真空開(kāi)關(guān)觸頭動(dòng)態(tài)位置檢測研究

　　真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)及其變化規律對真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷性能有著(zhù)重要影響，而觸頭動(dòng)態(tài)開(kāi)距大小是影響電弧形態(tài)變化重要因素，如何準確檢測觸頭動(dòng)態(tài)位置從而計算觸頭動(dòng)態(tài)開(kāi)距具有重要的意義。真空開(kāi)關(guān)電弧圖像灰度分布不均，燃燒的電弧灰度值高、觸頭灰度值低，并且電弧燃燒形態(tài)劇烈變化等因素制約了電弧圖像中觸頭位置的精確檢測。本文提出了一種新的真空開(kāi)關(guān)電弧圖像觸頭位置檢測算法，該算法將數字圖像處理技術(shù)運用到真空開(kāi)關(guān)電弧圖像分析中，在二值化電弧圖像中分別檢測電弧的上、下邊緣，最后將檢測到的上、下邊緣進(jìn)行直線(xiàn)擬合，實(shí)現了動(dòng)、靜觸頭在圖像中位置的高精度檢測。實(shí)驗結果表明： 本算法能夠有效地檢測出電弧圖像的上、下邊緣，并通過(guò)計算得到電弧圖像中靜觸頭及動(dòng)觸頭的位置。

　　隨著(zhù)國家經(jīng)濟迅速發(fā)展，工業(yè)和農業(yè)用電需求日益增強，使得我國的電網(wǎng)規模愈加龐大，電壓等級逐步提高，隨之對電力系統的控制和保護設備也提出了更高的要求。真空開(kāi)關(guān)是電力系統的重要控制和保護設備，其結構設計的優(yōu)化、可靠性的提高及使用壽命的延長(cháng)等方面研究成了學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。而這些熱點(diǎn)問(wèn)題中，功能的可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何調控電弧的熄滅使得真空開(kāi)關(guān)能夠有效通斷；使用壽命方面的一個(gè)重要問(wèn)題是如何防止電弧集聚對觸頭表面造成破壞；因此真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)特性的研究成了關(guān)鍵問(wèn)題。目前，真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)的研究大部分是基于高速攝像機CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 或CCD(Charge Coupled Devices)拍攝下電弧燃燒的序列圖像，再利用圖像處理技術(shù)從序列圖像中提取關(guān)鍵信息的方案。高速攝像機CMOS 及CCD 技術(shù)的不斷進(jìn)步，為電弧形態(tài)研究打下堅實(shí)的硬件基礎，也使得基于電弧圖像的電弧形態(tài)研究成了熱點(diǎn)并且取得了豐碩研究成果。

　　真空開(kāi)關(guān)電弧燃燒是一個(gè)復雜的物理過(guò)程，真空開(kāi)關(guān)的電參數、機械參數、磁參數等都將對電弧形態(tài)產(chǎn)生影響。目前國內外學(xué)者們針對真空開(kāi)關(guān)的電參數( 例如電壓電流) 、磁參數( 觸頭的縱磁場(chǎng))對電弧形態(tài)影響方面做了較為深入的研究，但在機械參數對電弧形態(tài)的研究方面還很欠缺。國內王立軍從仿真及實(shí)驗的角度分別研究了電極間距對電弧形態(tài)的影響； 姜生從觸頭的靜態(tài)開(kāi)距、動(dòng)態(tài)開(kāi)距等幾個(gè)角度分析了真空開(kāi)關(guān)的機械特性，而姜生也提到利用傳感器所測量的觸頭動(dòng)態(tài)開(kāi)距有較大誤差，對于精確分析電弧特性是不利的。國外Schulman M B 等提出分閘過(guò)程中，隨著(zhù)觸頭位置變化電弧形態(tài)會(huì )由集聚型轉變?yōu)閿U散型，集聚型電弧會(huì )導致觸頭的燒蝕，因此希望分閘過(guò)程中盡快達到擴散型電弧開(kāi)距避免集聚型電弧。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為如何在電弧圖像中識別動(dòng)觸頭位置、計算觸頭動(dòng)態(tài)開(kāi)距，實(shí)現觸頭動(dòng)態(tài)開(kāi)距與電弧形態(tài)的數量化分析是有意義的。算法開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現，傳統的數字圖像目標檢測算法無(wú)法用于電弧圖像中觸頭位置的檢測。

