一種改進型的便攜式高壓斷路器狀態監測裝置

龍安州　楊秀洪

摘 要：我國高壓斷路器在線檢測技術的研究起步較晚，尤其是便攜式在線檢測裝置的研究也并不深入，無法滿足不同用戶的使用需求，嚴重影響到了我國電力行業的發展。為了突破這一發展困境，文章在原在線監測技術之上提出了一種可離線或在線測試的便攜式斷路器狀態監測裝置。文章先是分析了該監測裝置的系統架構及組成，然后分析了該裝置的技術原理，最后簡單闡述了該裝置優勢。

關鍵詞：便攜式;高壓斷路器;狀態監測裝置

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0158-02

高壓斷路器是一種被廣泛應用于電力系統，能實現過載、短路等故障保護的電力設備。隨著我國電力行業的發展，斷路器檢測技術也得到了迅速發展。尤其是在線檢測技術也得到了迅速發展。然而由于我國斷路器檢測技術起步較晚，在線檢測技術仍具有不夠靈活、安裝位置固定的缺陷，不能適應更多的使用環境，保證電力系統的穩定性、可靠性。對此，國內外學者都展開了研究。其中清華大學、中能電力科技開發有限公司等單位也開展了綜合性斷路器狀態監測裝置，也積累了比較多的研究經驗。尤其是中能電力科技開發有限公司開發了TF50型斷路器狀態監測儀，能夠對斷路器的電壽命、絕緣狀態、控制回路、儲能機構等參數或部件進行全面的在線檢測與分析。但從實際來看，有關便攜式斷路器狀態監側裝置的研究仍不夠深入。只有Kelman公司推出了ProfileP2型斷路器分析儀產品。然而Kelman公司生產的ProfileP2型斷路器分析儀價格昂貴，尋求研制性價比高的國產化便攜式斷路器狀態監測儀，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前景。

1裝置系統架構、組成

1.1系統架構

該檢測裝置的系統架構如圖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、計算機等。運用該系統可以通過采集分、合閘線圈電流變化、儲能、操動過程等特征信號，分析斷路器機械特性，進而構建集聲、電、圖等于一體的測試與故障識別系統，從而及時反映斷路器的運行狀態及故障表現，確保工作人員可以根據實際情況采取有效的應對措施，保證電力系統的穩定、可靠[1]。

1.2系統組成

該測試與故障識別系統主要是由軟件、硬件組成。其中軟件系統能夠分析、處理聲音、電流等信號，并進行數據處理，進而依據檢測結果判定斷路器是否存在故障。硬件作為主要的功能載體，也發揮著維持系統性能，保證測試與故障識別效果的作用。

1.2.1軟件組成

該系統主要是由測試系統主機、筆記本、圖像獲取和前置處理單元組成的。但是在現場檢測過程中并不需要適用筆記本。因為在現場檢測后，可以再將裝置接入到筆記本，從而借助筆記本上的軟件進行數據交換、分析、比較、查詢、出具并打印報告。

1.2.2硬件組成

該系統硬件包括測試平臺硬件、PXI機箱、控制器及采集卡、聲音傳感器、三維振動傳感器、電流傳感器、高速攝像機等。

其中測試平臺硬件的作用是滿足多個數據采集模塊的插入需求，進而有效滿足現場便攜、可靠、便于擴展的要求;PXI機箱選用的是美國PXIe-1062Q型的8槽機箱，可有效滿足高處理應用軟件的需求。采集卡的主要功能是進行信號處理，完成聲音測量、分數倍頻程分析、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聽器，不僅內部具有AGC自動增益控制電路增強遠距離聲波，而且采用了先進語音集成電路，并配合動態降噪處理設計。這種型式的聲音傳感器具有靈敏度高、傳輸距離遠等優勢。三維振動傳感器采用的是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等優點。電流傳感器采用的是0.2級霍爾電流傳感器以及符合UL94-V0標準的外殼。高速攝像機采用的是德國MotionBLITZ高速相機，具有分辨率高，成像質量好，使用穩定等優點。并且支持ROI功能，可以進一步提高幀頻，開窗模式下幀率達到5000幀/s，尤其是采用了GigEVision接口[2]。

2技術原理

就目前來看，我國對于斷路器的監測主要是采用比較測量信號、原始信號的方法。但是應用這種方法只能確定斷路器機構可能出現了故障，無法準確確定是否發生了故障以及故障原因、位置。本文提出的在線監測原理主要是通過獲得分、合閘運動過程中動觸頭的每一時刻的位置信息以及其它信息，并結合動觸頭參數獲得有關動觸頭的運動位移及時間特性之間的關系曲線，之后就可以結合出廠時的斷路器參數信息，判斷斷路器是否處于正常運行狀態。比如斷路器動觸頭的平均速度、分速度等。但是若想對分、合閘運動過程中動觸頭的每一時刻的位置信息以及其它信息進行采集，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觸頭的行程、速度測試結果、合分閘時間、位移速度參數等。但是這種裝置不易安裝。其中光電傳感器的作用是獲得動觸頭行程、時間特性曲線[3]。

