一种湿度、气压可解耦调节的先导放电试验系统的制作方法

本发明涉及一种湿度、气压可解耦调节的先导放电试验系统，属于空气间隙先导放电设备技术领域。

背景技术：

空气间隙放电研究对于电力系统外绝缘设计具有重要意义。在研究大气湿度和气压参数对空气间隙放电影响的过程中，常需要分别模拟不同的湿度和气压环境，对不同距离的间隙进行模拟试验。试验中气压跨度较大，从低气压到高气压(1kpa至800kpa)都有涉及，故试验设备需具有较大气压耐受范围。且环境的空气湿度会随着气压的增加或减小而急剧增加或减小，如果常压下空气的相对湿度为50％左右，那么当气压增加至两个大气压时，相对湿度就会达到100％。气压和湿度的同时变化，使得试验无法做到控制单一变量。所以，模拟试验中必须使湿度和气压解耦。

先导是具有热电离过程的高电导率等离子体通道。当空气间隙(如棒板间隙、板板间隙、棒棒间隙等)距离较长(大于1m)时，空气间隙的放电过程会产生先导。由于使空气间隙放电需要加高电压，所以设备要能承受高压。另外，为了实现空气间隙距离的方便调节，设备应具有较大尺寸，且试验中应可从外部调节间隙距离。

在现有的模拟不同大气条件的实验设备中，对于研究长间隙先导放电影响因素的试验具有以下局限性：1.设备尺寸有限，现阶段间隙距离调节的范围一般小于40cm，不能实现更长的间隙距离的调节；2.改变设备中的气压时向设备中充入的气体不是绝对干燥，会引起湿度和气压同时变化，无法满足试验中单独研究一个大气参数对空气间隙放电影响的需要；3.在加高电压时无法保证设备外壳处于低电位；4.记录温度和湿度的温湿度计无法承受试验中要加的高气压；5.记录温度和湿度的温湿度计无法满足试验中实时记录温度和相对湿度的灵敏度和精度要求。

综上所述，现有的模拟不同大气条件的实验设备不能满足空气间隙放电影响因素模拟试验的需求。在长间隙先导放电领域，亟需一种可以实现湿度和气压解耦且间隙距离大、可耐受高压、间隙距离方便可调的大气环境模拟装置。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种湿度、气压可解耦调节的先导放电试验系统。本系统用于长间隙先导放电模拟试验中，研究湿度和气压参数变化对长间隙先导放电的影响，能实现湿度和气压解耦调节，能耐受大范围气压变化，且可从外部方便、安全地调节空气间隙距离。

本发明采用如下技术方案：

一种湿度、气压可解耦调节的先导放电试验系统，其特征在于，包括罐体，嵌固在所述罐体顶部中心处的穿墙套管以及位于所述罐体外部的空气干燥装置、雾化器、温湿度测量仪以及放电电场测量仪；其中，所述罐体中下部的外侧壁上分别安装有观察窗和透光镜，该罐体侧壁上还设有预留接口、多个阀门以及多个气压表；所述罐体通过水蒸气进入阀与空气干燥装置出口和/或雾化器连接，所述罐体通过预留接口与温湿度测量仪和/或放电电场测量仪连接；所述罐体底部通过均布的支柱安装有多个万向轮；所述罐体底部外侧还安装有皮带传输装置，该罐体底部内侧中心设有一长度可调节的支座，该支座上端固定有一平板电极，该支座下端与皮带传输装置固连；所述穿墙套管下端垂直伸入罐体内部且该端安装有高压侧的放电电极，穿墙套管上端突出于罐体与外部的高压引线连接，通过所述皮带传输装置调节穿墙套管下端与平板电极间的距离在10cm至70cm之间变动。

所述皮带传输装置包括固定在所述罐体底部支柱一侧的导杆、在该导杆上可往复移动的滑块、固定在所述导杆一侧的固定块、传送皮带、把手以及用于读取空气间隙距离的计数器，所述滑块、固定滑块以及罐体底部中心处均设有轴承；其中，所述传送皮带依次绕过各轴承，位于罐体底部中心的轴承与罐体内部的支座下端固连，位于固定块上的轴承与把手固连，位于滑块上的轴承与计数器固连。

所述空气干燥装置由两级过滤器和普通空气压缩机相连构成；或者所述空气干燥装置采用提供水分子浓度小于3ppm、氧气含量21％(体积)、氮气含量79％(体积)的合成空气压缩机。