　　本文基于真空開(kāi)關(guān)電弧燃燒序列圖像，檢測電弧的上、下邊緣，并對邊緣檢測結果進(jìn)行直線(xiàn)擬合計算出動(dòng)、靜觸頭的位置，為后續觸頭開(kāi)距對電弧形態(tài)影響的研究打下基礎。

目標檢測算法

　　圖像處理的分析技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：圖像預處理、運動(dòng)目標自動(dòng)檢測、運動(dòng)目標跟蹤、運動(dòng)目標分類(lèi)以及運動(dòng)目標定位等。運動(dòng)目標檢測處于圖像處理的最底層，是后續各種高級處理如目標分類(lèi)、行為理解等的基礎。目前的運動(dòng)目標檢測算法主要有：光流法、幀間差分法、背景差分法、模板匹配法和特征提取法。相對日常的圖像，真空開(kāi)關(guān)電弧如圖1，燃燒時(shí)具有如下特點(diǎn)：電弧圖像灰度分布不均勻，電弧部分灰度值大、亮度高，而其它部分灰度值小亮度低，并且隨著(zhù)電弧燃燒形態(tài)的變化同一像素點(diǎn)幀間灰度值也會(huì )發(fā)生劇烈變化；電弧燃燒過(guò)程中會(huì )出現液滴噴濺，使得觸頭圖像區域也會(huì )出現電弧影像； 電弧的形狀變化莫測沒(méi)有規律性，特征角點(diǎn)不清晰，且很難在幀間完成特征點(diǎn)的匹配；電弧圖像的質(zhì)量很大程度上取決于高速拍攝相機的分辨率�；�于上述說(shuō)法，由于觸頭位置灰度值較低，無(wú)法將背景與觸頭目標分割，同時(shí)灰度值劇烈變化使得無(wú)法在幀間對觸頭特征進(jìn)行匹配或是進(jìn)行觸頭的模板匹配，在拍攝硬件分辨率低的情況下也無(wú)法進(jìn)行觸頭的特征檢測。

　　綜上所述，由于電弧圖像的特殊性，運用現有的目標檢測算法無(wú)法從電弧圖像中直接檢測觸頭位置。分析電弧圖像發(fā)現，電弧圖像的上、下邊緣分別為靜觸頭和動(dòng)觸頭的位置，從而可以通過(guò)檢測電弧上、下邊緣的方法檢測觸頭位置，避免了直接從圖像中檢測觸頭位置的難題。

圖1 彩色電弧圖像　　圖2 電弧二值化圖像

結論

　　利用本文算法處理電弧圖像，分別在單幀電弧圖像和序列電弧圖像中檢測動(dòng)、靜觸頭位置。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗檢測發(fā)現：

　　(1) 在真空開(kāi)關(guān)電弧圖像中，電弧上下邊緣的位置即分別為靜觸頭、動(dòng)觸頭的位置。

　　(2) 電弧上、下兩條邊緣并非理想中的直線(xiàn)，其原因主要有兩個(gè)：第一、劇烈燃燒的電弧飛濺到兩觸頭間隙的外側，使得觸頭邊緣圖像受到高亮度電弧的影響而不再是直線(xiàn)。第二、觸頭片局部受到電弧的燒蝕作用而出現熔融現象，也使得電弧圖像中電弧的下邊緣并非直線(xiàn)。

　　(3) 利用直線(xiàn)擬合的方法，可將所檢測到的上、下邊緣擬合為直線(xiàn)，擬合后直線(xiàn)的位置能更準確地標示觸頭的位置。

　　(4) 在真空開(kāi)關(guān)電弧序列圖像中，因為靜觸頭是靜止的，只需檢測一次電弧上邊緣的位置即檢測出了靜觸頭的位置。在每幀圖像或選取的序列圖像中分別檢測電弧下邊緣的位置，就實(shí)現了序列圖像中動(dòng)觸頭位置的跟蹤。