一种GIL中绝缘子表面电位的模拟测量装置及方法与流程

本发明属于电力设备绝缘材料表面带电现象研究技术领域，特别涉及一种gil中绝缘子表面电位的模拟测量装置及方法。

背景技术

气体绝缘金属封闭输电线路(gil)具有传输容量大、损耗小、安全性高以及环境友好等特点，能够代替传统的架空输线线路，可用于大容量和长距离的电能传输。与交流gil相比，直流gil在长期运行下绝缘子表面积聚的电荷是造成绝缘强度下降的主要原因。因此，准确地测量积聚在绝缘子表面的电荷对于直流gil输电系统的设计和优化具有重要的意义。

为了得到绝缘子表面电位分布，许多测量方法应运而生并沿用至今，如lichtenberg粉末图法、pockels效应法、静电探头法等等。在这些现有的方法中，pockels效应法可以实现表面电位的原位测量，但其应用较为复杂，仅适用于某些薄的透明材料；其余几种方法在测量中会带来电位衰减，一般是通过缩短测量过程的时间来最大程度地减少电荷衰减。静电探头法因其适应性强、易于操作等优点而被广泛应用在各种不同形状的绝缘材料的表面电位测量中。实际应用中的的gil绝缘子处于较高气压的密闭空间内，模拟测量需要在高压密闭环境下进行，才能使测量结果具备较高的可信性，现有的测试方法及装置均不能满足测量的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种gil中绝缘子表面电位的模拟测量装置及方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的模拟测量装置能够在高气压密闭腔体内完成绝缘子表面电位的模拟测量，可较真实的模拟实际中的gil绝缘子的工作环境，测量结果具有较高的可信度，能够为实际生产提供理论指导。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种gil中绝缘子表面电位的模拟测量装置，包括：密闭腔体、绝缘子、静电探头和高压电极导杆；密闭腔体的腔体壁面设置有进排气口，进排气口用于与配气装置连通；密闭腔体内安装有导轨，导轨的一端设置有第一屏蔽筒和绝缘子，绝缘子通过高压电极支撑杆可转动的设置于第一屏蔽筒内，导轨的另一端设置有第二屏蔽筒，第二屏蔽筒内设置有高压电极导杆，高压电极导杆的一端导出密闭腔体能够与高压电源相连接，第一屏蔽筒和绝缘子能够沿导轨与第二屏蔽筒和高压电极导杆相互靠近，高压电极支撑杆设置有绝缘子的一端能够与高压电极导杆连接，第一屏蔽筒通过绝缘子能够与第二屏蔽筒相连接；第一屏蔽筒及第二屏蔽筒均接地；静电探头可移动的设置在密闭腔体内，静电探头能够测量绝缘子表面电位。

进一步的，导轨包括第一导轨和第二导轨；第二导轨可移动的设置在第一导轨的一端，第二屏蔽筒固定设置在第一导轨的另一端；第二导轨上可移动的设置有第一电机，第一屏蔽筒固定设置在第二导轨上；第一电机的输出轴与高压电极支撑杆的一端固定连接，高压电极支撑杆的另一端固定设置有绝缘子。

进一步的，第二屏蔽筒包括固定部和移动部；固定部固定安装在第一导轨上，移动部可移动的安装在固定部上，移动部和固定部之间设置有复位机构。

进一步的，复位机构为复位弹簧；固定部安装移动部的一侧固定设置有滑移轨道，移动部可移动的设置于滑移轨道内，滑移轨道上设置有弹簧挡板，复位弹簧设置于移动部和弹簧挡板之间。

进一步的，绝缘子上设置有金属块，第一屏蔽筒通过绝缘子上的金属块与第二屏蔽筒相连接。

进一步的，还包括第三电机；第三电机安装在第一导轨上能够与第二导轨一起沿第一导轨运动，第二导轨为丝杠导轨，第一电机安装在丝杠导轨上，第三电机的输出轴与丝杠导轨相连接。

进一步的，还包括第四电机；第四电机安装在第二导轨上能够沿第二导轨运动，第四电机的输出轴通过传动装置与静电探头相连接，第四电机能够控制静电探头沿绝缘子的斜面做直线运动。

