CN107860564B - 一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置，涉及高压设备测试技术领域。所述用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置，包括工业相机、LED光源、力传感器、数据采集模块、试验控制模块以及弹簧状态辨识分析系统；通过工业相机和力传感器采集弹簧形变图像和弹簧受力数据，通过弹簧状态辨识分析系统对弹簧的疲软状态进行有效辨识；弹簧状态辨识分析系统采用NCC‑SAR算法识别整个分合闸过程中弹簧形变目标，绘制弹簧变形的特征点曲线，并配合力学传感器同步分析弹簧受力情况，比对经验规则数据库和基础数据库，达到辨识弹簧疲软状态的目的，该算法具有自适应性，有效提高了弹簧疲软状态辨识的正确率。

Description

一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置

技术领域

本发明属于高压设备测试技术领域，尤其涉及一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置。

背景技术

高压断路器运行可靠性对电网的保护与控制至关重要，其在正常工作时处于静止状态，操作或事故发生时迅速动作，切断或接通电源，因而对其操动性能与可靠性有较高要求。据统计，高压断路器事故中，操动机构故障占全部故障的64.8％，其中操动机构机械故障占全部故障的43.8％，而操动机构中弹簧疲软失效是导致机构故障的重要原因之一。操动机构弹簧部件的性能优劣直接影响断路器的分合闸能力，由于弹簧长时间运行疲软引起断裂造成的事故屡见不鲜，因此对操动机构弹簧的检测技术进行研究具有非常重要的意义。

弹簧在断路器中处于压缩或拉伸的变动载荷工作状态，长期使用不可避免地会出现疲软老化、变形甚至断裂等现象，特别是对于一些早期服役的操作弹簧已开始出现断裂现象，对电网的安全运行构成严重的潜在威胁。为预防断路器弹簧的断裂，需要对弹簧定期巡检，但是在不拆解弹簧情况下，仅凭人工的巡视无法对弹簧的疲软状态进行判断，目前弹簧疲软状态测试也仅在断路器大修中可以实现，还没有找到一种理想的现场可使用的检测断路器弹簧正常工作与否的技术手段。

目前，国内外有很多技术实力强大专业厂商已经生产出弹簧疲劳试验机，但对于断路器中的弹簧，由于弹簧已固定安装，对其拆解再放于疲软试验机测试十分不便，且拆解在线运行的断路器弹簧有极大安全隐患，不具有现场可操作和可行性。对于断路器中的弹簧疲软状态，罕见利用计算机视觉技术的测试方法，且现有的少量研究仅限于实验室内弹簧的表面裂纹特征，而缺少对断路器弹簧在整个分合闸过程中受力、形变等特性的研究，故无法不拆解断路器进行准确测试弹簧刚度测试，更无法有效评价弹簧疲软状态。

在断路器机械参数获取方面：长期以来，无论在国外还是在国内，断路器机械特性测试仪采用直线位移传感器、光栅传感器、导电塑料电位器和角位移传感器等检测动触头位移和运动速度，这些传感器连接件在操动机构或主轴上安装，不仅传感器本身分辨率不高，且安装中存在的缝隙影响了精度。同时，不同型号断路器尺寸不同，传感器的夹具不同，安装过程过于繁琐，工作效率低下。动触头附近可供安装位移传感器空间非常有限，传统的或由于尺寸的限制，通过越来越困难。这种接触式传感器不仅安装费时、费力，而且安装效果直接影响测试的准确度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置，包括工业相机、LED光源、力传感器、数据采集模块、试验控制模块以及弹簧状态辨识分析系统；所述弹簧状态辨识分析系统分别与所述工业相机、数据采集模块以及试验控制模块连接；

所述工业相机，用于捕捉断路器弹簧表面图像以及分合闸试验中伸缩变化的高速图像序列；所述LED光源，用于拍摄高速图像过程的补光，保障拍摄图像的质；所述力传感器的输出端与数据采集模块相连接，用于采集分合闸过程中弹簧压力的变化情况；所述试验控制模块，用于控制断路器分、合闸的过程，以及图像捕捉和力传感器的数据采集；所述弹簧状态辨识分析系统，用于断路器弹簧测试过程控制、数据采集和弹簧状态辨识。

进一步的，所述弹簧状态辨识分析系统的硬件包括主控制模块工控工作站、采集卡、图像传输模块以及通讯接口和显示模块，其软件包括试验过程控制及综合分析软件和弹簧状态辨识软件，该系统在硬件的支持下实现断路器弹簧测试过程控制、数据采集和弹簧状态辨识。

进一步的，所述主控制模块工控工作站通过总线分别与所述图像传输模块、采集卡、通讯接口以及显示模块连接；所述图像传输模块与工业相机相连接，所述采集卡与数据采集模块相连接，所述通讯接口分别与工业相机、试验控制模块相连接；所述主控制模块工控工作站通过通讯接口驱动试验控制模块来启动断路器弹簧测试试验，并在控制测试弹簧冲击受力的同时，发出接口电脉冲信号驱动触发同步采集受力数据以及工业相机获取形变高速图像序列。

