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  • 頭條真空電弧燃燒過程的研究成果,為提升真空開關(guān)開斷能力提供新思路
    2021-02-01 作者:向川 王惠 史鵬飛 董華軍  |  來源:  |  點擊率:
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    導(dǎo)語大連海事大學(xué)船舶電氣工程學(xué)院、重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院、大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究人員向川、王惠、史鵬飛、董華軍,在2019年第19期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出(論文標(biāo)題為“基于改進(jìn)脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的真空電弧燃燒過程研究”),真空開關(guān)開斷電流過程中電弧形態(tài)演變和特征量變化過程是決定真空開關(guān)開斷能力的關(guān)鍵特性之一。 該文首先建立改進(jìn)脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PCNN)模型,對真空電弧圖像進(jìn)行多值分割;然后利用形態(tài)學(xué)技術(shù)對分割電弧圖像進(jìn)行連通域選取和邊緣噪聲濾波,用于量化描述動觸頭位移、電弧面積等特征參數(shù);最后結(jié)合特征參數(shù)曲線和電弧實驗圖像,對整個開斷過程中真空電弧產(chǎn)生、發(fā)展和熄滅等燃燒過程展開定量和定性分析。 研究結(jié)果表明,改進(jìn)PCNN模型適用于處理邊緣區(qū)域灰度梯度變化大的真空電弧圖像,呈現(xiàn)出細(xì)節(jié)特征豐富、邊緣清晰、噪聲低和分割精度高等特點;結(jié)合電弧特征參數(shù)和實驗結(jié)果對電弧燃燒過程進(jìn)行定量和定性分析,相比前期研究工作更加細(xì)化深入;不同峰值電弧電流對電弧面積、電弧最大面積出現(xiàn)時刻、電弧各燃燒階段持續(xù)時間和轉(zhuǎn)變過程均有很大影響。

    本文將定量計算和定性分析相結(jié)合,較深入地研究了真空開關(guān)開斷過程中電弧的燃燒過程,研究工作對真空電弧調(diào)控策略的提出具有一定的參考價值。

    真空開關(guān)具有優(yōu)異的熄弧性能和耐壓性能,在中低壓電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。其在開斷短路電流時,將在真空滅弧室內(nèi)的動、靜觸頭間產(chǎn)生燃燒的金屬蒸氣——真空電弧。對真空電弧燃燒過程中形態(tài)演變規(guī)律和特征量變化情況的研究有助于揭示電弧從產(chǎn)生、發(fā)展到熄滅的物理過程和相關(guān)規(guī)律,是研究并提高真空開關(guān)開斷性能的有效途徑之一。

    目前,學(xué)者們對真空電弧形態(tài)演變宏觀過程進(jìn)行了大量的實驗研究。

    • 如H.Schellekens等采用高速攝像技術(shù)研究了電弧電流、觸頭半徑、觸頭間隙和外加縱向磁場等參數(shù)對真空電弧形態(tài)變化的影響。
    • H.Schulman等也采用高速攝像機(jī)對電弧燃燒圖像進(jìn)行采集,并結(jié)合電弧電壓曲線,將電弧形態(tài)分為擴(kuò)散態(tài)、收縮態(tài)及噴發(fā)態(tài)等。
    • 董華軍等采用CMOS高速攝像機(jī)對可拆卸滅弧室中不同觸頭結(jié)構(gòu)下電弧形態(tài)演變進(jìn)行了較深入的研究,還利用CCD相機(jī)結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)對電子溫度和電子密度進(jìn)行診斷。
    • 劉斌等通過實驗研究了直流真空電弧強(qiáng)迫開斷電弧形態(tài),分析了觸頭結(jié)構(gòu)對電弧直徑的影響。
    • QinTaotao等通過電弧燃燒形態(tài)變化,分析了觸頭開斷速度對直流真空電弧的影響。
    • 武建文等對中頻真空電弧演變特性展開研究,研究表明中頻真空電弧主要呈現(xiàn)過渡態(tài)和擴(kuò)散態(tài)兩種形態(tài),且過渡態(tài)電弧演變迅速,并在電流峰值時刻轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散態(tài)電弧。
    • 筆者也借助高速攝像機(jī)對真空開關(guān)實際開斷短路故障過程中電弧形態(tài)演變過程進(jìn)行了較深入的定性分析。

    為進(jìn)一步深入研究真空電弧的演變規(guī)律和電弧特性,學(xué)者們利用數(shù)字圖像技術(shù)對電弧圖像進(jìn)行處理,通過提取特征量,實現(xiàn)電弧的量化處理和研究。

