气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量系统及方法与流程

本发明涉及高电压设备与电子技术模拟实验技术领域，特别是一种气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量系统。

背景技术：

直流断路器是应用于多端直流的核心设备之一，用于在故障开断时开断直流线路的直流电流，保护换流阀和换流变等主设备，并可在直流运行过程中切换和调整各种运行方式。按照灭弧形式的不同，可分为机械式、固态式和混合式三种。固态式由于采用多个全控型电力电子器件串联，通态损耗很高，应用前景较差，目前主要研究的是机械式和混合式两种。直流断路器开断的时间主要取决于其中的关键部件——快速机械开关的动作时间。然而在直流电压作用下，绝缘介质表面容易积聚电荷，极大地降低了绝缘介质的沿面耐受电压，影响机械开关的快速开断，因此有必要研究表面电荷对对绝缘沿面电气特性的影响机制以及介质沿面绝缘的失效机理。

当前研究从不同角度研究了沿面流注的发展规律和表面电荷的积聚规律，取得了一定的研究成果。但所采用的试验装置还存在一些不足，比如：

1)运动操控机构与密封罐体采用动接触的方式，长期运行会影响罐体的密封性能；

2)测量试品的结构形式比较单一，只能测量一种或两种电极结构下表面电位的测量，不利于试验研究的大量开展；

3)单独对沿面流注发展和表面电荷分布进行观测，没有将沿面放电的动态和静态规律结合分析，难以得到表面电荷对绝缘介质的影响规律和作用机制。

为了实现更好的密封性能，对沿面流注的发展有更多的认识，并进一步认识到表面电荷对绝缘介质的影响规律和作用机制，有必要对沿面放电的流注发展监测和表面电位测量系统进行改进，使其能更好地得到沿面放电的发展规律，进一步分析介质沿面绝缘的失效机理。

技术实现要素：

本发明的目的是提出气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量系统，该系统可以实现沿面放电的动态和静态规律结合分析。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量系统，包括密封罐体、运动控制系统、流注发展监测系统和表面电位测量系统；

所述运动控制系统设置于密封罐体中；所述运动控制系统，用于实现电极结构下表面电位的测量以及沿面流注发展的监测；

所述流注发展监测系统，用于捕捉电极结构流注头部发射的光子，监测流注头部到达指定位置的时刻，从而生成沿面放电的发展进程；

所述表面电位测量系统，用于测量电极结构中固体绝缘介质表面电位和获取表面电荷的分布规律。

进一步，所述运动控制系统包括四维位移台、二维位移台、第一控制器和第二控制器，所述第一控制器与四维位移台连接用于控制四维位移台上试品沿X、Y和Z轴平移以及绕Z轴旋转；所述第二控制器与二维位移台连接用于控制表面电位测量探针沿X轴平移以及沿X轴旋转；

所述流注发展监测系统包括光电倍增管模块和放大器单元模块，所述光电倍增管模块和放大器单元模块连接；所述光电倍增管用于获取沿面放电过程中流注头部到达指定位置的时刻；

所述表面电位测量系统包括静电计和振荡卡尔文探针，所述静电计与二维位移台连接上的振荡卡尔文探针连接；所述振荡卡尔文探针用于获取固体绝缘介质表面电位数据；将所测表面电位数据通过BNC接口连接到示波器上进行显示。

进一步，所述光电倍增管设置于全黑暗室中。

进一步，所述电极结构包括平板电极、柱板电极、压指型电极或圆台型电极。

本发明还提供了气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量方法，包括如下步骤：

1)施加电压前，将振荡卡尔文探针收缩至密封罐体的侧腔中；

2)将三套光电倍增管模块对准沿面放电的阴极、阳极和中点处；

3)升高施加在试品上的电压直至发生沿面放电；

4)用示波器记录光电倍增管模块捕捉到的光子信号，得到流注头部到达不同位置的时间差；

5)撤去高压端和接地端，根据电极结构控制二维位移台运动，使振荡卡尔文探针靠近被测试品表面，并微调至合理的测量距离；

6)根据电极结构控制四维位移台的运动，完成试品表面电位的测量，并将结果输出到示波器中保存；

7)根据步骤4)和步骤6)所得结果，分析沿面放电过程中流注发展的动态规律和表面电位的分布特性，得到沿面放电的阶段转化规律。

进一步，所述运动控制系统包括四维位移台、二维位移台、第一控制器和第二控制器，所述第一控制器与四维位移台连接用于控制四维位移台上试品沿X、Y和Z轴平移以及绕Z轴旋转；所述第二控制器与二维位移台连接用于控制表面电位测量探针沿X轴平移以及沿X轴旋转；