进一步的，绝缘子为圆台形。

进一步的，密闭腔体的腔体壁面上设置有高压电极导杆导入口，高压电极导杆导入口连接有高压套管，高压套管内设置有高压电极导杆，高压套管与高压电极导杆之间填充有环氧树脂胶。

一种gil中绝缘子表面电位的模拟测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置有绝缘子的高压电极支撑杆与高压电极导杆相连接，第一屏蔽筒通过绝缘子与第二屏蔽筒相连接；

步骤2，通过高压电源施加电压；

步骤3：电压施加完毕，高压电极支撑杆与高压电极导杆分离，第一屏蔽筒、绝缘子和第二屏蔽筒互相分离；

步骤4：静电探头靠近并垂直于圆台形绝缘子的表面；

步骤5：绝缘子旋转运动，静电探头沿绝缘子表面直线运动，完成绝缘子表面电位测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的gil中绝缘子表面电位的模拟测量装置，通过采用密闭腔体能够模拟实际gil中绝缘子的工作环境，通过进排气口能够向密闭腔体内充入不同的气体，能够调节密闭腔体内的气压；通过导轨作为地电极的第一屏蔽筒和第二屏蔽筒通过绝缘子能够连接，作为高电极的高压电极支撑杆和高压电极导杆能够连接，密闭腔体内在绝缘子附近设置有可随绝缘子移动的静电探头，采用静电探头法，通过可在较短时间内完成绝缘子表面电位的模拟测量；通过绝缘子转动和静电探头沿绝缘子表面运动，可实现密闭腔体内部绝缘子表面电位的三维测量，能够获取绝缘子表面电位的三维分布，可较真实的模拟实际中的gil绝缘子的工作环境，测量结果具有较高的可信度，能够为实际生产提供理论指导。

进一步的，第一导轨固定设置在密闭腔体内的底部，第二导轨沿第一导轨运动，第一屏蔽筒和第二屏蔽筒连接，高压电极导杆和高压电极支撑杆连接，第一电机转动带动绝缘子转动，能够实现密闭腔体内部绝缘子表面电位的三维全自动测量。

进一步的，第二屏蔽筒设置有固定部和移动部，固定部和移动部之间设置有滑移轨道，滑移轨道上安装有复位弹簧，通过复位弹簧能够缓冲第一屏蔽筒对第二屏蔽移动部的冲击，通过复位弹簧能够完成移动部的复位。

进一步的，第一导轨和第二导轨均为丝杠导轨，通过步进电机驱动丝杠导轨能够实现精确控制绝缘子沿导轨的运动距离，能够完成较精确的测量。

进一步的，测量中，静电探头只需作直线运动，绝缘子只需作旋转运动，即可实现绝缘子表面电位的三维测量。这种测量方式大大缩短了时间，仅需150s，可以大大减小电荷衰减对测量结果的影响。此外，这种旋转对称式的结构便于后续表面电荷反演算法的开发。

进一步的，绝缘子为圆台形，由平面和斜面构成，斜面与平面的倾角固定，便于测量中保证静电探头与其表面垂直。表面电荷积聚取决于绝缘子表面电场分布，而圆台形绝缘子沿面电场分布即包括法向电场分量，又包括切向电场分量，与实际盆式绝缘子表面电场分布类似，因此在圆台形绝缘子上的实验结果与实际盆式绝缘子相同，具有较强的理论参考价值，且圆台形结构更加便于表面电位测量。电极结构与gil中相同，绝缘子的设计采用与gil盆式绝缘子相似的简化结构，一方面可以保证绝缘子所处的电场环境与gil中盆式绝缘子一致，另一方面这种设计大大简化了测量步骤和缩短了测量时间，减少了表面电荷衰减过程对实验结果准确性的影响。

进一步的，高压套管与其内设置的高压电极导杆之间的空隙内填充有环氧树脂胶，用于填充气隙保证绝缘性能，进一步提高装置的安全性、可靠性和精确性。

本发明的测量方法，基于本发明的测量装置，能够模拟测量实际gil中绝缘子的表面电位，测量效率高，测量数据可靠，能够反映实际gil中盆式绝缘子表面电荷积聚情况。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一种gil中绝缘子表面电位的模拟测量装置的整体结构示意图；

