高速摄像在高压断路器机械动作特性测试中的探讨

卢 斌 张国旗 肖 军 熊 云 陈和钦 王 晓 毛学锋 锋王利

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0 引言

高压断路器是电力系统设备中的关键设备，其质量、性能的好坏直接关系着电力系统的安全运行，在电网运行方式改变和故障开断时，发挥控制和保护的双重作用。断路器分、合闸的严重不同期，可能造成线路或变压器的非全相接入或切断，进而产生危害绝缘的过电压。不合格的断路器分合闸速度，则可能导致断路器在分合闸过程喷油、部件损坏、触头烧损、触头振动或停滞甚至爆炸［1］。国网电力科学研究院对高压开关事故的统计表明，80%的高压断路器故障是由机械特性不良引起的［2］。因此高压断路器的动作特性测试应该引起相关专业人士的高度重视，对于无法安装传感器的断路器，专业技术人员正在寻找一种新的测试方法，本文介绍了一种高速摄像技术在高压断路器动作特性测试的应用。

1 传统高压断路器机械特性测试方法及相关概念描述

目前电力系统内普遍采用传感器式的测试方法来测量高压断路器的合闸时间、分闸时间、合闸速度、分闸速度。随着嵌入式技术的发展，将嵌入式技术应用于高压断路器机械特性试验的电子仪器已成为高压断路器机械特性试验的主导设备。普通金属触头断路器普遍存在于电力系统当中，因此本文主要针对金属触头进行描述，普通金属触头断路器的时间测试方法如图1所示。当计算机检测到分闸或者合闸线圈上电信号时，启动计算机计算器，同时对断口信号进行扫描采样、计时，一旦扫描到断口信号状态发生改变，即停止计时。从开始计时到停止计时这段时间作为合闸或者分闸时间（即刚合、刚分时间）。合闸、分闸时间是指处于合闸（分闸）位置的断路器从接到分闸（合闸 ）指令瞬间起到所有触头分断开（合上）瞬间为止的时间间隔［3］。速度测试也是必不可少的，速度测试必须在高压断路器机构本体水平、垂直或旋转方向安装相应的速度传感器如图2、图3所示，速度测试当中最关心的是刚合（分）速度。刚合（分）速度是指：断路器合闸（分闸）过程中，动触头与静触头接触（断开）瞬间的运动速度［4］。根据《电气设备交接试验规程GB50150-2006》规程规定刚合（分）速度实测数据应符合产品技术条件规定［5］，而不同厂家的高压断路器结构不同，速度定义要求不同。现场往往由于高压断路器的结构问题而无法装设速度传感器，而无法获得高压断路器的性能参数，对高压断路器的安全存在着一定隐患。

图1 时间测试示意图

图2 速度传感器安装示意图

图3 直线传感器

2 高速摄像法检测原理

高速摄像法检测的基本原理是在高压断路器机构本体运动部件上粘贴标点，利用高速摄像机记录高压断路器的开断过程，通过检测软件提取标点在每个画面中的位置，即可获得其行程—时间特性，对其求导可获得其速度特征。从而实现高压断路器机械特性的检测［6］。对高速摄影机记录的时间及分辨率应满足一定的要求。高速像素100-S型摄像机可在每秒510帧的速度下拍摄1280×1024分辨率图片，TS3100-L型摄像机可在每秒1200帧的速度下拍摄800×600分辨率图片，提供超清晰的图片。TS3100-S型摄像机在降低分辨率的情况下，速度更可高达每秒65000帧。并配合ProAnslyst动态分析软件进行跟踪物体的位置、速度、加速度及其它物理特征，并给出分析结果。文献6给出了软件处理的具体流程，从原理上讲高速摄像机检测方法是可以测试出高压断路器的分闸（合闸）速度及时间。

