摘要：基于華為Mate30智能手機(jī)的高速攝影功能，通過在機(jī)構(gòu)基座和動(dòng)作部件上粘貼標(biāo)志，加裝剛分剛合時(shí)刻檢測(cè)回路等輔助措施，對(duì)彈簧機(jī)構(gòu)斷路器動(dòng)作過程進(jìn)行高速拍攝，然后通過對(duì)視頻圖像進(jìn)行位置標(biāo)記識(shí)別和剛分剛合點(diǎn)的時(shí)間標(biāo)記識(shí)別，分析獲得的斷路器分合閘位移過程曲線，并進(jìn)一步求導(dǎo)得出速度。

關(guān)鍵詞：華為Mate30;高速攝影;斷路器機(jī)械特性;分合閘速度測(cè)試

中圖分類號(hào)：TM561;TB872? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）04-0072-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.021

1? ? 斷路器分合閘速度測(cè)試現(xiàn)行方法

斷路器的分合閘速度是斷路器機(jī)械特性參數(shù)中重要的指標(biāo)參數(shù)，它影響著斷路器的滅弧能力和機(jī)械耐久性，如果速度過慢將會(huì)導(dǎo)致拉弧時(shí)間過長(zhǎng)損傷觸頭，甚至導(dǎo)致電弧不能熄滅造成斷路器故障;如果速度過快則斷路器機(jī)構(gòu)將承受過大的沖擊，造成相關(guān)機(jī)械零件的機(jī)械疲勞，進(jìn)而引發(fā)零件失效導(dǎo)致斷路器動(dòng)作異常（注：分閘速度指斷路器觸指剛剛分開時(shí)刻起，向后至10 ms過程的平均速度，即剛分速度;合閘速度指斷路器觸指剛剛接觸時(shí)刻起，向前10 ms過程的平均速度，即剛合速度）。

然而，由于斷路器動(dòng)作時(shí)間一般只持續(xù)30～70 ms[1]，非常短暫，這就對(duì)整個(gè)過程的測(cè)試精度和抗干擾性提出了很高的要求。以往的接觸式傳感器易受振動(dòng)的影響，且安裝不方便，導(dǎo)致該項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甚至可能損傷設(shè)備，因此，研制一種基于高速攝影的測(cè)試技術(shù)十分必要。

目前，國(guó)內(nèi)正在使用的斷路器分合閘速度測(cè)試儀均采用接觸式傳感器，測(cè)量量包括直線變位和旋轉(zhuǎn)角度變位，其中旋轉(zhuǎn)角度變位使用較多。但現(xiàn)有技術(shù)存在以下幾方面的缺點(diǎn)：

（1）測(cè)試結(jié)果易受到振動(dòng)影響，導(dǎo)致多次重復(fù)數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性較差。

（2）角度傳感器與機(jī)構(gòu)相連使用磁鐵方式的，如果運(yùn)動(dòng)中心對(duì)不齊將導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定。

（3）使用螺絲安裝的，多次安裝將造成螺牙磨損，導(dǎo)致下次測(cè)量困難。

（4）傳感器安裝步驟包括蓋板拆除、固定夾安裝、傳感器安裝、數(shù)據(jù)線連接等，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2? ? 華為Mate30性能及其測(cè)試斷路器機(jī)械特性的可行性

通過網(wǎng)絡(luò)查詢，得知華為Mate30智能手機(jī)視頻每秒30幀，最大放慢速度為256倍，每個(gè)慢放視頻將生成1 000幀圖片。所以每段視頻對(duì)應(yīng)實(shí)際時(shí)間段T=1 000÷30÷256×1 000≈130.2 ms，時(shí)間覆蓋最長(zhǎng)合閘時(shí)間（70 ms）。同時(shí)可得拍攝速度為v=1 000/T≈7.68幀/ms，即每毫秒將產(chǎn)生7.68幀圖像。整個(gè)70 ms動(dòng)作過程將生成500余幀圖像，也就是說，形成的動(dòng)作曲線將有500多個(gè)采樣點(diǎn)，滿足采樣密度要求。所以，使用華為Mate30智能手機(jī)進(jìn)行斷路器分合閘速度測(cè)試具有可行性。

