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基于机器视觉技术的高压断路器机械特性诊断

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：陈午阳雷宗昌

[导读] 摘要：高压断路器是电力系统中最重要的设备之一，在控制和保护系统方面发挥着重要作用。

        （河南平高电气股份有限公司河南省平顶山市 467000）
        摘要：高压断路器是电力系统中最重要的设备之一，在控制和保护系统方面发挥着重要作用。可靠性对电力系统的安全运行有重要影响。当电力系统正常工作时，通过断路器切换操作模式。当系统发生故障时，断路器可以及时切断线路，以防止故障转移，从而确保供电系统的安全。
        关键词：高压断路器；机械特性；机器视觉
        断路器机械特性测量方法要求传感器难以安装固定。测试过程中需要关闭电源，这可能会影响断路器的运行特性。采用计算机辅助可视化技术可以避免这些缺陷，机器视觉技术为测量断路器机械特性的研究奠定了基础。
        一、机器视觉技术发展概述
        视觉是获取从外部传递到大脑的信息的重要工具，由大脑根据人们的知识和经验进行操作、分析和识别。从图像或图像序列中识别三维对象在现实生活中的形状和运动。机械视觉比人类视觉有许多优点，例如没有视觉疲劳，比人类视觉更快、更准确。机器人成像技术检测紫外线、超声波等在人类视觉检测的支持下，却没有办法检测到事物。
        二、高压断路器合闸弹簧动态振动特性研究
        利用高速摄像机采集高压断路器各部分的图像，可以测量断路器的各种机械参数。基于高速摄影技术的断路器机械特性测试平台原理方案。测量平台主要由高速摄像机、发光二极管(LED)光源、计算机、三脚架、测试部件、屏蔽输送线等组成。高速计算机和摄像机通过隐藏的传输线传输数据，并脱机传输数据。高速相机曝光时间很短，LED灯用于补光测量零件，测试高压断路器合闸弹簧的动态振动特性，测试设备为螺旋弹簧。ZN63A-12真空断路器有两个螺旋闭合弹簧，大致垂直于地面。调整三脚架高度，使高速相机和LED光源的高度与合闸弹簧相同，并在高速相机的中间制作侦测到的合闸弹簧影像。高速相机类型为phantom v10.0，分辨率为1080×1920时最大快照速度可达500帧/秒，分辨率为720×1280时最大快照速度可达1000帧/秒，可实时查看快照结果。LED光源由电网供电，额定功率为300W，LED光源的照明功率会随着LED光源两侧电压值的不断变化而变化。在螺旋弹簧的外表面定义多个标记点，并使用数字图像处理技术研究弹簧的动态振动特性。合闸弹簧上总共有八个标记，分别标记1和8为钩扣和底钩，它们之间的距离表示弹簧的实际长度；标记2-7位于弹簧的外表面，观察弹簧环的振动。
        1.高压断路器合闸弹簧振动特性测试结果。图1显示了高速相机在合闸过程中捕捉到的闭合弹簧的动态振动图像。高速相机采样频率为3900hz，曝光时间为250μs。在第一帧中，弹簧处于初始张力状态，然后弹簧开始运动；从第一帧到第165帧，弹簧长度将减小，直到释放过程结束。在此过程中，弹簧速度首先较低，然后继续增加；经过165帧后，弹簧长度几乎保持不变，但存在2到7之间的垂直往复运动，即弹簧处于连续振动状态。

        图1合闸弹簧动态振动图像
        数字图像处理过程如下:(1)根据标记点位置信息提取目标区域。标记点位于图像的中间。提取有关要分析的区域的信息可以大大减少图像处理算法的计算。2)灰度图像处理。每个颜色像素由三个颜色组件组成R、G、B，还可以由亮度和颜色级别组件表示。要在保留图像亮度信息的同时删除彩色图像的色相和饱和度信息，请参阅灰度。灰度图像处理算法简单，与彩色图像相比计算较少。本文采用加权平均法处理灰度图像。

