高压断路器操动机构性能非接触式检测技术的研究

龙安州 罗林

摘 要：为了及时发现高压断路器故障，保证电力系统的正常运行，文章对高压断路器操动机构性能非接触式检测技术进行了研究。首先，文章对高压断路器操动机构进行了分析，并指出了操动机构应当满足的使用要求。然后，结合实际分析了有关高压断路器操动机构性能检测技术的现状，表明了传统检测技术已然无法满足智能电力设备高精度、高集成的发展形势，需充分利用各种先进技术继续研究高压断路器操动机构性能检测技术。最后，文章提出了一种基于高速CCD成像的非接触式检测技术，并针对该技术进行了分析、研究，得出了该非接触式检测技术具有以往检测技术不具有的优势，且具有推广性的结论。

关键词：高压断路器;操动机构性能;非接触式;检测技术

中图分类号：TM561 文献标识码：A

高压断路器是电力系统的重要保护装置，其正常运行对电力系统的安全性、稳定性、可靠性影响非常大。尤其是当其发生故障后，还有可能引发安全事故，导致工作人员的生命安全无法得以保证。所以，电力企业要重视高压断路器操动机构性能的检测，并灵活采用各种先进的检测技术，保证检测结果的准确性，从而有效保证高壓断路器的正常运行。

1 高压断路器操动机构简述

高压断路器也可称为高压开关。当电力系统发生故障后，继电保护器会切断电路负荷、短路电流。可以说，高压断路器是保护基础电力系统的关键设备。一般情况下，高压断路器操动系统主要包括操动机构、传动系统、缓冲装置。其结构简图如图1所示。

从图1可以看出操动机构是独立于高压断路器本体外的机械操动装置，通过控制该操作装置就可以操作高压断路器。其主要作用是将其他能量转换为机械能，确保高压断路器的准确性。具体来说，是通过操动机构直接实现高压断路器触头的分、合。由此可见，操动机构对高压断路器使用性能、运行质量的影响极大。结合电力系统运行需求来看，操作机构应当满足要求：①保证合闸速度能满足实际需求;②维持高压断路器在合闸位置，确保其不会出现误动作问题;③可防跳跃;④能保证分合动作的精准、连续;⑤运行稳定、可靠性高，能确保断路器的正常运行[1]。

2 高压断路器操动机构故障研究现状

从实际来看，在高压断路器故障中操动机构故障占大多数，且大多数表现为拒动、误动、慢分、三相不同期故障，这些故障严重影响操动机构性能，尤其影响高压断路器的正常运行。所以，国内许多专家学者仍在研究断路器内部故障。然而由于各种因素的影响，目前尚不能清楚地认识到断路器内部故障及其外在特征之间的规律，且对操动机构异常与操作中的机械运动特性的研究也不够深入。从根本上来说，主要就是因为测试技术、方法的落后，仍无法对操动机构特征变化进行深入研究。而现如今，智能电网建设发展越来越快，电力系统对断路器可靠性、稳定性的要求也越来越高。若是仍无法对操动机构运动特性进行分析，研究出更加先进、完善的故障识别方法，就会导致断路器安全性、可靠性无法保证，进而影响电力系统的正常运行[2]。

以往多是通过测试来确定操动机构性能是否正常，符合要求。如光线示波器法、光栅法、磁致伸缩位移传感器、滑线电阻法、加速度法等。无论是应用哪一种方法，都需要安装传统感。然而，随着电力行业的发展，电力设备精度的不断提升，能安装传感器的空间越来越小，以致于传统的测试方法无法再发挥出应有的作用。另外，国外还研究出高压开关测试仪。如瑞典保伽玛PROGRAMMA和德国威尔斯SA100型等，国内并无类似的测试仪器。所以，在智能技术、物联网、云计算等技术不断发展的背景下，我们应深入研究无接触式的检测技术，以解决传统检测方法的不足，确保操动机构的正常使用。只有这样，才能突破操动机构性能检测技术的发展瓶颈，取得更新的研究成果。

3 基于高速CCD成像的一种非接触式检测技术研究

3.1 研究内容

基于高速CCD成像的非接触式检测技术研究内容是从高压开关机械特性试验中的形成参数、速度测试参数入手，结合高速CCD成像技术研究非接触式测试系统。

具体来说，其研究内容可分为以下几个部分：第一，高速CCD成像装置类型选择。考虑到操动机构的机械特性，需保证高速CCD成像装置的成像速度快，且小巧、性价比高。只有从性比价入手，才能降低检测装置的成本投入，保证电力系统运行的经济效益。第二，图像处理、传输。若想分析其机械特性，势必要借助高速CCD成像装置，高速成图、快速处理及传输。只有这样，才能对图像反应出的信息进行判断。第三，图像位移标定。这是决定该检测技术应用准确度的关键，要进行重点研究。第四，测试装置。这是非接触式检测技术的主要载体，应高度重视。依据操动机构特性，测试装置应当具有较高的数据接收、处理、分析能力，且应具有数据存储、查询、比较及报告自动生成和打印功能[3]。

