真空開關電弧形態及其變化規律對真空開關開斷性能有著重要影響，而觸頭動態開距大小是影響電弧形態變化重要因素，如何準確檢測觸頭動態位置從而計算觸頭動態開距具有重要的意義。真空開關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，并且電弧燃燒形態劇烈變化等因素制約了電弧圖像中觸頭位置的精確檢測。本文提出了一種新的真空開關電弧圖像觸頭位置檢測算法，該算法將數字圖像處理技術運用到真空開關電弧圖像分析中，在二值化電弧圖像中分別檢測電弧的上、下邊緣，最后將檢測到的上、下邊緣進行直線擬合，實現了動、靜觸頭在圖像中位置的高精度檢測。實驗結果表明： 本算法能夠有效地檢測出電弧圖像的上、下邊緣，并通過計算得到電弧圖像中靜觸頭及動觸頭的位置。

　　隨著國家經濟迅速發展，工業和農業用電需求日益增強，使得我國的電網規模愈加龐大，電壓等級逐步提高，隨之對電力系統的控制和保護設備也提出了更高的要求。真空開關是電力系統的重要控制和保護設備，其結構設計的優化、可靠性的提高及使用壽命的延長等方面研究成了學者們關注的熱點。而這些熱點問題中，功能的可靠性的關鍵問題在于如何調控電弧的熄滅使得真空開關能夠有效通斷；使用壽命方面的一個重要問題是如何防止電弧集聚對觸頭表面造成破壞；因此真空開關電弧形態特性的研究成了關鍵問題。目前，真空開關電弧形態的研究大部分是基于高速攝像機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從序列圖像中提取關鍵信息的方案。高速攝像機CMOS 及CCD 技術的不斷進步，為電弧形態研究打下堅實的硬件基礎，也使得基于電弧圖像的電弧形態研究成了熱點并且取得了豐碩研究成果。

　　真空開關電弧燃燒是一個復雜的物理過程，真空開關的電參數、機械參數、磁參數等都將對電弧形態產生影響。目前國內外學者們針對真空開關的電參數( 例如電壓電流) 、磁參數( 觸頭的縱磁場)對電弧形態影響方面做了較為深入的研究，但在機械參數對電弧形態的研究方面還很欠缺。國內王立軍從仿真及實驗的角度分別研究了電極間距對電弧形態的影響； 姜生從觸頭的靜態開距、動態開距等幾個角度分析了真空開關的機械特性，而姜生也提到利用傳感器所測量的觸頭動態開距有較大誤差，對于精確分析電弧特性是不利的。國外Schulman M B 等提出分閘過程中，隨著觸頭位置變化電弧形態會由集聚型轉變為擴散型，集聚型電弧會導致觸頭的燒蝕，因此希望分閘過程中盡快達到擴散型電弧開距避免集聚型電弧。因此，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為如何在電弧圖像中識別動觸頭位置、計算觸頭動態開距，實現觸頭動態開距與電弧形態的數量化分析是有意義的。算法開發過程中發現，傳統的數字圖像目標檢測算法無法用于電弧圖像中觸頭位置的檢測。

　　本文基于真空開關電弧燃燒序列圖像，檢測電弧的上、下邊緣，并對邊緣檢測結果進行直線擬合計算出動、靜觸頭的位置，為后續觸頭開距對電弧形態影響的研究打下基礎。

目標檢測算法

　　圖像處理的分析技術主要包括以下幾個方面：圖像預處理、運動目標自動檢測、運動目標跟蹤、運動目標分類以及運動目標定位等。運動目標檢測處于圖像處理的最底層，是后續各種高級處理如目標分類、行為理解等的基礎。目前的運動目標檢測算法主要有：光流法、幀間差分法、背景差分法、模板匹配法和特征提取法。相對日常的圖像，真空開關電弧如圖1，燃燒時具有如下特點：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的變化同一像素點幀間灰度值也會發生劇烈變化；電弧燃燒過程中會出現液滴噴濺，使得觸頭圖像區域也會出現電弧影像； 電弧的形狀變化莫測沒有規律性，特征角點不清晰，且很難在幀間完成特征點的匹配；電弧圖像的質量很大程度上取決于高速拍攝相機的分辨率。基于上述說法，由于觸頭位置灰度值較低，無法將背景與觸頭目標分割，同時灰度值劇烈變化使得無法在幀間對觸頭特征進行匹配或是進行觸頭的模板匹配，在拍攝硬件分辨率低的情況下也無法進行觸頭的特征檢測。

　　綜上所述，由于電弧圖像的特殊性，運用現有的目標檢測算法無法從電弧圖像中直接檢測觸頭位置。分析電弧圖像發現，電弧圖像的上、下邊緣分別為靜觸頭和動觸頭的位置，從而可以通過檢測電弧上、下邊緣的方法檢測觸頭位置，避免了直接從圖像中檢測觸頭位置的難題。

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動、靜觸頭位置。經過多次實驗檢測發現：

　　(1) 在真空開關電弧圖像中，電弧上下邊緣的位置即分別為靜觸頭、動觸頭的位置。

　　(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：第一、劇烈燃燒的電弧飛濺到兩觸頭間隙的外側，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熔融現象，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，可將所檢測到的上、下邊緣擬合為直線，擬合后直線的位置能更準確地標示觸頭的位置。

　　(4) 在真空開關電弧序列圖像中，因為靜觸頭是靜止的，只需檢測一次電弧上邊緣的位置即檢測出了靜觸頭的位置。在每幀圖像或選取的序列圖像中分別檢測電弧下邊緣的位置，就實現了序列圖像中動觸頭位置的跟蹤。