进一步的，所述弹簧状态辨识软件预先建立操作机构弹簧缺陷评价的经验规则数据库，以弹簧多次测试过程中拉压弹簧形变、扭矩及疲劳状态测试数据作为基础数据库，通过提取弹簧形变和受力状况变化的特征数据，并与经验规则数据库和基础数据库中的数据进行比对，实现弹簧状态的辨识。

进一步的，所述弹簧状态辨识软件通过工业相机和力传感器采集的弹簧形变和受力状态变化对弹簧状态进行判别；对力传感器采集的数据进行存储和统计分析处理，对工业相机采集的高速图像序列，采用归一化互相关自适应区域匹配算法（Normalized CrossCorrelation-Self Adjustment Region，NCC-SAR)识别分合闸过程中弹簧形变目标，绘制弹簧变形的特征点曲线。

进一步的，所述归一化互相关自适应区域匹配算法快速识别弹簧本体图像的多个目标，绘制典型位置弹簧形变的运动特性曲线；通过经验规则数据库和基础数据库比对形变变异与弹簧缺陷，实现弹簧状态的辨识。

进一步的，所述通讯接口包括RS232通讯接口和GIGE VISION通讯接口；所述主控制模块工控工作站通过GIGE VISION通讯接口与工业相机相连，通过RS232通讯接口与试验控制模块相连。

进一步的，所述试验控制模块包括RS232接口电路和控制操作继电器模块，所述RS232接口电路与RS232通讯接口通信，完成主控制模块工控工作站通信命令的接收；所述控制操作继电器模块，用于控制断路器分或合闸线圈的电源接通和断开。

与现有技术相比，本发明所提供的用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置，包括工业相机、LED光源、力传感器、数据采集模块、试验控制模块以及弹簧状态辨识分析系统；通过工业相机和力传感器采集弹簧形变图像和弹簧受力数据，通过弹簧状态辨识分析系统对弹簧的疲软状态进行有效辨识；弹簧状态辨识分析系统采用NCC-SAR算法识别整个分合闸过程中弹簧形变目标，绘制弹簧变形的特征点曲线，并配合力学传感器同步分析弹簧受力情况，比对经验规则数据库和基础数据库，达到辨识弹簧疲软状态的目的，该算法具有自适应性，有效提高了弹簧疲软状态辨识的正确率；本发明中的工业相机与力传感器在图像和数据采集过程中不与弹簧直接接触，无需将断路器拆解再进行测试，具有现场可操作性和可行性，能够实时在线监测弹簧的疲软状态，避免了弹簧疲软失效导致的电网安全事故发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置，包括工业相机、LED光源、力传感器、数据采集模块、试验控制模块以及弹簧状态辨识分析系统；弹簧状态辨识分析系统分别与工业相机、数据采集模块以及试验控制模块连接。

工业相机采用支架正对着断路器操作机构弹簧侧面安装，用于捕捉断路器弹簧表面图像以及分合闸试验中伸缩变化的高速图像序列；LED光源安装在工业相机同一支架上，用于拍摄高速图像过程的补光，保障拍摄图像的质；力传感器的一端安装在弹簧机构的机架上，另一端通过底板在导杆上固定安装，其输出端均与数据采集模块相连接，用于采集分合闸过程中弹簧压力的变化情况；试验控制模块，用于控制断路器分、合闸的过程，以及图像捕捉和力传感器的数据采集；弹簧状态辨识分析系统，用于断路器弹簧测试过程控制、数据采集和弹簧状态辨识。

弹簧状态辨识分析系统的硬件包括主控制模块工控工作站、采集卡、图像传输模块以及通讯接口和显示模块，其软件包括试验过程控制及综合分析软件和弹簧状态辨识软件，该系统在硬件的支持下实现断路器弹簧测试过程控制、数据采集和弹簧状态辨识。

主控制模块工控工作站通过总线分别与图像传输模块、采集卡、通讯接口以及显示模块连接；图像传输模块与工业相机相连接，采集卡与数据采集模块相连接，通讯接口分别与工业相机、试验控制模块相连接；主控制模块工控工作站通过通讯接口驱动试验控制模块来启动断路器弹簧测试试验，并在控制测试弹簧冲击受力的同时，发出接口电脉冲信号驱动触发同步采集受力数据以及工业相机获取形变高速图像序列。

弹簧状态辨识软件预先建立操作机构弹簧缺陷评价的经验规则数据库，以弹簧多次测试过程中拉压弹簧形变、扭矩及疲劳状态测试数据作为基础数据库，通过提取弹簧形变和受力状况变化的特征数据，并与经验规则数据库和基础数据库中的数据进行比对，实现弹簧状态的辨识。

弹簧状态辨识软件通过工业相机和力传感器采集的弹簧形变和受力状态变化对弹簧状态进行判别；对力传感器采集的数据进行存储和统计分析处理，对工业相机采集的高速图像序列，采用归一化互相关自适应区域匹配算法（Normalized Cross Correlation-Self Adjustment Region，NCC-SAR)识别分合闸过程中弹簧形变目标，绘制弹簧变形的特征点曲线。