3.2 研究方法

为了深入研究高压断路器操动机构运动特性及其外在故障之间的规律，设计出非接触式检测系统，文章从高压卡关的机械特性试验入手进行了研究。具体研究步骤：第一，收集相关资料，形成初步的检测方案。第二，选择了DSP芯片、ARM芯片、线阵CCD，采集卡、解码器等硬件设备，同时设计与实现了控制算法、处理算法。例如，设计自动对焦、自动变焦、自动光圈算法，确保系统可以得到高对比度的图像;针对运动图像的特点，设计运动图像提取和运动图像位置提取算法，最终获得高压断路器机械特性的测量数据。第三，在测试装置搭建设完成时，编制上位机软件，实现数据的储存、分析、比较及报告生成、打印。

3.3 具体测试

具体测试对象是高压断路器中可视化的动杆及其运动状态。通过跟踪、观察动杆的运动速度、位置，得到相应的位移、时间曲线。之后，就可以根据曲线图对其运动特性进行分析。同时，为了真正实现无接触，还应用了非接触式的高速成像传感器。这种非接触式传感器并不需要专门的安装空间，只需要能将目标条纹贴在动杆表面即可，既方便又快捷。

非接触式的高速成像传感器包括线阵CCD、采集卡、解码器、目标条纹等部分。其具体测试原理是：将目标条纹粘于动杆之上，并使高速成像传感器垂直于连杆方向。在高压断路器合闸、分闸之时，联动杆会随着目标条纹一起运动。同时，高速成像传感器会对运动过程进行高速拍照，待运动完毕后，高速成像传感器会对照片进行分析、处理，从而得到目标条纹运动的行程及速度4]。另外，从中能够看出确保检测结果准确性的关键是高速成像的图片要足够清晰，且能捕捉到运动起始点、终点，这就需要用到各种算法来达到这一目的。接下来，再依次运用自动對焦、自动变焦、自动光圈等算法进行对比、分析，就可以明确如何继续优化该测试装置，保证该检测技术可以得到推广。

3.4 算法结果分析

第一，对焦算法。其测试图像数据来源于目标条纹前方任意位置的测量系统观测目标物并成像后的图像，而后对焦、调整后，进行了梯度函数、边缘检测。结果显示，边缘检测更具有优势，也更适用于复杂的工业环境，保证图像的清晰。第二，变焦算法。主要分为粗变焦、细变焦两种。经过对比、分析发现，通过应用这两种变焦算法都可以得到需要的图像。第三，光圈算法。通过控制光圈，可以使采集到的图像亮度适中，从而满足工业生产的需求。同时，经过测试得出了最佳的控制机制，即平均灰度值大于等于115即可，距离目标条纹120 cm处时，系统可以更好地满足工业环境需求。第四，数据处理算法。在正式测量前，需提前设置好各项参数，而后通过对焦、变焦、光圈控制得到质量更好的图像。运用数据处理算法对图像上的信息进行提取、处理，对其特征信号进行跟踪、处理，从而得到所需数据。

3.5 创新之处

相比于传统的检测方法来说，这种从操动机构运动特性入手进行非接触式测量的技术，不仅数据可靠，且适用性更加广泛。因为目标条纹相比于传统器更加方便，且不需要太大的空间，易安装、易使用，能够适应更加复杂、多变的工业生产环境，及时了解操动机构性能。最重要的是工作量小，可有效提高检测效率，结果准确，不会带来检测结果误差，造成比较严重的安全事故。

4 结语

综上所述，从电力行业发展现状来看，非接触式检测技术更符合时代特征，也更能满足高精度、高集成高压断路器操动机构的检测需求。文章提出的基于高速CCD成像的非接触式检测技术正可以弥补以往检测技术的不足，适应社会发展。

参考文献

[1] 闫站正，周华.高压断路器操动机构性能非接触检测技术的研究[J].通信电源技术，2019，37（3）：38-39.

[2] 郭震.高压断路器工作原理及故障分析[J].中国新技术新产品，2019（21）：52-53.

[3] 罗琦，杨林，韩莹，史凯.高压断路器故障诊断的一种多极新方法探究[J].高压电器，2019，55（5）：82-87，93.

[4] 王磊.高压断路器故障预测方法的研究[D].重庆：重庆理工大学，2019.