所述流注发展监测系统包括光电倍增管模块和放大器单元模块，所述光电倍增管模块和放大器单元模块连接；所述光电倍增管用于获取沿面放电过程中流注头部到达指定位置的时刻；

所述表面电位测量系统包括静电计和振荡卡尔文探针，所述静电计与二维位移台连接上的振荡卡尔文探针连接；所述振荡卡尔文探针用于获取固体绝缘介质表面电位数据；将所测表面电位数据通过BNC接口连接到示波器上进行显示。

进一步，所述光电倍增管设置于全黑暗室中。

进一步，所述电极结构包括平板电极、柱板电极、压指型电极或圆台型电极。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的系统包括全黑暗室，给流注发展监测系统提供良好的环境；运动控制系统，用于实现多种电极结构下表面电位的测量及流注发展的监测；流注发展监测系统，用于捕捉流注头部发射的光子，监测流注头部到达指定位置的时刻；表面电位测量系统，用于固体绝缘介质表面电位的测量。该试验系统及方法，相对于现有技术，具有如下优点：解决了动密封的问题，能实现多种电极结构下表面电位的测量，该系统既能监测沿面流注的发展，又能测量表面电位的分布，可将沿面放电的动态特性和静态特性结合分析，与现有流注发展监测系统和表面电位测量系统相比，能够获得沿面放电的动态和静态规律，有利于分析表面电荷对绝缘介质的影响规律和作用机制。

本发明的气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量系统，解决了动密封的问题，能实现多种电极结构下表面电位的测量，该系统既能监测沿面流注的发展，又能测量表面电位的分布，可将沿面放电的动态特性和静态特性结合分析，有利于分析表面电荷对绝缘介质的影响规律和作用机制。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量系统原理图。

图2为沿面流注发展监测系统原理图。

图3为平板电极结构测量示意图。

图4为柱板电极结构测量示意图。

图5为压指型电极结构测量示意图。

图6为圆台型电极结构测量示意图。

图中：1为密封罐体、2为电极结构、31为四维位移台、32为第一控制器、33为二维位移台、34为第二控制器、41为光电倍增管模块、42为放大器单元模块、51为静电计、52为振荡卡尔文探针、6为示波器；11为直流电压、12为气压表、13为进出气口、14为石英观察窗、7为中心控制器、21为金属电极、22为绝缘柱、23为探针、24为流注监测点、25为绝缘板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量系统，可以实现沿面放电的动态和静态规律结合分析，包括以下组成部分：

全黑暗室，用于提供光电倍增管良好的工作环境，避免环境中其他光源对试验结果造成影响；所述全黑暗室，采用双层优质高密度遮光布打造整个实验室，暗室遮光率可以达到99％；能使整个实验环境都处于暗室中，避免环境中其他光源的影响；

运动控制系统，用于实现多种电极结构(平板电极、柱板电极、压指型电极、圆台型电极等)下表面电位的测量以及沿面流注发展的监测；所述运动控制系统，包括四维位移台和二维位移台两部分，分别由相应的控制器控制，其中四维位移台可沿X、Y、Z轴平移和绕Z轴旋转，用于控制试品的运动，二维位移台可沿X轴平移，并沿X轴旋转，用于辅助表面电位测量探针的运动；所述运动控制系统位于密封罐体中，不会出现运动操控机构与密封罐体接触点的相对运动，导致密封性能失效，解决了动密封问题；

流注发展监测系统，用于捕捉流注头部发射的光子，监测流注头部到达指定位置的时刻，从而判断沿面放电的发展进程；所述流注发展监测系统，由三套光电倍增管模块和放大器单元模块构成，可捕捉沿面放电过程中流注头部到达指定位置的时刻；所述流注发展监测系统，可在沿面放电的阴极、阳极及中点处进行监测，相较于两个点的监测，判断更为精准；

