真空開關(guān)觸頭動(dòng)態(tài)位置檢測(cè)研究

　　真空開關(guān)電弧形態(tài)及其變化規(guī)律對(duì)真空開關(guān)開斷性能有著重要影響，而觸頭動(dòng)態(tài)開距大小是影響電弧形態(tài)變化重要因素，如何準(zhǔn)確檢測(cè)觸頭動(dòng)態(tài)位置從而計(jì)算觸頭動(dòng)態(tài)開距具有重要的意義。真空開關(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(cè)。本文提出了一種新的真空開關(guān)電弧圖像觸頭位置檢測(cè)算法，該算法將數(shù)字圖像處理技術(shù)運(yùn)用到真空開關(guān)電弧圖像分析中，在二值化電弧圖像中分別檢測(cè)電弧的上、下邊緣，最后將檢測(cè)到的上、下邊緣進(jìn)行直線擬合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)、靜觸頭在圖像中位置的高精度檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 本算法能夠有效地檢測(cè)出電弧圖像的上、下邊緣，并通過計(jì)算得到電弧圖像中靜觸頭及動(dòng)觸頭的位置。

　　隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，工業(yè)和農(nóng)業(yè)用電需求日益增強(qiáng)，使得我國(guó)的電網(wǎng)規(guī)模愈加龐大，電壓等級(jí)逐步提高，隨之對(duì)電力系統(tǒng)的控制和保護(hù)設(shè)備也提出了更高的要求。真空開關(guān)是電力系統(tǒng)的重要控制和保護(hù)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、可靠性的提高及使用壽命的延長(zhǎng)等方面研究成了學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。而這些熱點(diǎn)問題中，功能的可靠性的關(guān)鍵問題在于如何調(diào)控電弧的熄滅使得真空開關(guān)能夠有效通斷；使用壽命方面的一個(gè)重要問題是如何防止電弧集聚對(duì)觸頭表面造成破壞；因此真空開關(guān)電弧形態(tài)特性的研究成了關(guān)鍵問題。目前，真空開關(guān)電弧形態(tài)的研究大部分是基于高速攝像機(jī)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(jī)CMOS 及CCD 技術(shù)的不斷進(jìn)步，為電弧形態(tài)研究打下堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)，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。

　　真空開關(guān)電弧燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，真空開關(guān)的電參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、磁參數(shù)等都將對(duì)電弧形態(tài)產(chǎn)生影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)真空開關(guān)的電參數(shù)( 例如電壓電流) 、磁參數(shù)( 觸頭的縱磁場(chǎng))對(duì)電弧形態(tài)影響方面做了較為深入的研究，但在機(jī)械參數(shù)對(duì)電弧形態(tài)的研究方面還很欠缺。國(guó)內(nèi)王立軍從仿真及實(shí)驗(yàn)的角度分別研究了電極間距對(duì)電弧形態(tài)的影響； 姜生從觸頭的靜態(tài)開距、動(dòng)態(tài)開距等幾個(gè)角度分析了真空開關(guān)的機(jī)械特性，而姜生也提到利用傳感器所測(cè)量的觸頭動(dòng)態(tài)開距有較大誤差，對(duì)于精確分析電弧特性是不利的。國(guó)外Schulman M B 等提出分閘過程中，隨著觸頭位置變化電弧形態(tài)會(huì)由集聚型轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型，集聚型電弧會(huì)導(dǎo)致觸頭的燒蝕，因此希望分閘過程中盡快達(dá)到擴(kuò)散型電弧開距避免集聚型電弧。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為如何在電弧圖像中識(shí)別動(dòng)觸頭位置、計(jì)算觸頭動(dòng)態(tài)開距，實(shí)現(xiàn)觸頭動(dòng)態(tài)開距與電弧形態(tài)的數(shù)量化分析是有意義的。算法開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像目標(biāo)檢測(cè)算法無(wú)法用于電弧圖像中觸頭位置的檢測(cè)。

　　本文基于真空開關(guān)電弧燃燒序列圖像，檢測(cè)電弧的上、下邊緣，并對(duì)邊緣檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行直線擬合計(jì)算出動(dòng)、靜觸頭的位置，為后續(xù)觸頭開距對(duì)電弧形態(tài)影響的研究打下基礎(chǔ)。

目標(biāo)檢測(cè)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(yù)處理、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分類以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位等。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)處于圖像處理的最底層，是后續(xù)各種高級(jí)處理如目標(biāo)分類、行為理解等的基礎(chǔ)。目前的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)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(duì)日常的圖像，真空開關(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；電弧燃燒過程中會(huì)出現(xiàn)液滴噴濺，使得觸頭圖像區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)電弧影像； 電弧的形狀變化莫測(cè)沒有規(guī)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(jī)的分辨率�；�于上述說法，由于觸頭位置灰度值較低，無(wú)法將背景與觸頭目標(biāo)分割，同時(shí)灰度值劇烈變化使得無(wú)法在幀間對(duì)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(cè)。

　　綜上所述，由于電弧圖像的特殊性，運(yùn)用現(xiàn)有的目標(biāo)檢測(cè)算法無(wú)法從電弧圖像中直接檢測(cè)觸頭位置。分析電弧圖像發(fā)現(xiàn)，電弧圖像的上、下邊緣分別為靜觸頭和動(dòng)觸頭的位置，從而可以通過檢測(cè)電弧上、下邊緣的方法檢測(cè)觸頭位置，避免了直接從圖像中檢測(cè)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(jié)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(cè)動(dòng)、靜觸頭位置。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：

　　(1) 在真空開關(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，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(cè)，使得觸頭邊緣圖像受到高亮度電弧的影響而不再是直線。第二、觸頭片局部受到電弧的燒蝕作用而出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，也使得電弧圖像中電弧的下邊緣并非直線。

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

　　(4) 在真空開關(guān)電弧序列圖像中，因?yàn)殪o觸頭是靜止的，只需檢測(cè)一次電弧上邊緣的位置即檢測(cè)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(cè)電弧下邊緣的位置，就實(shí)現(xiàn)了序列圖像中動(dòng)觸頭位置的跟蹤。