图2是图1中密闭腔体的剖视结构示意图；

图3是地极和高压极的运动连接示意图；

图4是图2中绝缘子的结构示意图；

图5是本发明测试的实施例中的绝缘子表面电位测量结果图；

图6是本发明测试的实施例中的绝缘子表面电位三维分布图；

图7是本发明测试的实施例中的绝缘子表面电位三维分布示意图；

图1至图4中，1航空插头；2安全阀；3压力表；5观察窗；6静电探头引线法兰；7实验平台；8第一电机；9电机支架；10绝缘联轴器；11第一屏蔽筒；12高压电极支撑杆；13绝缘子；14环氧树脂胶；15高压套管；16移动部；17高压电极导杆；18复位弹簧；19滑移轨道；20固定部；21第一导轨；22第一导轨挡板；23第二导轨；24第二支撑架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

参考图1至图4，本发明的一种gil中绝缘子表面电位的模拟测量装置，用于高气压下缩比型gil绝缘子13表面电位的全自动测量，包括：可移动的实验平台7，密闭腔体、绝缘子13、静电探头和高压电极导杆17。

密闭腔体固定设置在可移动的实验平台7上，实验平台7的支架用于固定支撑密闭腔体，实验平台7设置有移动滚轮用于整个模拟测试装置的移动，通过设置可移动的实验平台7便于模拟测试装置的移动。可移动的实验平台7上装有电控箱，用于给内部机械装置供电，并配有指示灯，用于指示内部机械运动的状态，可移动的实验平台7可采用小板车。

密闭腔体的腔体壁面设置有两个进气口、一个排气口以及两个安全阀2。进气口和排气口用于与配气装置连通，用于充入/排出单一或混合气体，可充入不同种类的气体，如sf6，sf6/n2混合气体，co2气体，n2/co2混合气体，g3气体等；两个进气口进气时，为保证混合均匀，先充入分子量较大的气体，两种注入的气体混合24小时后即认为混合均匀。密闭腔体的工作气压为(-0.1至1)mpa，最高工作气压可达到1mpa，密闭腔体由金属材料制成并接地，密闭腔体的最大承压不低于2mpa。安全阀2设置在密闭腔体的壁面上且与密闭腔体的内部连通，用于保证腔体内的气压不超过实验中的最高气压，当腔体内气压超过安全阀2设定气压，安全阀2执行泄压动作，将多余气体排出腔体外，保证腔体内的气压为安全阀2设定气压；具体的，安全阀2设定气压上限，当密闭腔体内部气压超出安全阀2设定气压时，多余气体被排出，保证腔体内部气压仍然保持在安全阀2的设定气压。

密闭腔体内设置有压力测试装置，压力测试装置用于测试密闭腔体内的实时气压，压力测试装置包括压力表3和压力传感器。压力表3用于粗略观测密闭腔体内的实时气压，压力传感器用于精确测量密闭腔体内的实时气压，密闭腔体的壁面上开设的孔均进行密封，密封全部采用密封圈。

密闭腔体的壁面上还设置有一个或多个观察窗5用于观察表面电位测量装置的密闭腔体的运动以及放电过程中的光学信号，观察窗5具体为四个光学观察介质窗：采用石英玻璃，直径20mm，厚8mm，最高耐受气压2mpa，用于观测记录放电过程中的光信号，采集放电信息，四个观察窗5分别开在密闭腔体的不同部位，密闭腔体头部的介质窗正对绝缘子13斜面，用于采集放电时的光学信号，密闭腔体上方观察窗5主要用于观察密闭腔体内部的机械运动。

密闭腔体的壁面上还设置有两个静电探头引线法兰6，用于将静电探头的测量端引入到密闭腔体内，静电探头引出端连接有数据显示也记录装置；具体的，为保证静电探头工作良好，静电探头引线法兰6采用七根铜针穿过尼龙制成的法兰，每根铜针分别对接探头的每根引线，用于将静电探头引入到密闭腔体内部，进行绝缘子13表面电位的测量。密闭腔体的壁面上还设置有两个航空插头1，用于密闭腔体的内各个电机运动控制信号线的引出；具体的，航空插头1采用24芯圆形插头，将内部机械运动部分的引线引出到腔体外部。一个尼龙法兰，尼龙法兰上安装有高压套管15，用于将高压电极导杆17引入密闭腔体内，高压电极导杆17的最高外施电压为150kv。高压套管15采用伞裙状结构，由尼龙材料制成，为避免套管内部的气隙放电，高压套管15与其内设置的高压电极导杆17之间的空隙内填充有环氧树脂胶14，用于填充气隙保证绝缘性能。