本发明提出的一种湿度、气压可解耦调节的先导放电试验系统，可以实现长间隙先导放电模拟试验中，模拟大气环境湿度和气压的改变对先导放电的影响，具有以下特点和优点：

1、本发明在改变气压时实现了湿度与气压之间的解耦，采用二级过滤器或绝对干燥的合成空气压缩机调节罐体内气压，采用雾化器调节罐体内湿度，从而实现控制单一变量来研究湿度和气压对空气间隙先导放电的影响。

2、本发明的罐体底部，设计了一种显示计数的皮带传输装置，通过手动摇转把手来调节罐体内部平板电极的位置，空气间隙距离可以直接从罐体外部的计数器读出。

3、本发明采用的雾化器，基于venturi喷射原理，在增加容器内湿度方面，保证罐体隔绝外部环境的影响。雾化器利用压缩空气通过细小管口形成高速气流，产生的负压带动液态水一起喷射，并在雾化器内部经高速撞击下向周围飞溅使液态水滴变成雾状微粒从金属钽加工而成的雾化喷嘴喷出。

4、本发明在温湿度测量部分采用了一种能承受高压(例如0.8mpa)的高精度高灵敏度的温湿度测量仪器，可以实时记录温度和相对湿度的数据。

5、本发明穿墙套管与罐体的连接方式，可增大爬电距离，使罐体可以加高电压，确保罐体外壳位于低压侧。

6、本发明中罐体的观察窗和两侧的透光镜都采用光学石英玻璃，透光性好，且能耐受的气体压力强度最高。

7、本发明中两侧的透光镜都双面镀全透绿光膜，可以配合长间隙先导放电试验中的激光干涉仪使用。

附图说明

图1是本发明系统中罐体结构的主视图。

图2是图1中的a向视图。

图3是本发明系统中罐体结构的左视图。

图4是本发明系统中罐体的仰视图。

图5是本发明为实现环境湿度和气压之间解耦而采用的两种解决措施后罐内气压和相对湿度之间的关系对比图。

图中，1、罐体，2、穿墙套管，3、观察窗，4、透光镜，5、预留接口，6、支柱，7、万向轮，8、吊装孔，9、皮带传输装置，9-1、导杆，9-2、滑块，9-3、固定块，9-4、传送皮带，9-5、轴承，9-6、把手，9-7、计数器，10、支座，11、平板电极，12、安全阀，13、气体进出阀，14、出气口，15、水蒸气进入阀，16、高气压表，17、负压表。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案详细说明如下：

本发明提出的一种湿度、气压可解耦调节的先导放电试验系统，包括罐体1、嵌固在罐体1顶部中心处的穿墙套管2(参照图1)以及位于罐体1外部的空气干燥装置、雾化器、温湿度测量仪以及放电电场测量仪(该空气干燥装置、雾化器、温湿度测量仪以及放电电场测量仪均未在图中示意出)；其中，罐体1中下部的外侧壁上分别安装有观察窗3和透光镜4，罐体1侧壁上还设有预留接口5、多个阀门以及多个气压表(分别如图2、图3所示)，罐体1顶部设有吊装孔8；其中，罐体1通过水蒸气进入阀15与空气干燥装置出口和/或雾化器连接，罐体1通过预留接口5与温湿度测量仪和/或放电电场测量仪连接；罐体1底部通过均布的支柱6安装有多个万向轮7，该万向轮便于罐体的运输与移动；该罐体1底部外侧安装有皮带传输装置9，如图4所示，罐体1底部内侧中心设有一长度可调的支座10，该支座上端固定有一平板电极11，该支座下端与皮带传输装置9固连；穿墙套管2下端垂直伸入罐体1内部且该端安装有高压侧的放电电极，穿墙套管2上端突出于罐体1与外部的高压引线连接，通过皮带传输装置9调节穿墙套管2下端与平板电极11间的距离(该距离即为棒板间隙)，该距离的调节范围在10cm至70cm之间。

