真空开关触头动态位置检测研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连交通大学机械工程学院 作者:董华军

  真空开关电弧形态及其变化规律对真空开关开断性能有着重要影响,而触头动态开距大小是影响电弧形态变化重要因素,如何准确检测触头动态位置从而计算触头动态开距具有重要的意义。真空开关电弧图像灰度分布不均,燃烧的电弧灰度值高、触头灰度值低,并且电弧燃烧形态剧烈变化等因素制约了电弧图像中触头位置的精确检测。本文提出了一种新的真空开关电弧图像触头位置检测算法,该算法将数字图像处理技术运用到真空开关电弧图像分析中,在二值化电弧图像中分别检测电弧的上、下边缘,最后将检测到的上、下边缘进行直线拟合,实现了动、静触头在图像中位置的高精度检测。实验结果表明: 本算法能够有效地检测出电弧图像的上、下边缘,并通过计算得到电弧图像中静触头及动触头的位置。

  随着国家经济迅速发展,工业和农业用电需求日益增强,使得我国的电网规模愈加庞大,电压等级逐步提高,随之对电力系统的控制和保护设备也提出了更高的要求。真空开关是电力系统的重要控制和保护设备,其结构设计的优化、可靠性的提高及使用寿命的延长等方面研究成了学者们关注的热点。而这些热点问题中,功能的可靠性的关键问题在于如何调控电弧的熄灭使得真空开关能够有效通断;使用寿命方面的一个重要问题是如何防止电弧集聚对触头表面造成破坏;因此真空开关电弧形态特性的研究成了关键问题。目前,真空开关电弧形态的研究大部分是基于高速摄像机CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 或CCD(Charge Coupled Devices)拍摄下电弧燃烧的序列图像,再利用图像处理技术从序列图像中提取关键信息的方案。高速摄像机CMOS 及CCD 技术的不断进步,为电弧形态研究打下坚实的硬件基础,也使得基于电弧图像的电弧形态研究成了热点并且取得了丰硕研究成果。

  真空开关电弧燃烧是一个复杂的物理过程,真空开关的电参数、机械参数、磁参数等都将对电弧形态产生影响。目前国内外学者们针对真空开关的电参数( 例如电压电流) 、磁参数( 触头的纵磁场)对电弧形态影响方面做了较为深入的研究,但在机械参数对电弧形态的研究方面还很欠缺。国内王立军从仿真及实验的角度分别研究了电极间距对电弧形态的影响; 姜生从触头的静态开距、动态开距等几个角度分析了真空开关的机械特性,而姜生也提到利用传感器所测量的触头动态开距有较大误差,对于精确分析电弧特性是不利的。国外Schulman M B 等提出分闸过程中,随着触头位置变化电弧形态会由集聚型转变为扩散型,集聚型电弧会导致触头的烧蚀,因此希望分闸过程中尽快达到扩散型电弧开距避免集聚型电弧。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为如何在电弧图像中识别动触头位置、计算触头动态开距,实现触头动态开距与电弧形态的数量化分析是有意义的。算法开发过程中发现,传统的数字图像目标检测算法无法用于电弧图像中触头位置的检测。

  本文基于真空开关电弧燃烧序列图像,检测电弧的上、下边缘,并对边缘检测结果进行直线拟合计算出动、静触头的位置,为后续触头开距对电弧形态影响的研究打下基础。

目标检测算法

  图像处理的分析技术主要包括以下几个方面:图像预处理、运动目标自动检测、运动目标跟踪、运动目标分类以及运动目标定位等。运动目标检测处于图像处理的最底层,是后续各种高级处理如目标分类、行为理解等的基础。目前的运动目标检测算法主要有:光流法、帧间差分法、背景差分法、模板匹配法和特征提取法。相对日常的图像,真空开关电弧如图1,燃烧时具有如下特点:电弧图像灰度分布不均匀,电弧部分灰度值大、亮度高,而其它部分灰度值小亮度低,并且随着电弧燃烧形态的变化同一像素点帧间灰度值也会发生剧烈变化;电弧燃烧过程中会出现液滴喷溅,使得触头图像区域也会出现电弧影像; 电弧的形状变化莫测没有规律性,特征角点不清晰,且很难在帧间完成特征点的匹配;电弧图像的质量很大程度上取决于高速拍摄相机的分辨率。基于上述说法,由于触头位置灰度值较低,无法将背景与触头目标分割,同时灰度值剧烈变化使得无法在帧间对触头特征进行匹配或是进行触头的模板匹配,在拍摄硬件分辨率低的情况下也无法进行触头的特征检测。

  综上所述,由于电弧图像的特殊性,运用现有的目标检测算法无法从电弧图像中直接检测触头位置。分析电弧图像发现,电弧图像的上、下边缘分别为静触头和动触头的位置,从而可以通过检测电弧上、下边缘的方法检测触头位置,避免了直接从图像中检测触头位置的难题。

真空开关触头动态位置检测研究

图1 彩色电弧图像  图2 电弧二值化图像

结论

  利用本文算法处理电弧图像,分别在单帧电弧图像和序列电弧图像中检测动、静触头位置。经过多次实验检测发现:

  (1) 在真空开关电弧图像中,电弧上下边缘的位置即分别为静触头、动触头的位置。

  (2) 电弧上、下两条边缘并非理想中的直线,其原因主要有两个:第一、剧烈燃烧的电弧飞溅到两触头间隙的外侧,使得触头边缘图像受到高亮度电弧的影响而不再是直线。第二、触头片局部受到电弧的烧蚀作用而出现熔融现象,也使得电弧图像中电弧的下边缘并非直线。

  (3) 利用直线拟合的方法,可将所检测到的上、下边缘拟合为直线,拟合后直线的位置能更准确地标示触头的位置。

  (4) 在真空开关电弧序列图像中,因为静触头是静止的,只需检测一次电弧上边缘的位置即检测出了静触头的位置。在每帧图像或选取的序列图像中分别检测电弧下边缘的位置,就实现了序列图像中动触头位置的跟踪。

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