     (1)
        其中Gray(I，j)是像素的灰度值；R(I，j)是彩色像素的量值红色；G(I，j)是彩色像素的量值绿色；B(I，j)是彩色像素量值蓝色。由于人眼对不同颜色样本的敏感性不同，加权平均方法为不同颜色成分选择不同的权重，如公式(1)所示。3)二值化图像处理。二值化影像的像素值只包含两个灰阶(黑色和白色)，可大幅减少数据量。也可以将目标区域与背景区域区分开来，并凸显目标区域。对图像二值化算法进行了研究为

（2）
在公式中:Binary(i，j)是二值化图像函数。T是图像阈值二值化。4)连通域标记点提取。求解图像连通域，对小连通域排除干扰，并保持与h标记点相对应的连连通域。具体处理步骤如下:(1)通过8(或4)查找二值化图像矩阵的连接区域，此时连接区域主要包括簧圈表面的标记点区和反光射区，反光区相对较小连通域面积。(2)计算像素数目连通域，并将从最大到最小排序。(3)具有最多像素点的前h个连通域表示h个提示点区域，其它连接点的像素值为0。5)计算单个提示点所在连通域的高度位置，并在排序后获取当前帧中的簧圈高度信息。标记点的高程方程式为

      (3)
        式中:Hi是第一个标记点的高度：Ni是第一个标记点连接域的像素数。Hij是第一个标记点连接域中j像素的高度。L0是一个像素的实际长度。指定计算单个像素的实际长度l0的公式

(4)
型式:l是实际测量的标记点距离。(a1,b1)、(a2,b2)是图像矩阵中首、尾标记点的中心像素坐标。本文中断路器机构箱的相邻隔板间距为100mm，高速摄影图像对应的像素数为130。高压断路器关闭时合闸弹簧的动态振动特性如图2所示。

        图2高压断路器合闸过程中合闸弹簧动态振动特性
        如图2所示，断路器合闸过程从0开始，弹簧开始运动并释放能量，大约40毫秒后合闸过程结束，弹簧开始沿垂直方向动态振动，通过比较不同信号的振动频率，可以看出上下挂钩(标记1和8)具有弹簧中心的振动频率显着增加。在合闸过程中，合闸弹簧长度减少了57.6mm，处于能量存储状态的弹簧长度比处于非能量存储状态的弹簧长60.0mm。误差的主要原因是合闸弹簧不完全垂直于地面，但具有一定的倾斜角度，并且其运动包括垂直旋转。
        2.弹簧应力松弛故障对断路器闭锁弹簧振动特性的影响。采用数字图像处理技术处理和分析具有应力松弛缺陷的弹簧高速图像。具有应力松弛缺陷的弹簧的提示点为11-18，分别对应于常规弹簧编号1-8。图3比较了正垂弹簧和应力松弛故障弹簧的动态振动特性。

        图3正常合闸弹簧与应力松弛故障弹簧动态振动特性对照
        两组弹簧的振动特性非常相似。与普通弹簧相比，上、下挂钩附近有应力释放弹簧的振幅较大，而中间部分的簧圈振动(例如16、17)减小得较快，振幅较小。通常，由于释放的能量量，法向制动弹簧的振动时间较长，而应力松弛故障弹簧的振动时间缩短得较快。对试验数据进行傅里叶变换，提取对应于每个闭合弹簧簧圈的最大振幅(主振荡频率)的频率值和对应于第二振幅(次振荡频率)的频率值。
        综上所述，高压断路器合闸过程结束后，合闸弹簧开始垂直方向动态振动，弹簧中部的振动频率高于两端。分别测量了普通弹簧和应力松弛弹簧的振动特性。结果表明，与普通弹簧相比，故障弹簧振幅更小，衰减速度更快，主振动频率更低。利用高速摄影技术记录高压断路器四杆机构的动态运动过程，利用数字图像处理技术进行图像校正和连杆角度测量断路器分合闸时机械特性的非接触测量。
        参考文献：
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        [2]冯建承.基于振动信号识别的断路器故障诊断研究[J].高压电器，2019，53(2)：1-7，13.
        [3]黄斌国.基于Tsallis熵与层次化混合分类器的含未知故障断路器机械故障诊断[J].高电压技术，2019，45(5)：1518-1525.