归一化互相关自适应区域匹配算法快速识别弹簧本体图像的多个目标，绘制典型位置弹簧形变的运动特性曲线；通过经验规则数据库和基础数据库比对形变变异与弹簧缺陷，实现弹簧状态的辨识。

通讯接口包括RS232通讯接口和GIGE VISION通讯接口；主控制模块工控工作站通过GIGE VISION通讯接口与工业相机相连，通过RS232通讯接口与试验控制模块相连。

试验控制模块包括RS232接口电路和控制操作继电器模块，RS232接口电路与RS232通讯接口通信，完成主控制模块工控工作站通信命令的接收；控制操作继电器模块，用于控制断路器分或合闸线圈的电源接通和断开。

本发明用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置工作过程为：弹簧状态辨识系统通过电信号控制试验控制模块工作，驱动控制操作继电器模块启动断路器分或合闸线圈的电源接通，开始弹簧测试试验；力传感器采集分合闸过程中弹簧压力的变化数据，经过数据采集模块处理后传输至弹簧状态辨识分析系统，弹簧状态辨识分析系统发出电脉冲信号驱动触发同步采集工业相机获取的形变高速图像序列；弹簧状态辨识分析系统对力传感器采集的弹簧压力变化数据进行存储和统计分析处理，并采用NCC-SAR算法对高速图像序列进行多目标识别和跟踪，并绘制多目标点的形变-时间曲线，计算弹簧受力伸缩过程中的机械形变特性参数（弹簧工作高度和节距，运动行程、弹簧伸缩时间、最大加速度、最大形变量和中间圈径向往复次数），对高速图像序列运动帧的机械特性参数进行统计分析和处理计算，并将处理结果与基础数据库和经验规则数据库中弹簧运行状态评价数据进行比对，判断弹簧疲软状态以及缺陷程度。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于高压断路器操作弹簧的疲软状态在线测试装置，其特征在于：包括工业相机、LED光源、力传感器、数据采集模块、试验控制模块以及弹簧状态辨识分析系统；所述弹簧状态辨识分析系统分别与所述工业相机、数据采集模块以及试验控制模块连接；

所述工业相机，用于捕捉断路器弹簧表面图像以及分合闸试验中伸缩变化的高速图像序列；所述LED光源，用于拍摄高速图像过程的补光，保障拍摄图像的质；所述力传感器的输出端与数据采集模块相连接，用于采集分合闸过程中弹簧压力的变化情况；所述试验控制模块，用于控制断路器分、合闸的过程，以及图像捕捉和力传感器的数据采集；所述弹簧状态辨识分析系统，用于断路器弹簧测试过程控制、数据采集和弹簧状态辨识；

所述弹簧状态辨识分析系统的硬件包括主控制模块工控工作站、采集卡、图像传输模块以及通讯接口和显示模块，其软件包括试验过程控制及综合分析软件和弹簧状态辨识软件，该系统在硬件的支持下实现断路器弹簧测试过程控制、数据采集和弹簧状态辨识；

所述弹簧状态辨识软件预先建立操作机构弹簧缺陷评价的经验规则数据库，以弹簧多次测试过程中拉压弹簧形变、扭矩及疲劳状态测试数据作为基础数据库，通过提取弹簧形变和受力状况变化的特征数据，并与经验规则数据库和基础数据库中的数据进行比对，实现弹簧状态的辨识；

所述弹簧状态辨识软件通过工业相机和力传感器采集的弹簧形变和受力状态变化对弹簧状态进行判别；对力传感器采集的数据进行存储和统计分析处理，对工业相机采集的高速图像序列，采用NCC-SAR算法识别分合闸过程中弹簧形变目标，绘制弹簧变形的特征点曲线。

2.如权利要求1所述的疲软状态在线测试装置，其特征在于：所述主控制模块工控工作站通过总线分别与所述图像传输模块、采集卡、通讯接口以及显示模块连接；所述图像传输模块与工业相机相连接，所述采集卡与数据采集模块相连接，所述通讯接口分别与工业相机、试验控制模块相连接；所述主控制模块工控工作站通过通讯接口驱动试验控制模块来启动断路器弹簧测试试验，并在控制测试弹簧冲击受力的同时，发出接口电脉冲信号驱动触发同步采集受力数据以及工业相机获取形变高速图像序列。

3.如权利要求1所述的疲软状态在线测试装置，其特征在于：所述NCC-SAR算法快速识别弹簧本体图像的多个目标，绘制典型位置弹簧形变的运动特性曲线；通过经验规则数据库和基础数据库比对形变变异与弹簧缺陷，实现弹簧状态的辨识。

4.如权利要求1所述的疲软状态在线测试装置，其特征在于：所述通讯接口包括RS232通讯接口和GIGE VISION通讯接口；所述主控制模块工控工作站通过GIGE VISION通讯接口与工业相机相连，通过RS232通讯接口与试验控制模块相连。

5.如权利要求4所述的疲软状态在线测试装置，其特征在于：所述试验控制模块包括RS232接口电路和控制操作继电器模块，所述RS232接口电路与RS232通讯接口通信，完成主控制模块工控工作站通信命令的接收；所述控制操作继电器模块，用于控制断路器分或合闸线圈的电源接通和断开。