    • 董華軍等對真空電弧的數(shù)值圖像處理技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究,運(yùn)用中值濾波方法對電弧圖像中的校驗噪聲干擾進(jìn)行處理,運(yùn)用直方圖均衡化進(jìn)行電弧圖像增強(qiáng),運(yùn)用Canny算子對電弧圖像邊緣進(jìn)行檢測和提取,對真空電弧進(jìn)行量化研究。
    • 田小靜等基于小波變換及形態(tài)學(xué)細(xì)化算法對真空電弧圖像進(jìn)行了形態(tài)細(xì)節(jié)特征提取研究,通過多尺度-細(xì)化算法實現(xiàn)了更完整、更清晰的細(xì)節(jié)電弧圖像的形態(tài)特征檢測。
    • 為降低電弧噪聲的影響,劉教民等提出了基于支持向量機(jī)高斯核的電弧圖像邊緣檢測方法。
    • 劉向軍等對磁保持繼電器分?jǐn)噙^程的電弧圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理,定量研究了磁保持繼電器電弧圖像的面積參數(shù)變化。
    • 翟國富等對直流電弧運(yùn)動過程中電弧輪廓進(jìn)行提取,分析了觸頭間隙、觸頭與電弧等離子體之間的重?fù)舸┻^程。

    上述研究主要采用邊緣檢測方法對電弧圖像進(jìn)行處理,適用于邊緣灰度值變化比較大、噪聲干擾比較小的圖像。但真空電弧圖像邊緣復(fù)雜,存在極強(qiáng)的噪聲,邊緣檢測法存在精度和抗噪性的雙重矛盾,處理結(jié)果存在界限不明顯、斷接、多像素點等缺陷。

    通常用于圖像特征提取的方法有閾值分割法(如最大熵法、最大類間方差法Otsu)、區(qū)域生長法、聚類分析法和灰度-梯度共生矩陣法等。但這些傳統(tǒng)圖像分割算法存在一些缺陷,不適用于邊緣復(fù)雜、噪聲干擾強(qiáng)的真空電弧圖像處理。

    基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Pulse Coupled Neural Network, PCNN)的圖像分割法不同于傳統(tǒng)圖像處理方法,其在分割時不用預(yù)先選擇處理的空間范圍,完全依賴于圖像的自然性,是一種自適應(yīng)圖像分割方法,分割效果好,且分割時間短,能完整、清晰地呈現(xiàn)圖像的細(xì)節(jié)特征,適用于真空電弧圖像處理。

    本文基于改進(jìn)脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Pulse Coupled Neural Network, PCNN)模型對真空電弧進(jìn)行圖像分割,實現(xiàn)電弧與背景區(qū)域的分離;然后結(jié)合圖像形態(tài)學(xué)技術(shù)對分割圖像進(jìn)行連通域選取和邊緣噪聲濾波,消除了電弧反光現(xiàn)象以及邊緣噪聲;最后結(jié)合真空開關(guān)實際開斷電流過程中采集得到的電弧實驗圖像,將真空電弧演變過程的定性分析和特征量變化定量分析相結(jié)合,深入研究真空電弧的燃燒過程。

    圖2 PCNN分割真空電弧圖像

     

    圖4 多種圖像處理方法處理真空電弧圖像結(jié)果

    結(jié)論

    本文首先采用建立的改進(jìn)型PCNN模型和形態(tài)學(xué)技術(shù)對真空電弧圖像進(jìn)行多值分割、連通域提取和邊緣噪聲濾波。然后結(jié)合電弧實驗圖像,對真空開關(guān)開斷過程中真空電弧的產(chǎn)生、發(fā)展和熄滅等燃燒過程展開定量和定性的研究。

    主要結(jié)論如下:

    • 1)與邊緣檢測法、Otsu算法等相比,本文所建改進(jìn)型PCNN模型所分割的電弧圖像呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)特征豐富、邊緣清晰、噪聲低,且分割精度高,對實驗電弧圖像的還原度高,適用于量化描述邊緣區(qū)域灰度梯度變化大的真空電弧圖像。
    • 2)根據(jù)19kA電弧特征參數(shù)和實驗結(jié)果,動觸頭初始階段、中間階段和最后階段的平均速度分別約為2.3m/s、2.0m/s和1.3m/s。真空電弧燃燒過程可分為集聚階段(2.5~6.18ms)、穩(wěn)定階段(6.18~7.89ms)、擴(kuò)散階段(7.89~9.04ms)和熄滅階段(9.04~10ms)。電弧最大面積約1338.13mm2,出現(xiàn)在6.97ms時刻,相比電流峰值時刻(5.63ms)存在1.34ms的時延。相比前期研究更加細(xì)化、深入。
    • 3)電弧電流對真空電弧燃燒特性有很大影響,隨峰值電弧電流增大,電弧面積由4kA時的456.74mm2增大到28kA時的1685.8mm2;電弧最大面積出現(xiàn)時刻滯后1.86ms;電弧集聚階段持續(xù)時間由4kA時的2.27ms延長到28kA時的4.28ms,不利于電流的成功開斷。

    本文對真空電弧燃燒過程的研究還不夠全面,需結(jié)合電弧圖像光強(qiáng)變化及電弧數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)一步研究,對大電流電弧動觸頭位移特性計算也還有待改進(jìn)。

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