CN104020380A - 不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有高压SF₆环境下绝缘子表面聚积电荷模拟装置的不足，提供一种不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统和方法，能够精确控制试验电极的温度，模拟不同温度下绝缘子表面电荷的聚积状况，探究绝缘子表面电荷分布对其沿面闪络电压的影响，为绝缘子表面电荷聚积现象的深入研究提供可靠的实验基础。

Description

不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统和方法

技术领域

本发明属于高电压设备与电子技术模拟实验领域。

背景技术

气体绝缘封闭开关设备(简称GIS)以其绝缘强度高、占地面积少、不受外界环境影响、检修周期长和维护量少等优势在我国电力系统中得到广泛应用。与交流GIS相比，绝缘子表面电荷聚积一直是影响直流GIS大量实用化的关键技术难题之一。在直流高压作用下，GIS内部绝缘子表面容易积聚电荷，而积聚的电荷可能畸变绝缘子沿面原有的电场分布，导致绝缘子绝缘特性的严重下降，引起绝缘故障。随着我国直流高压输电工程的快速发展，直流GIS的重要性日趋明显，因此很有必要就此方面展开深入的研究，以便促进直流GIS的研发。

在不同负载下，正常运行的GIS内部母线温度的变化范围为20～105℃。随着母线温度的变化，与之紧密接触的绝缘子表面温度也会随之改变，进而导致绝缘子体积电导率、表面电导率以及介电常数的改变。据研究表明，影响GIS内部绝缘子表面电荷聚积和消散的主要因素为：绝缘子的介电常数、绝缘子的体积电阻率、绝缘子的表面电阻率，绝缘子温度的变化可能导致其绝缘特性的严重下降。同时，国内外学者关于温度对绝缘子表面电荷动态特性及其闪络电压的影响还鲜有研究，因此急需开展不同温度下绝缘子表面聚积电荷的实验研究。

目前，对于绝缘子表面聚积电荷现象的研究，国内外学者大多还停留在实验阶段，所采用的实验装置也存在许多不足之处，如：(1)绝缘子模型多采用便于测量的薄片圆柱形，实验多在低压大气中进行，而这些与气体绝缘设备内部实际的绝缘情况严重不符；(2)表面电荷测量系统只能扫描测量形状固定单一的绝缘子模型，不便于开展大量的实验研究；(3)实验装置无温度控制系统，不能对绝缘子的温度进行控制，进而不能开展不同温度下绝缘子表面聚积电荷的实验研究。为了深入地研究绝缘子表面电荷聚集现象，找出不同温度下绝缘子表面聚积电荷的情况，进而缩短直流气体绝缘设备的研制周期，促进直流GIS的实用化，很有必要对现有的表面电荷测量系统进行多方面的改进，使其能够模拟GIS母线在不同温度下绝缘子表面聚积电荷的情况。

发明内容

本发明针对现有高压SF₆环境下绝缘子表面聚积电荷模拟装置的不足，提供一种模拟GIS母线在不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统，能够精确控制试验电极的温度，模拟不同温度下绝缘子表面电荷的聚积状况，探究绝缘子表面电荷分布对其沿面闪络电压的影响，为绝缘子表面电荷聚积现象的深入研究提供可靠的实验基础。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统，包括主壳体、侧向壳体、上平行板电极、下平行板电极、静电测量探头、高速高压静电电位计、电晕针、温控系统、实验电路。

所述主壳体是上、下端均敞口的中空圆柱筒，所述侧向壳体是一端敞口、另一端封闭的中空圆柱筒。所述侧向壳体的敞口端连接在主壳体的筒壁上。所述主壳体的筒壁开有通孔，所述侧向壳体的敞口端与所述主壳体筒壁上的通孔连通。所述电晕针的一端穿入所述主壳体的筒壁、另一端露在所述主壳体的外部。

所述主壳体的上端敞口通过上盖板密封。所述上盖板嵌入高压套管。所述高压套管是一个上下端均封闭的中空的圆柱筒，其筒体上开有上进出气口。所述高压套管的上、下端开有供高压导电杆穿过的通孔。所述高压导电杆上端连接高压电源、下端穿过高压套管进入所述主壳体的内腔。所述上平行板电极位于主壳体的内腔之中。上平行板电极的下表面水平、上表面与所述高压导电杆的下端连接连接。