表面电位测量系统，用于固体绝缘介质表面电位的测量，进而通过反算得到表面电荷的分布规律。所述表面电位测量系统，主要由高速高压静电计和顶端开孔的振荡卡尔文探针构成，采用非接触式测量，所测表面电位数据可通过BNC接口连接到示波器上进行连续显示和存储，输出比例为1000:1。所述表面电位测量系统，由于存在四维位移台和二维位移台，可以实现多种电极结构下的表面电位测量，另外定制了转接头，避免了振荡卡尔文探针与密封罐体动接触，保证了密封问题。

实施例2

本实施例结合图2-6所示的平板电极结构，图中，左边和上边的金属电极21为HV金属电极；中间的绝缘柱22为可以为圆台形；探针23设置于绝缘柱22或绝缘板25上的流注监测点24处。对平板电极结构下沿面流注发展进行监测，流注发展过程中头部会有强烈电离，并向空间辐射光子，将光电倍增管模块的采光口粘上黑色不透光胶带，留下宽度约1mm的窄缝，用于接收流注头部的光子。三个带有1mm窄缝的光电倍增管模块分别对准上、下极板的三结合点处，以及两者的中点处。光电倍增管模块接收光子并转换为微弱的电流信号，经过放大器单元模块的放大和转换变为电压信号输出，并通过示波器记录，示波器上接收的是一个脉冲信号。通过观察3个光电倍增管模块输出的脉冲信号，就可以判断沿面流注发展的长度，确定流注头部是否到达指定位置，以及到达指定位置的时间差。

实施例3

本实施例结合图1，公开一种气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量系统，图中，1为密封罐体、2为电极结构、31为四维位移台、32为第一控制器、33为二维位移台、34为第二控制器、41为光电倍增管模块、42为放大器单元模块、51为静电计、52为振荡卡尔文探针、6为示波器；11为直流电压、12为气压表、13为进出气口、14为石英观察窗、7为中心控制器；本系统包括运动控制系统，流注发展监测系统和表面电位测量系统。平板电极结构由上、下两个圆型金属电极板中间夹一个绝缘柱组成，其中上极板施加高压，下极板接地。试验时，三个带有1mm窄缝的光电倍增管模块分别对准上、下极板的三结合点处，以及两者的中点处，气固沿面放电试验流注监测及表面电位测量方法，具体操作如如下所述：

1)施加电压前，将振荡卡尔文探针收缩至密封罐体的侧腔中，避免高电压、强电场对其造成损伤；

2)完成步骤1)之后，将三套光电倍增管模块对准沿面放电的阴极、阳极和中点处，让其处于预备状态；

3)完成步骤2)之后，施加在试品上的电压逐步升高，直至发生沿面放电；

4)用示波器记录光电倍增管模块捕捉到的光子信号，得到流注头部到达不同位置的时间差；

5)撤去高压端和接地端，根据电极结构控制二维位移台运动，使振荡卡尔文探针靠近被测试品表面，并微调至合理的测量距离；

6)完成步骤5)之后，根据电极结构合理控制四维位移台的运动，完成试品表面电位的测量，并将结果输出到示波器中保存；

7)根据步骤4)和步骤6)所得结果，分析沿面放电过程中流注发展的动态规律和表面电位的分布特性，得到沿面放电的阶段转化规律，进一步分析绝缘介质沿面失效机理。

沿面放电结束之后，断开高压端和接地端。运动控制系统由二维位移台和四维位移台构成，通过二维位移台X轴的平移来控制振荡卡尔文探针的前进和收缩，通过绕X轴的旋转来调整振荡卡尔文探针的方向，平板电极结构下振荡卡尔探针需调节至垂直于绝缘柱表面，然后通过四维位移台的Z轴平移来控制试品的升降，通过绕Z轴旋转使探针测量绝缘柱表面一周的电位分布。最终得到表面电位的分布特性，并进一步通过反算得到表面电荷的分布。结合沿面流注发展的动态特性，以及沿面放电后表面电荷的分布，分析表面电荷对绝缘介质的影响规律和作用机制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。