基于以上考慮，為了獲得可靠的斷路器動觸頭運動位移、時間曲線，文章先是設計了整套斷路器狀態監測系統，而后設計了比較可靠的算法，以便能結合實際斷路器實際參數獲得動觸頭合分閘、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，測試系統則選用了ARM芯片。其中DSP芯片的作用是進行圖像采集、編解碼、圖像定標和處理、數據傳輸。在具體應用了則配置了DSP+FPGA構成的圖像采集卡。DSP部分主要是進行圖像數據處理、與上位機的通信控制。FPGA主要負責控制圖像信息的采集及存儲、對線陣相機各項參數。ARM芯片具有數據分析、存儲、交換功能，且具有DSP部件高速數據接口。

2.2控制算法原理

該裝置應用的是高速成像傳感器，主要分析對象就是線陣CCD采集的圖像。然而光圈、變焦、對焦等對成像質量有所影響。所以，設計了光圈控制算法、變焦控制算法、對焦控制算法。這樣就可按照圖像算法評估、得到評估結果、輸出控制指令、解碼器控制電機轉動、相機采集圖像的算法評估、結果達到最佳。同時，提前將CCD采用行頻設置為了10K，以確保曝光時間為定值，并將相機數字、模擬增益調到最大。后續若有必要還可通過配套軟件進行參數設置、功能編程，確保其得到能最佳的數據結果。

2.2.1對焦算法設計

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。在對焦方面，可采用梯度函數算子、邊緣檢測算子兩種方法將模糊的圖像轉變為清晰的圖像。在應用梯度函數為主的對焦算法，還需結合聚焦評價函數進行設計、應用。在能量梯度函數為例，可使用相鄰的點的差分值計算一個點的梯度強度，具體可按照以下公式（1）進行計算。而基于邊緣檢測算子的對焦算法主要是依據圖像邊緣過渡帶的寬窄進行判定圖像是否清楚、邊界是否清晰、過渡帶是否狹窄。顯然，這遠比判斷圖像上大部分的點更方便。

結合該裝置特性選擇了以下對焦算法：以梯度函數為主的對焦算法實現主要是依靠公式（1）、（2），在這兩個函數中得到最大的函數值對應的輸入圖像就為最清晰的圖像。以邊緣檢測為主的對焦算法實現流程為：確定目標物位置、輸入一組圖像，而后計算邊緣過渡帶寬度，得到最小過渡帶寬度值對應的圖像為最清晰的圖像。

2.2.2變焦算法設計

通過變焦可以拍攝到距離更遠的物體，并進行放大。該系統的變焦機制主要包括粗變焦、細變焦兩種。其中粗變焦的目的是確保視場內的條紋數至少有五個。細變焦的目的是保證目標條紋能平鋪在整個視場中。

2.2.3光圈算法設計

由于相機數字、模擬增益已經被調到最大，所以光圈要盡可能地小。當光圈越小，景深越大時，圖像亮度會越合適。這樣就能適應工業環境。具體來說是根據平均灰度值了解光圈的大小，并通過調整光圈使平均灰度值達到最佳。這時光圈值也最為合適[4]。

3裝置優勢

該裝置具有以下優勢：第一，靈活性強。該便攜式高壓斷路器監測裝置即可離線測量，也在供電狀態下進行在線監測，且體積有限，可適用于不同場所。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。該裝置既可以對控制回路、機械系統等進行檢測，也可以對機械形成、開合時間進行檢測，從而方便使用人員對機械系統、線圈電壽命進行診斷。第四，能有效杜絕傳感器帶來的影響，保證檢測的可靠性。尤其是可以進行無接觸檢測，非常便捷。由此可見，該裝置更具有應用前景，值得推廣。

綜上所述，本文所描述的便攜式高壓斷路器檢測裝置更具有應用優勢，可以有效彌補現下在線監測技術的不足，適應更加復雜、多變的工作環境。尤其是可以為我國高壓斷路器檢測裝置的研究提供思路。

參考文獻

[1] 余恒，李亞洲.發電機-變壓器組高壓斷路器單相運行故障及措施研究[J].中國高新科技，2020（4）：26-28.

[2] 魯周勛.高壓斷路器機械特性在線監測關鍵技術研究[J].通信電源技術，2020，37（2）：58-60.

[3] 黎小龍，王俊波，黃育龍，等.基于數據挖掘的高壓斷路器機械特性監測系統設計[J].機電信息，2019（35）：144-147+149.

[4] 孫濤，李根，朱輝.高壓斷路器機械特性試驗要點探析[J].技術與市場，2019，26（11）：117+119.