驟：第一，收集相關資料，形成初步的檢測方案。第二，選擇了DSP芯片、ARM芯片、線陣CCD，采集卡、解碼器等硬件設備，同時設計與實現了控制算法、處理算法。例如，設計自動對焦、自動變焦、自動光圈算法，確保系統可以得到高對比度的圖像;針對運動圖像的特點，設計運動圖像提取和運動圖像位置提取算法，最終獲得高壓斷路器機械特性的測量數據。第三，在測試裝置搭建設完成時，編制上位機軟件，實現數據的儲存、分析、比較及報告生成、打印。

3.3 具體測試

具體測試對象是高壓斷路器中可視化的動桿及其運動狀態。通過跟蹤、觀察動桿的運動速度、位置，得到相應的位移、時間曲線。之后，就可以根據曲線圖對其運動特性進行分析。同時，為了真正實現無接觸，還應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，只需要能將目標條紋貼在動桿表面即可，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、目標條紋等部分。其具體測試原理是：將目標條紋粘于動桿之上，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，聯動桿會隨著目標條紋一起運動。同時，高速成像傳感器會對運動過程進行高速拍照，待運動完畢后，高速成像傳感器會對照片進行分析、處理，從而得到目標條紋運動的行程及速度4]。另外，從中能夠看出確保檢測結果準確性的關鍵是高速成像的圖片要足夠清晰，且能捕捉到運動起始點、終點，這就需要用到各種算法來達到這一目的。接下來，再依次運用自動對焦、自動變焦、自動光圈等算法進行對比、分析，就可以明確如何繼續優化該測試裝置，保證該檢測技術可以得到推廣。

3.4 算法結果分析

第一，對焦算法。其測試圖像數據來源于目標條紋前方任意位置的測量系統觀測目標物并成像后的圖像，而后對焦、調整后，進行了梯度函數、邊緣檢測。結果顯示，邊緣檢測更具有優勢，也更適用于復雜的工業環境，保證圖像的清晰。第二，變焦算法。主要分為粗變焦、細變焦兩種。經過對比、分析發現，通過應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，從而滿足工業生產的需求。同時，經過測試得出了最佳的控制機制，即平均灰度值大于等于115即可，距離目標條紋120 cm處時，系統可以更好地滿足工業環境需求。第四，數據處理算法。在正式測量前，需提前設置好各項參數，而后通過對焦、變焦、光圈控制得到質量更好的圖像。運用數據處理算法對圖像上的信息進行提取、處理，對其特征信號進行跟蹤、處理，從而得到所需數據。

3.5 創新之處

相比于傳統的檢測方法來說，這種從操動機構運動特性入手進行非接觸式測量的技術，不僅數據可靠，且適用性更加廣泛。因為目標條紋相比于傳統器更加方便，且不需要太大的空間，易安裝、易使用，能夠適應更加復雜、多變的工業生產環境，及時了解操動機構性能。最重要的是工作量小，可有效提高檢測效率，結果準確，不會帶來檢測結果誤差，造成比較嚴重的安全事故。

4 結語

綜上所述，從電力行業發展現狀來看，非接觸式檢測技術更符合時代特征，也更能滿足高精度、高集成高壓斷路器操動機構的檢測需求。文章提出的基于高速CCD成像的非接觸式檢測技術正可以彌補以往檢測技術的不足，適應社會發展。

參考文獻

[1] 閆站正，周華.高壓斷路器操動機構性能非接觸檢測技術的研究[J].通信電源技術，2019，37（3）：38-39.

[2] 郭震.高壓斷路器工作原理及故障分析[J].中國新技術新產品，2019（21）：52-53.

[3] 羅琦，楊林，韓瑩，史凱.高壓斷路器故障診斷的一種多極新方法探究[J].高壓電器，2019，55（5）：82-87，93.

[4] 王磊.高壓斷路器故障預測方法的研究[D].重慶：重慶理工大學，2019.