所述主壳体的下端敞口通过下盖板密封。所述上盖板上开有下进出气口。

所述下盖板上开有供纵向旋转轴穿过的通孔、供第一纵向光杆穿过的通孔和供第二纵向光杆穿过的通孔。

所述纵向旋转轴、第一纵向光杆和第二纵向光杆均垂直于水平面，纵向旋转轴位于第一纵向光杆和第二纵向光杆之间。所述第三步进电机、第四步进电机和第五步进电机安装在所述下盖板的下方。

所述下平行板电极位于主壳体的内腔之中，且位于所述上平行板电极的下方。被测试件位于所述下平行板电极的上表面与上平行板电极的下表面之间。所述下平行板电极接地。

所述下平行板电极具有贯穿其上下表面的通孔。所述纵向旋转轴的上端先穿过下盖板并伸入到主壳体的内腔之中，再穿过所述上平行板电极上的通孔后，与所述被测试件的下端固定连接。所述纵向旋转轴的下端与第五步进电机的转轴连接，通过第五步进电机带动所述纵向旋转轴及其所述被测试件旋转。所述第五步进电机和纵向旋转轴，及连接在纵向旋转轴上端的被测试件，由第六步进电机带动升降。

所述第一纵向光杆和第二纵向光杆的上端穿过下盖板并伸入到主壳体的内腔之中后，固定连接在所述上平行板电极的下表面。所述第一纵向光杆由第三步进电机带动升降。所述第二纵向光杆由第四步进电机带动升降。

所述静电测量探头位于侧向壳体的内腔之中。所述静电测量探头通过信号传输线与高速高压静电电位计连接。通过第一步进电机控制静电测量探头与水平面的夹角。通过第二步进电机控制静电测量探头与所述被测试件之间的距离。所述第一步进电机和第二步进电机安装在侧向壳体的外部。

所述温控系统包括发热体、温度传感器和温度控制装置。所述发热体和温度传感器安装在下平行板电极的下表面。所述温度控制装置用于控制所述发热体的温度。

所述实验电路包括调压器、无晕试验变压器、高压硅堆、无局放保护电阻、滤波电容器、电阻分压器和静电电压表。所述调压器的一次侧接入市电。所述调压器的二次侧与无晕试验变压器的一次侧连接。所述无晕试验变压器的二次侧之间依次串联高压硅堆、无局放保护电阻和电阻分压器。所述电阻分压器与无晕试验变压器的二次侧连接的一端接地。所述滤波电容器并联在所述电阻分压器的两端。所述静电电压表用于检测实验时加在电阻分压器上的电压。还包括第一导线和第二导线。实验时：所述第一导线的一端连接电阻分压器的高压端、另一端连接高压导电杆4。所述第二导线的一端连接电阻分压器的高压端、另一端连接电晕针。所述电晕针一端穿过所述第四静密封座进入罐体内，用于人工产生电晕使所述绝缘子表面快速聚积电荷，进而便于开展相关的试验研究。

本发明还公开一种利用上述系统进行实验的方法，包括以下步骤：

1)将作为被测试件的绝缘子固定在所述纵向旋转轴的上端，安装好所述高压套管、主壳体和侧向壳体；检查所述高压套管、主壳体和侧向壳体的气密性；向主壳体中冲入具有压力的气体；

2)通过调节绝缘子运动控制系统，使得绝缘子上端与上平行板电极良好接触、下端与所述下平行板电极良好接触。

3)通过加热系统，利用发热体加热下平行板电极，使绝缘子表面温度到达实验设定值T并维持不变；

4)通过手动控制，将电晕针伸入罐体内部，接近绝缘子侧表面，使其到达电晕作用位置；接着对电晕针施加正/负极性高压U，利用电晕针针尖处产生的电晕使绝缘子表面聚积电荷；经过一段时间t后，停止对电晕针施加电压，并将电晕针退回到主罐体内部边缘位置；

5)使上平行板电极和下平行板电极与被测绝缘子分离，并让静电测量探头对绝缘子的表面电荷进行扫描测量；

6)使静电测量探头退回到侧向壳体中，绝缘子上、下端重新和上、下平行板电极良好接触；

7)采用逐步升压法，对绝缘子两端施加电压，直到绝缘子发生沿面闪络，得到闪络电压值V；

8)将绝缘子从罐体中取出，利用无水乙醇擦洗其表面，完全消除其表面电荷，重复进行步骤1)～7)，其中，改变步骤3)所述的实验设定温度值T；

9)根据步骤5)获得的结果，得到不同温度下绝缘子表面聚积电荷的分布信息；根据步骤7)获得的结果，得到不同温度下绝缘子沿面闪络电压值。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