3? ? 基于高速攝影的分合閘速度測(cè)試步驟

根據(jù)實(shí)際測(cè)試，獲取可用于分析的機(jī)構(gòu)動(dòng)作慢放視頻需要經(jīng)過8個(gè)步驟，如圖1所示。

（1）在斷路器機(jī)構(gòu)基座和與動(dòng)作連桿相連的部件（如連桿軸側(cè)面或位置指示板）上粘貼便于計(jì)算機(jī)識(shí)別定位的單色標(biāo)志，分別作為靜樣本和動(dòng)樣本。

（2）測(cè)量動(dòng)靜樣本在初始位置時(shí)的距離，用來作為圖像識(shí)別時(shí)的長(zhǎng)度標(biāo)尺。

（3）將特制的剛分/剛合時(shí)刻檢查回路接入斷路器導(dǎo)體回路，用以在視頻中標(biāo)記剛分/剛合時(shí)刻。剛分/剛合時(shí)刻檢查回路使用發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)觸發(fā)，發(fā)光二極管觸發(fā)為微秒級(jí)，對(duì)于10 ms平均速度計(jì)算時(shí)域可以忽略不計(jì)。

（4）使用支架架設(shè)華為Mate30，調(diào)整鏡頭范圍，使機(jī)構(gòu)動(dòng)作部分盡可能大地占滿鏡頭，這樣可以使得分析像素增加，精度提高。

（5）開始拍攝前應(yīng)首先開啟華為Mate30，由運(yùn)動(dòng)觸發(fā)高速攝影。

（6）觸發(fā)斷路器動(dòng)作，執(zhí)行分閘或合閘操作。

（7）檢查華為Mate30是否生成了視頻，視頻范圍是否包含全部動(dòng)作畫面，畫面是否清晰，動(dòng)靜樣本在運(yùn)動(dòng)中是否無反光等明顯變化。

（8）完成視頻錄制后，需將視頻從手機(jī)中導(dǎo)出，并檢查文件是否可在運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的電腦上正常打開。

4? ? 慢放視頻分析步驟

斷路器分合閘動(dòng)作慢放視頻分析流程如圖2所示。

視頻從華為Mate30手機(jī)中復(fù)制到電腦后，需要按照以下10個(gè)步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（1）視頻逐幀分解：將拍攝的視頻逐幀分解成獨(dú)立的圖片。按照華為Mate30的性能，將會(huì)形成1 001張照片，對(duì)應(yīng)實(shí)際約130 ms的動(dòng)作視頻[2]。

（2）篩選實(shí)際動(dòng)作時(shí)間區(qū)間：從逐幀分解出來的獨(dú)立圖片中篩選出機(jī)構(gòu)真正動(dòng)作的部分及前后圖片有變化的部分，精確定位時(shí)間區(qū)間，減少數(shù)據(jù)分析量。斷路器分閘一般30～50 ms，合閘一般50～80 ms，對(duì)應(yīng)需要篩選出400～600張圖片。

（3）截取機(jī)構(gòu)動(dòng)作圖塊：通過軟件截取篩選出來的每一張圖片的固定區(qū)域，精確定位真正活動(dòng)的區(qū)域，以減少數(shù)據(jù)分析量。

（4）截取動(dòng)靜樣本圖塊：通過軟件截取動(dòng)靜樣本圖塊，用于后續(xù)跟蹤定位計(jì)算。

（5）輸入初始距離參數(shù)：通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的動(dòng)靜樣本圖塊間實(shí)際距離，可以換算圖塊中相鄰像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離，實(shí)現(xiàn)像素和實(shí)際距離的換算。

（6）標(biāo)注機(jī)構(gòu)剛分/剛合時(shí)刻：通過連續(xù)的圖片找到剛分/剛合標(biāo)志燈狀態(tài)變化（剛分時(shí)由亮變滅，剛合時(shí)由滅變亮）的圖片編號(hào)，并換算為時(shí)間軸上的時(shí)刻點(diǎn)，作為剛分/剛合的時(shí)刻點(diǎn)。