本发明实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：

本实施例的罐体1含穿墙套管2的总高为3.4m，占地面积约为1.5㎡。

本实施例的罐体1整体呈圆柱形，由平均厚度为8mm的不锈钢板制成，直径为1.2m，罐体1内部的容积约为3.2m³。

本实施例罐体1侧壁上设置的观察窗3上镶嵌有一块直径350mm、厚度30mm的光学石英玻璃，通过该观察窗对棒板间隙进行观察；此外该观察窗可开启。

本实施例透光镜4对称设置在与穿墙套管2下端位于同一水平面的罐体1侧壁上，本实施例的透光镜均采用直径120mm、厚度10mm的光学石英玻璃，且透光镜双面渡有厚度532nm的全透滤光膜，该透光镜用于透过外部激光干涉仪所产生的激光，进一步地，通过该激光干涉仪并利用已有的光干涉原理对先导进行测量(具体的测量技术不属于本发明技术方案范畴)。

本实施例的预留接口5为常规的可拆卸法兰盘，通过该法兰盘可实现以下功能：1)通过将光电电场传感器固定在该法兰盘处用于测量主罐体内的放电电场；2)通过将温湿度传感器与该法兰盘相连用于测量罐体内的温湿度；3)此外，还可根据试验需要在该法兰盘处安装其他类型的测量仪器，以实现各种功能上的切换。

本实施例多个阀门包括布设在罐体1侧壁上的安全阀12、设有出气口14的气体进出阀13以及水蒸气进入阀15；其中，当罐体1内部气压大于设定的阈值(本实施例该阈值设定为800kpa)时安全阀12会自动漏气，以防止观察窗3上镜体破裂；通过气体进出阀13可通入试验所需的氧气、氮气、空气等，也可排除罐体内气体；水蒸气进入阀15用于与空气干燥装置和/或雾化器相连，改变罐体内的气压和/或湿度。本实施例所采用的各阀门均为常规产品。

本实施例多个气压表包括布设在罐体1侧壁上均带有阀门的高气压表16和负压表17，分别用于测量气压高于和低于1个大气压时的罐体内部气压；本实施例所采用的各气压表均为常规产品。

本实施例的皮带传输装置9包括固定在罐体1底部支柱一侧的导杆9-1、在该导杆上可往复移动的滑块9-2、固定在导杆9-1一侧的固定块9-3、传送皮带9-4、把手9-6以及用于读取空气间隙距离的计数器9-7，滑块9-2、固定滑块9-3以及罐体1底部中心处均设有轴承；其中，传送皮带9-4依次绕过各轴承，位于罐体1底部中心的轴承9-5与罐体1内部的支座10下端固连，位于固定块9-3上的轴承与把手9-6固连，位于滑块9-2上的轴承与计数器9-7固连；通过手动摇转把手依次带动各轴承转动，从而改变主罐体1内部平板电极11与穿墙套管2下端的空气间隙距离(即棒板间隙，此过程中，穿墙套管2的位置始终保持不变)，该空气间隙距离通过计数器读取。本实施例的空隙间距调节精度为1mm，手动摇转把手10圈则平板电极上升1cm。

本实施例的穿墙套管2为一实体的柱状结构，该穿墙套管与罐体1的连接处采用密封法兰连接，穿墙套管其余处为伞裙。本实施例的穿墙套管2总长为2.64米，伸入罐体1内侧长1.28米，位于罐体1外侧长1.36米，连接处的部分长0.4m；本穿墙套管2最大可以耐受550kv的雷电冲击电压、500kv左右的操作冲击电压。试验时，由于穿墙套管2两端分别安装高压侧的放电电极和高压引线，故穿墙套管的两端均为高压侧；而罐体1内部的平板电极11为低压侧，为确保罐体1也是低压侧，罐体1与平板电极11之间采用金属连接。

本发明的空气干燥装置由两级过滤器与普通空气压缩机相连构成，两级过滤器的出口作为空气干燥器的出口与水蒸气进入阀连接。本实施例的两级过滤器采用美国xinteks公司，型号为xt-107f的高精度两级过滤器，该两级过滤器包括主要由粗效滤网、蜂窝状聚水器、与该聚水器底部相连的排水器和与该排水器连接的自动排水阀构成的第一级过滤部件，以及采用不锈钢丝与特殊棉制成的第二级纤维过滤网；第二级纤维过滤网通过管道与罐体1侧壁上的水蒸气进气阀15相连。