密闭腔体内安装有导轨，导轨包括第一导轨21和第二导轨23，第一导轨21为第一丝杠导轨或者滑移导轨，第二导轨23为第二丝杠导轨，第一导轨21上设置有第一导轨挡板22，用于防止第二导轨23脱出。第二电机设置在密闭腔体的内壁上，第二电机的输出轴与第一丝杠导轨相连接。第二导轨23和第三电机通过第一支撑架安装在第一丝杠导轨的一端，第二屏蔽筒固定设置在第一导轨21的另一端。第三电机的输出轴与第二丝杠导轨相连接，第一电机8通过第二支撑架24安装在第二丝杠导轨上。第二电机能够带动第一丝杠导轨转动，使得第二导轨23和第三电机能够沿着第一丝杠导轨运动；第三电机能够带动第二丝杠导轨转动，使得第一电机8能够沿着第二丝杠导轨运动。第一电机8通过电机支架9安装在第二支撑架24上。第一电机8的输出轴通过绝缘联轴器10与高压电极支撑杆12的一端固定连接，高压电极支撑杆12的另一端固定设置有绝缘子13，绝缘子13为圆台形，第一电机8能够通过高压电极支撑杆12带动绝缘子13转动。本发明通过采用同轴圆柱电极结构及在屏蔽筒内设置高压电极，能够尽可能的模拟实际gil的稍不均匀电场分布，增强模拟测量的准确性。将绝缘子13设计为圆台形，可保证斜面电场既存在切向分量又存在法向分量，能够与实际gil中绝缘子所处电场环境一致，可进一步提高测量的精确性。

第二导轨23上固定设置有第一屏蔽筒11，自然状态下绝缘子13能够缩入第一屏蔽筒11中，第一电机8沿着第二丝杠导轨运动，能够使绝缘子13伸出第一屏蔽筒11。

第二屏蔽筒内设置有高压电极导杆17，高压电极导杆17的一端通过尼龙法兰和高压套管15导出密闭腔体，能够与高压电源相连接，第一屏蔽筒11和绝缘子13能够导轨靠近第二屏蔽筒和高压电极导杆17，高压电极支撑杆12设置有绝缘子13的一端能够与高压电极导杆17连接。第二屏蔽筒包括固定部20和移动部16；固定部20固定安装在第一导轨21上，移动部16可移动的安装在固定部20上，移动部16和固定部20之间设置有复位机构。具体为：复位机构为复位弹簧18；固定部20安装移动部16的一侧固定设置有滑移轨道19，移动部16可移动的设置于滑移轨道19内，滑移轨道19上设置有弹簧挡板，复位弹簧18设置于移动部16和弹簧挡板之间，通过复位弹簧18能够完成移动部16的复位。

静电探头可移动的设置在密闭腔体内，静电探头能够测量绝缘子13表面电位，第四电机安装在第二导轨23上能够沿第二导轨23运动，第四电机的输出轴通过传动装置与静电探头相连接，第四电机能够控制静电探头沿绝缘子13斜面做直线运动。静电探头为trek3455et型有源静电探头，用于测量绝缘材料在不同电压形式下表面积聚的电荷。

高压电极支撑杆12未安装绝缘子13的一端、第一屏蔽筒11及第二屏蔽筒均接地。为保证控制信号与高压的隔离，所有控制信号全部转换为光信号，经由光纤传输，并通过光纤转为电信号与计算机连接，这种“光电隔离的设计”保证了内部控制模块的安全性与稳定性；所有电机运动的停止信号全部由光电开关确定，各个电机的启动由计算机控制。