（7）分析計(jì)算位移離散曲線：對(duì)所有圖片進(jìn)行動(dòng)靜樣本匹配分析，獲得樣本在圖片中的相對(duì)坐標(biāo)，然后計(jì)算動(dòng)靜樣本坐標(biāo)距離，換算成位移變化表，最后繪制動(dòng)靜樣本位移變化離散折線。

（8）擬合計(jì)算位移函數(shù)曲線：對(duì)位移變化離散折線進(jìn)行擬合計(jì)算，形成平滑的唯一函數(shù)曲線。此處使用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，多項(xiàng)式指數(shù)經(jīng)測(cè)試應(yīng)≥5。

（9）求導(dǎo)計(jì)算速度函數(shù)曲線：對(duì)位移曲線進(jìn)行求導(dǎo)，獲得速度曲線，如圖3所示。

（10）計(jì)算剛分后/剛合前10 ms平均速度：通過速度曲線和剛分時(shí)刻進(jìn)行積分后除以10 ms獲得分合閘速度，或通過位移曲線計(jì)算位移總和后除以10 ms獲得分合閘速度，如圖4、圖5所示。

5? ? 誤差分析

本文測(cè)試方法產(chǎn)生的誤差主要由計(jì)時(shí)誤差Δt、圖像像素?fù)Q算誤差Δp、動(dòng)靜樣本位置識(shí)別誤差Δs和擬合曲線計(jì)算誤差Δf等組成。

（1）計(jì)時(shí)誤差Δt由手機(jī)晶振周期誤差和剛分剛合時(shí)刻檢測(cè)回路中的二極管開關(guān)速度決定，手機(jī)CPU為麒麟990 5G，主頻8.86 GHz，計(jì)時(shí)精度高，誤差可以忽略不計(jì);二極管開關(guān)速度達(dá)到微秒級(jí)，也可以忽略不計(jì)。所以，Δt≈0。

（2）圖像像素?fù)Q算誤差Δp，以西門子3AP1-FG斷路器合閘為例，初始距離139 mm，初始像素149，測(cè)量誤差為±1 mm，所以Δp=±1/149 mm。

（3）動(dòng)靜樣本位置識(shí)別誤差Δs，本文所開發(fā)的軟件經(jīng)過測(cè)試，誤差約為1像素，對(duì)應(yīng)139/149 mm，即Δs=

±139/149 mm。

（4）擬合曲線計(jì)算誤差Δf，統(tǒng)計(jì)平均誤差小于1 mm。

綜上所述，在不考慮計(jì)時(shí)誤差的情況下，整體位移誤差Δ=Δp+Δs+Δf=±（1/149+139/149+1）≈±1.94 mm。相對(duì)于初始距離139 mm，誤差率δ=1.94/139×100%≈1.396%。一般分合閘速度測(cè)試結(jié)果為2.5 m/s左右，1.396%的精度下誤差僅為0.034 9 m/s，滿足試驗(yàn)精度要求。

6? ? 結(jié)語

通過實(shí)際測(cè)試，使用華為Mate30智能手機(jī)的高速攝影功能，配合識(shí)別標(biāo)志和剛分剛合時(shí)刻檢測(cè)回路，可以準(zhǔn)確測(cè)量斷路器的分合閘速度參數(shù)。由于華為Mate30購(gòu)買成本不足3 000元，如果能夠在電力行業(yè)推廣使用，一方面將有效提升試驗(yàn)質(zhì)量，另一方面還可以提高工作效率，更具有經(jīng)濟(jì)性的一面是還可以降低試驗(yàn)成本，因此這是一種具有顯著綜合效益的實(shí)用技術(shù)，是視覺識(shí)別技術(shù)代替機(jī)械傳感技術(shù)的一次技術(shù)創(chuàng)新。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李紅松，鄧旭東.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析方法與技術(shù)[M].北京：經(jīng)濟(jì)管理出版社，2014.

[2] 魏溪含，涂銘，張修鵬.深度學(xué)習(xí)與圖像識(shí)別原理與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

收稿日期：2021-11-30

作者簡(jiǎn)介：劉銀（1983—），男，河北滄州人，高級(jí)工程師，研究方向：變電檢修運(yùn)維、高壓試驗(yàn)。

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