1、本发明公开的模拟GIS母线在不同温度下绝缘子表面聚积电荷的实验装置，利用发热体对下平行板电极进行加热，较好地模拟了GIS母线在不同负载下的发热情况，有利于更为真实地模拟不同温度下绝缘子表面聚积电荷的情况，这将极大地促进直流GIS的研发和实用。

2、本发明提出的表面电荷测量装置，利用两套运动控制系统的协调运作，可以同时实现静电测量探头和绝缘子的一种转动和一种平动，保证静电测量探头可以逐步扫描测量到待测绝缘子表面的每一个部位，测量速度快、测量精度高。

3、本发明装置中，利用电晕针针尖处产生的电晕，使绝缘子的表面聚积电荷，这种处理方式作用速度快，且利于控制；同时采用电晕法使绝缘子表面带电能够较好地控制电荷聚积的位置，有利于后续开展绝缘子表面电荷聚积部位对其沿面闪络特性的影响研究。

4、本发明装置能够承受最高0.4MPa的气体高压，同时采用平行平板电极结构模拟GIS内部稍不均匀电场的分布，这将极大地使实验环境接近真实GIS，提高实验数据的准确度。

5、本发明公开的实验装置和实验方法，能够完成不同温度下绝缘子表面聚积电荷情况的实验，探究不同温度下绝缘子的沿面闪络特性，同时利用绝缘子表面聚积电荷对其沿面闪络过程进行解释，有利于进一步揭示绝缘子沿面闪络的机理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为静电测量探头驱动部分的示意图(俯视图)；

图3为被测试件驱动部分的示意图；

图4为下平行板电极的局部仰视图；

图5为低压加热电路部分的原理框图。

图中：高压套管1、上进出气口2、第一静密封座圈3、高压导电杆4、上盖板5、第二静密封座圈6、上平行板电极7、主壳体8、侧向壳体9、下盖板10、第一动密封座圈11、横向旋转轴12、第一减速器13、第一步进电机14、横向滑块15、第二步进电机16、横向滚珠丝杆17、横向导轨18、横向光杆19、静电测量探头20、底部支架21、信号传输线22、第三静密封座圈23、绝缘子24、下平行板电极25、纵向旋转轴26、第一纵向光杆27、第二纵向光杆28、底座29、下进出气口30、第一角座31、第二动密封座圈32、第三动密封座圈33、第四动密封座圈34、第二角座35、第一纵向滑轨36、第二纵向滑轨37、第一纵向滑块38、第二纵向滑块39、第一纵向滚珠丝杆40、第二纵向滚珠丝杆41、第三步进电机42、第四步进电机43、第五步进电机44、第二减速器45、多功能运动控制器46、高速高压静电电位计47、交流电源模块48、直流电源模块49、转轴固定架50、主动圆锥齿轮51、从动圆锥齿轮52、齿轮转轴53、探头架54、第三角座55、第六步进电机56、第三纵向滚珠丝杆57、第三纵向滑轨58、第三纵向滑块59、第四静密封座圈500、电晕针510、发热体520、温度传感器530、发热体接线柱540、温度传感器接线柱550、温度控制装置560、智能数显温度调节仪570、稳压管580、固态继电器590、开关电源60、第三角座61、第六步进电机62、第三纵向滚珠丝杆63、第三纵向滑轨64、第三纵向滑块65、转轴固定架66、主动圆锥齿轮67、从动圆锥齿轮68、齿轮转轴69、探头架70。

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，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统，包括主壳体8、侧向壳体9、上平行板电极7、下平行板电极25、静电测量探头20、高速高压静电电位计47、电晕针510、加热系统、实验电路。