本实施例空气干燥装置的具体工作流程为：在调节罐体1内部气压的初始阶段,含有水或各种杂质的普通压缩空气(高电压对空气中的一些杂质有吸附作用，所以高压实验室的空气质量都相对较差)进入第一级过滤部件产生聚结效应，压缩空气中的95％以上的水滴、油滴以及大颗粒将被吸附在粗效滤网上，并且水分会凝结成较大的水滴；然后进入空气与水分分离阶段，压缩空气速度减缓，使得杂质颗粒与水滴在蜂窝状聚水器上聚集，载着杂质颗粒的水滴沿聚水器底部流到排水的装置，并通过自动排水阀将其排出，此时，压缩空气中95％以上的水滴以及大颗粒杂质已被第一级过滤部件滤除，然后进入第二级纤维过滤网。空气进入第二级纤维过滤网后，通过该过滤网的纤维结构使得空气产生数以千计的小漩涡，同时空气被加速数十倍，在漩涡中心形成真空地带，而经第一级过滤部件未被滤除的水滴再次被汽化、转换、滤除，且小到5μm的杂质颗粒也被第二级过滤网完全滤除。该方案所采用的气源为压缩空气，可就地取材。

此外，对于罐体内试验所需气压低于3个大气压的情况，本发明的空气干燥装置还可采用可提供水分子浓度小于3ppm、氧气含量21％(体积)、氮气含量79％(体积)的高纯度的合成空气压缩机实现。该方案对湿度、气压解耦调节的效果较上述方案更佳，考虑到所采用的高纯气体混合气瓶的体积和数量因素，当罐体内试验所需气压低于3个大气压时可采用本方案。

图5是分别采用两级过滤器+普通空气源、高纯度合成空气源以及未经过处理的罐内气压和相对湿度之间的关系对比图(分别如图中圆点、三角形及方形所示)，如图5所示，在增加两项解决措施后，罐体1内的气压和湿度之间明显已经基本解耦。由于在气源处采用了合成干燥空气，这种合成空气中水的含量非常少，在1m³的合成空气中只有不超过5ml的水，因此解耦效果最佳。

本实施例的雾化器采用北京普析通用仪器有限责任公司的钽金属雾化器，型号为b305002-01-01-00。该雾化器主要包括依次连接的液态水箱、胶皮滴管、雾化喷嘴、细口输气管、粗口输气管、以及压缩空气气瓶，雾化喷嘴和细口输气管上分别设有开关阀，且雾化喷嘴由金属钽采用常规工艺制备，粗口输气管上设有转换阀；该雾化器位于主罐体1外部，该雾化器的雾化喷嘴与罐体1的水蒸气进入阀15连接。雾化器是基于venturi喷射原理，利用压缩空气通过细口输气管形成高速气流，产生的负压带动液态水一起喷射，并在雾化器内部经高速撞击下向周围飞溅使液态水滴变成雾状微粒从雾化喷嘴喷出。

本实施例的温湿度测量仪由位于罐体1外部的显示主机和安装在罐体侧壁预留接口处的温湿度传感器相连构成，传感器的探头位于罐体1内部；其中，通过显示主机的屏幕分别显示传感器处的温度和相对湿度；温度传感器的测量精度为±0.5℃，湿度传感器的测量精度为±3％rh；传感器探头的密封外壳最大可承受0.8mpa的气体压强。

在常压下减小罐体1内湿度时，由于罐体本身体积较大，且在进行改变气压试验时，要尽可能地将罐体内的绝对湿度降到3g/m³或以下，本发明采用了多种降湿的方法相结合。当罐体的湿度远大于外界的环境湿度时，采用连续充换气的方式，在水蒸气进入阀15通入经两级过滤后的压缩空气，打开气体进出阀13的出气口14(气体进出阀在打开时，若罐内气体气压高于大气压且未往罐体内通气，则该出气口出气)，这样可以将罐体内高湿度的空气逐渐排出，很快就能将罐体内的湿度降到环境湿度附近，之后湿度下降的速度开始变缓，这时可以通过开启观察窗在罐体内的平板电极上放入干燥剂，再继续充换气，过一段时间，湿度就会下降到一个最低值，这个最低值一般是3g/m³左右；另一种方式是先抽再充，抽气时最多允许抽一个大气压，所以利用负压泵抽气至真空附近的用时很短，大致在10分钟左右，然后再向主罐体内充入干燥的压缩空气或合成空气，充气至高压气压表上显示1.2个大气压，然后再打开出气口，静置主罐体将内部多余气体排出，恢复到常压。由于主罐体体积较大，判断主罐体内气压是否是常压时，不能只单纯地依靠气压表上的示数，还要仔细聆听是否还有明显进出气的声音。