3 高压断路器机械特性高速摄像法的测试现场

为了试验高速摄像法在现场使用的情况，选择某厂家的110kV高压断路器作为试验目标。分别拍摄了高压断路器的分闸、合闸视频，拍摄部位为高压断路器的垂直连杆如图4、5。通过ProAnslyst动态分析软件将合闸、分闸视频转换成序列数据，对数据进行了分析。如图5～10分别给出了高压断路器的分闸（合闸）行程曲线，分闸（合闸）速度变化曲线及速度随行程变化曲线。从图6、图9可以看出只要在高压断路器选择的粘贴标点尺寸足够准确，高压断路器的行程是完全可以通过高速摄像法检测出来。从图可视测量行程为150mm左右，符合实际情况。但是并不能获得高压断路器的准确的刚合（刚分）时间。从图7、图10提供了整个时间段的高压断路器的速度。合闸最大速度2.48m／s，分闸最大速度 5.6m／s，厂家要求分闸速度 4.8±0.5 m／s，合闸速度2.8±0.5 m／s，最大速度与厂家要求的数据相接近。图8、图11给出了高压断路器速度随行程的数据，可以观察速度最快时行程的位置。合闸速度最大的时间发生在72.4mm处，分闸速度最大133mm处，对厂家研发高压断路器提供一定的帮助。

图4 现场高速摄像测试

图5 断路器开关内部结构

图6 合闸行程曲线

图7 合闸随时间变化的速度

图8 速度随行程变化曲线

图9 分闸行程曲线

图10 分闸速度曲线

图11 速度随行程变化曲线

4 高速摄像法测试方法优缺点分析

4.1 高速摄像的优点

1）高便携式TS3型外形小巧，电池供电，内置大液晶显示屏，触屏幕式中文菜单操作，能将传统的高速数字成像仪的强大功能，轻松掌握在手掌中，TS3型高速摄像机真正的一体化便携式相机。

2）提供一种非接触式的测试方式，避免复杂的安装过程。

3）能够提供断路器的合闸（分闸）整个过程速度分析过程及影像过程。

4.2 高速摄像的不足

1）目前无法观察断路器的三相合闸（分闸）的过程，只能观察水平或垂直的速度，并不能区分三相，垂直摄像如果后板不能完全打开也只能观测到某相过程。

2）ProAnslyst动态分析软件无法提供高压断路器的刚合（刚分）时间，只能提供整个合闸（分闸）过程的时间，与现场要求的测量时间要求存在一定的误差。

3）虽然ProAnslyst动态分析软件能够提供整个运动过程的速度，但是现场高压断路器一般需要的是某段过程的刚合（刚分）速度（比如合前或分后10s），由于无法得知刚合（刚分）时间点因此计算刚合（刚分）速度存在一定的难度。

4）必须配备标准的粘贴标点。

5 结束语

1）高速摄像法从技术层面上完全可以测量出高压断路器的行程及整个行程的时间。

2）高速摄像法测试在高压断路器动作特性技术应用上还存在的一定的难度，但作为新型的测试手段提供了一定的参考及借鉴作用。

3）如果高速摄像法能结合高压断路器测试仪器厂家解决目前存在的关键技术及速度要求问题，高速摄像法测试高压断路器动作特性是存在可能性的。

［1］刘旭，谢雍燊.一起高压断路器动作特性测试不合格的分析与处理［J］.电力与电工，2012，3（32）：47-49.

［2］贺政.高压断路器机械特性测试的意义及实践［J］.电力安全技术，2012，14（8）：58-59.

［3］林明星，庄建煌.浅谈断路器机械特性的测试［J］.科技视界，2015，（1）：339-340.

［4］曹彬.高压断路器机械特性测试系统的研究与设计［D］.西安：电子科技大学，2009：8-10.

［5］国家技术监督局、中华人民共和国建设部.电气装置安装工程电气设备交接试验标准［S］.2006.

［6］黄兴泉，王伟.断路器机械特性的高速摄像法检测［J］.华北电力大学学报，2011，5（38）：43-45.