本发明的测量装置包括高气压实验腔体和绝缘材料表面电位测量装置两部分。高气压实验腔体即密闭腔体用于为实验提供气体氛围和气压环境，最高可耐受气压为2mpa，为保证实验人员人身安全，配有两个安全阀2，腔体上装有静电探头引线法兰6、控制信号引线航空插头1、光学信号测量介质窗、高压引线套管、进排气口等部件，采均用o型密封圈进行密封；表面电位测量装置用于测量绝缘子13在加压结束后的表面电位分布，采用同轴圆柱型电极结构以及圆台形绝缘子13，用于模拟实际gil的结构，确保测量结果能够反映实际gil中绝缘子的表面电位情况，表面电位的测量依靠于绝缘子13旋转运动与静电探头直线运动的紧密配合，可实现绝缘子13密闭腔体内部绝缘子13表面电位的三维全自动测量。

工作原理：

本发明的实施例的模拟测量装置为一种最高工作气压为1mpa高气压密闭腔体内缩比型gil盆式绝缘子表面电位的自动测量装置。通过四个电机的配合，采用静电探头的直线运动结合绝缘子13的旋转运动，实现了密闭腔体内部绝缘子13表面电位的三维全自动测量。电极结构与gil中相同，绝缘子13的设计采用与gil盆式绝缘子相似的简化结构，一方面可以保证绝缘子13所处的电场环境与实际gil中盆式绝缘子一致，另一方面可简化测量步骤和缩短测量时间，可减少表面电荷衰减过程对实验结果准确性的影响。在测量过程中，重点关注绝缘子13斜面的电荷积聚情况，由于绝缘子13斜面处于稍不均匀电场中，且斜面电场既有切向分量又有法向分量，与实际gil盆式绝缘子电场分布一致，而表面电荷积聚由绝缘子13表面电场分布决定，因此，这种小尺寸上的实验结果可以反映实际gil绝缘子表面电荷的积聚情况。本发明的模拟测量装置采用静电探头法可实现不同气体氛围、不同气压下绝缘材料表面电位的测量记录，所设计的电极结构和绝缘子13形状模拟了实际的gil，模拟测量结果可较精确反映实际gil中盆式绝缘子表面电荷积聚情况，可为实际生产提供理论支持和实验指导。

本发明的工作过程：

施加高压，第一屏蔽筒11和高压电极支撑杆12沿导轨移动分别与第二屏蔽筒和高压电极导杆17连接，保证高电极之间、地极之间接触良好。加压结束，第一屏蔽筒11和高压电极支撑杆12沿导轨移动分别与第二屏蔽筒和高压电极导杆17分开；此时，静电探头移动至靠近绝缘子13的斜表面，垂直于绝缘子13表面且距离表面为1mm，由旋转电机带动可移动部16分的高压电极支撑杆12和绝缘子13共同作旋转运动，而静电探头沿着绝缘子13斜面作直线运动。

该装置主要由四台步进电机带动运动。高压电极导杆17和屏蔽筒分别由可移动部16分和固定部20分两部分组成，其中可移动部16分可以由电机带动。其具体工作过程为：当施加高压时，由两台步进电机分别带动第一屏蔽筒11和高压电极支撑杆12移动至第二屏蔽筒，保证高压电极导杆17与高压、屏蔽筒与接地紧密连接，此时，为保证静电探头的安全，静电探头靠近第一屏蔽筒11；当加压结束，需要测量表面电位时，由步进电机带动可移动部分的高压电极支撑杆12和第一屏蔽筒11与第二屏蔽筒分离，且同时绝缘子13和第一屏蔽筒11也分离，静电探头由另一步进电机带动移动至绝缘子13表面，且距离绝缘子13表面为1mm，此为待测起点。在测量过程中，绝缘子13旋转一周，然后静电探头步进一步(约1mm)，二者配合完成绝缘子13整个表面的电位测量。

一种gil中绝缘子表面电位的模拟测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置有绝缘子13的高压电极支撑杆12与高压电极导杆17相连接，第一屏蔽筒11通过绝缘子13与第二屏蔽筒相连接；

步骤2，通过高压电源施加电压；

步骤3：电压施加完毕后，高压电极支撑杆12与高压电极导杆17分离，第一屏蔽筒11、绝缘子13和第二屏蔽筒互相分离；

步骤4：静电探头靠近并垂直于圆台形绝缘子13的表面；

步骤5：绝缘子13旋转运动，静电探头沿绝缘子13表面直线运动，完成绝缘子13表面电位测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅作为本发明的实施案例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、替换或变更，均应包含在本发明的保护范围之内。