一种改进型的便携式高压断路器状态监测装置

龙安州　杨秀洪

摘 要：我国高压断路器在线检测技术的研究起步较晚，尤其是便携式在线检测装置的研究也并不深入，无法满足不同用户的使用需求，严重影响到了我国电力行业的发展。为了突破这一发展困境，文章在原在线监测技术之上提出了一种可离线或在线测试的便携式断路器状态监测装置。文章先是分析了该监测装置的系统架构及组成，然后分析了该装置的技术原理，最后简单阐述了该装置优势。

关键词：便携式;高压断路器;状态监测装置

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0158-02

高压断路器是一种被广泛应用于电力系统，能实现过载、短路等故障保护的电力设备。随着我国电力行业的发展，断路器检测技术也得到了迅速发展。尤其是在线检测技术也得到了迅速发展。然而由于我国断路器检测技术起步较晚，在线检测技术仍具有不够灵活、安装位置固定的缺陷，不能适应更多的使用环境，保证电力系统的稳定性、可靠性。对此，国内外学者都展开了研究。其中清华大学、中能电力科技开发有限公司等单位也开展了综合性断路器状态监测装置，也积累了比较多的研究经验。尤其是中能电力科技开发有限公司开发了TF50型断路器状态监测仪，能够对断路器的电寿命、绝缘状态、控制回路、储能机构等参数或部件进行全面的在线检测与分析。但从实际来看，有关便携式断路器状态监侧装置的研究仍不够深入。只有Kelman公司推出了ProfileP2型断路器分析仪产品。然而Kelman公司生产的ProfileP2型断路器分析仪价格昂贵，寻求研制性价比高的国产化便携式断路器状态监测仪，能够完全替代ProfileP2型断路器分析仪，无疑具有非常广阔的市场前景。

1装置系统架构、组成

1.1系统架构

该检测装置的系统架构如图1所示，主要包括电流变换器、电压变换器、电荷型传感器、CCD摄像机、计算机等。运用该系统可以通过采集分、合闸线圈电流变化、储能、操动过程等特征信号，分析断路器机械特性，进而构建集声、电、图等于一体的测试与故障识别系统，从而及时反映断路器的运行状态及故障表现，确保工作人员可以根据实际情况采取有效的应对措施，保证电力系统的稳定、可靠[1]。

1.2系统组成

该测试与故障识别系统主要是由软件、硬件组成。其中软件系统能够分析、处理声音、电流等信号，并进行数据处理，进而依据检测结果判定断路器是否存在故障。硬件作为主要的功能载体，也发挥着维持系统性能，保证测试与故障识别效果的作用。

1.2.1软件组成

该系统主要是由测试系统主机、笔记本、图像获取和前置处理单元组成的。但是在现场检测过程中并不需要适用笔记本。因为在现场检测后，可以再将装置接入到笔记本，从而借助笔记本上的软件进行数据交换、分析、比较、查询、出具并打印报告。

1.2.2硬件组成

该系统硬件包括测试平台硬件、PXI机箱、控制器及采集卡、声音传感器、三维振动传感器、电流传感器、高速摄像机等。

其中测试平台硬件的作用是满足多个数据采集模块的插入需求，进而有效满足现场便携、可靠、便于擴展的要求;PXI机箱选用的是美国PXIe-1062Q型的8槽机箱，可有效满足高处理应用软件的需求。采集卡的主要功能是进行信号处理，完成声音测量、分数倍频程分析、频率分析等工作。声音传感器主要采用的是高保真子弹型针孔式降噪微音监听器，不仅内部具有AGC自动增益控制电路增强远距离声波，而且采用了先进语音集成电路，并配合动态降噪处理设计。这种型式的声音传感器具有灵敏度高、传输距离远等优势。三维振动传感器采用的是KD1000系列三轴压电式加速度传感器，具有灵敏度高、横向灵敏度小和抗外界干扰能力强等优点。电流传感器采用的是0.2级霍尔电流传感器以及符合UL94-V0标准的外壳。高速摄像机采用的是德国MotionBLITZ高速相机，具有分辨率高，成像质量好，使用稳定等优点。并且支持ROI功能，可以进一步提高帧频，开窗模式下帧率达到5000帧/s，尤其是采用了GigEVision接口[2]。

2技术原理

就目前来看，我国对于断路器的监测主要是采用比较测量信号、原始信号的方法。但是应用这种方法只能确定断路器机构可能出现了故障，无法准确确定是否发生了故障以及故障原因、位置。本文提出的在线监测原理主要是通过获得分、合闸运动过程中动触头的每一时刻的位置信息以及其它信息，并结合动触头参数获得有关动触头的运动位移及时间特性之间的关系曲线，之后就可以结合出厂时的断路器参数信息，判断断路器是否处于正常运行状态。比如断路器动触头的平均速度、分速度等。但是若想对分、合闸运动过程中动触头的每一时刻的位置信息以及其它信息进行采集，就要充分利用电阻传感器、光电传感器。其中电阻传感器的作用是获得动触头的行程、速度测试结果、合分闸时间、位移速度参数等。但是这种装置不易安装。其中光电传感器的作用是获得动触头行程、时间特性曲线[3]。

基于以上考虑，为了获得可靠的断路器动触头运动位移、时间曲线，文章先是设计了整套断路器状态监测系统，而后设计了比较可靠的算法，以便能结合实际断路器实际参数获得动触头合分闸、位移、速度等信息。

2.1装置组成

图像处理部分采用的是DSP芯片，测试系统则选用了ARM芯片。其中DSP芯片的作用是进行图像采集、编解码、图像定标和处理、数据传输。在具体应用了则配置了DSP+FPGA构成的图像采集卡。DSP部分主要是进行图像数据处理、与上位机的通信控制。FPGA主要负责控制图像信息的采集及存储、对线阵相机各项参数。ARM芯片具有数据分析、存储、交换功能，且具有DSP部件高速数据接口。

2.2控制算法原理

该装置应用的是高速成像传感器，主要分析对象就是线阵CCD采集的图像。然而光圈、变焦、对焦等对成像质量有所影响。所以，设计了光圈控制算法、变焦控制算法、对焦控制算法。这样就可按照图像算法评估、得到评估结果、输出控制指令、解码器控制电机转动、相机采集图像的算法评估、结果达到最佳。同时，提前将CCD采用行频设置为了10K，以确保曝光时间为定值，并将相机数字、模拟增益调到最大。后续若有必要还可通过配套软件进行参数设置、功能编程，确保其得到能最佳的数据结果。

2.2.1对焦算法设计

清晰图像、模糊图像的便捷清晰图、过渡带宽度是相同的。前者边界足够清晰、过渡带比较窄，而后者的边界不清晰，且过渡带比较宽。在对焦方面，可采用梯度函数算子、边缘检测算子两种方法将模糊的图像转变为清晰的图像。在应用梯度函数为主的对焦算法，还需结合聚焦评价函数进行设计、应用。在能量梯度函数为例，可使用相邻的点的差分值计算一个点的梯度强度，具体可按照以下公式（1）進行计算。而基于边缘检测算子的对焦算法主要是依据图像边缘过渡带的宽窄进行判定图像是否清楚、边界是否清晰、过渡带是否狭窄。显然，这远比判断图像上大部分的点更方便。

结合该装置特性选择了以下对焦算法：以梯度函数为主的对焦算法实现主要是依靠公式（1）、（2），在这两个函数中得到最大的函数值对应的输入图像就为最清晰的图像。以边缘检测为主的对焦算法实现流程为：确定目标物位置、输入一组图像，而后计算边缘过渡带宽度，得到最小过渡带宽度值对应的图像为最清晰的图像。

2.2.2变焦算法设计

通过变焦可以拍摄到距离更远的物体，并进行放大。该系统的变焦机制主要包括粗变焦、细变焦两种。其中粗变焦的目的是确保视场内的条纹数至少有五个。细变焦的目的是保证目标条纹能平铺在整个视场中。

2.2.3光圈算法设计

由于相机数字、模拟增益已经被调到最大，所以光圈要尽可能地小。当光圈越小，景深越大时，图像亮度会越合适。这样就能适应工业环境。具体来说是根据平均灰度值了解光圈的大小，并通过调整光圈使平均灰度值达到最佳。这时光圈值也最为合适[4]。

3装置优势

该装置具有以下优势：第一，灵活性强。该便携式高压断路器监测装置即可离线测量，也在供电状态下进行在线监测，且体积有限，可适用于不同场所。第二，显示方式直观。为了方便观察，该装置还配备了液晶显示模块。第三，功能非常全面。该装置既可以对控制回路、机械系统等进行检测，也可以对机械形成、开合时间进行检测，从而方便使用人员对机械系统、线圈电寿命进行诊断。第四，能有效杜绝传感器带来的影响，保证检测的可靠性。尤其是可以进行无接触检测，非常便捷。由此可见，该装置更具有应用前景，值得推广。

综上所述，本文所描述的便携式高压断路器检测装置更具有应用优势，可以有效弥补现下在线监测技术的不足，适应更加复杂、多变的工作环境。尤其是可以为我国高压断路器检测装置的研究提供思路。

参考文献

[1] 余恒，李亚洲.发电机-变压器组高压断路器单相运行故障及措施研究[J].中国高新科技，2020（4）：26-28.

[2] 鲁周勋.高压断路器机械特性在线监测关键技术研究[J].通信电源技术，2020，37（2）：58-60.

[3] 黎小龙，王俊波，黄育龙，等.基于数据挖掘的高压断路器机械特性监测系统设计[J].机电信息，2019（35）：144-147+149.

[4] 孙涛，李根，朱辉.高压断路器机械特性试验要点探析[J].技术与市场，2019，26（11）：117+119.