所述主壳体8是上、下端均敞口的中空圆柱筒，所述侧向壳体9是一端敞口、另一端封闭的中空圆柱筒。实施例中，所述主壳体8的轴向垂直于水平面，所述侧向壳体9轴向平行于水平面。所述侧向壳体9的敞口端连接在主壳体8的筒壁上。所述主壳体8的筒壁开有通孔，所述侧向壳体9的敞口端与所述主壳体8筒壁上的通孔连通。即上述侧向壳体9罩在主壳体8侧壁上的开口，其结合处具有气密性，使得侧向壳体9的内腔与主壳体8的内腔连通。实施例中，所述主壳体8的形状为圆筒形，外径300mm，厚度5mm，高度500mm，材料采用透明效果良好的有机玻璃，便于观察内部的实验情况。所述侧向壳体9为圆筒形有机玻璃，外径150mm，厚度5mm，长度100mm，横向放置并利用有机玻璃粘连工艺与主壳体8侧边紧密贴合在一起，二者的内部连通，气密性良好。所述主壳体8和侧向壳体9共同构成实验罐体。所述实验罐体机构内部能够承受-0.2～+0.4MPa的气压。

所述电晕针510的一端穿入所述主壳体8的筒壁、另一端露在所述主壳体8的外部。实施例中，所述主壳体8筒壁上嵌入第四静密封座圈500，所述电晕针510(具有针尖的一端)从入第四静密封座圈500中穿入到主壳体8内部。

所述主壳体8的上端敞口通过上盖板5密封。所述上盖板5嵌入高压套管1。所述高压套管1是一个上下端均封闭的中空的圆柱筒，其筒体上开有上进出气口2。所述高压套管1的上、下端开有供高压导电杆4穿过的通孔。所述高压导电杆4上端连接高压电源、下端穿过高压套管1进入所述主壳体8的内腔。所述上平行板电极7位于主壳体8的内腔之中。优选地，所述上盖板5中心位置处嵌入所述高压套管1，通过有机玻璃粘连工艺进行紧密粘合，保证高压套管1的外壁与上盖板5的接触处具有很好的气密性。所述高压套管1为圆柱形有机玻璃，中心位置嵌入所述高压导电杆4，高压导电杆4和高压套管1接触处采用第一静密封座圈3和所述第一静密封座圈6进行密封，以保证高压导电杆4穿过高压套管1后，不影响高压套管1的密封性。所述第一静密封座圈3和所述第一静密封座圈6内部可以采用单层O型密封圈技术，使高压套管1能够承受3-4个大气压的高压而不泄漏，所述高压套管1外径100mm，厚度5mm，高度1000mm，实验时，其内部冲入一定压力的SF₆气体等绝缘气体，进一步防止高压导电杆4与上盖板5螺栓之间的悬浮电位放电。所述上进出气口2位于高压套管1的上端面，用于高压套管1内部的换取气，所述下进出气口30位于实验罐体的底部，穿过上盖板5和底座29，用于实验罐体内部的换取气。

上平行板电极7的下表面水平、上表面与所述高压导电杆4的下端连接连接。实施例中，所述高压导电杆4为一长度为1300mm，直径为7mm的圆柱形黄铜导电杆。所述上平行板电极7采用黄铜制成，厚度11mm，直径100mm，在所述上平行板电极7上表面的中心位置设置有深度为5mm，直径为6.5mm的圆柱形螺孔，用于实现上平行板电极7上表面与高压导电杆4下端之间的连接。

所述主壳体8的下端敞口通过下盖板10密封。所述下盖板10上开有下进出气口30。实施例中，所述上盖板5外径300mm，厚度5mm，材料为有机玻璃。所述下盖板10外形尺寸和材料与上盖板5一样。上盖板5、下盖板10和主壳体8连接处具有气密性。实施例中，是通过螺栓实现上、下盖板10与主壳体8的紧固，所述螺孔直径为8mm，通过常用的镶嵌方式或静密封技术来保证接触部位的气密性。进一步，还包括一个不锈钢材料制成底座29，其外径450mm，厚度8mm，放置在整个实验装置的底部，并通过螺栓与主壳体8和下盖板10紧密相连，起着支撑和接地的作用。

所述下平行板电极25位于主壳体8的内腔之中，且位于所述上平行板电极7的下方。被测试件位于所述下平行板电极25的上表面与上平行板电极7的下表面之间。所述下平行板电极25连接高压电源。实施例中，所述下平行板电极25厚度为11mm，直径为100mm，材料为黄铜，在所述下平行板电极25中心处有一直径8mm的通孔，以便于所述纵向旋转轴26的通过。所述被测试件是绝缘子24，其是由无填充材料的环氧树脂制成，形状为圆台型，上端面直径55mm，下端面直径80mm，高度50mm，在所述绝缘子24下端面中心位置处设有一深度5mm，直径6.5mm的螺孔，用于和纵向旋转轴26连接，所述纵向旋转轴26材料为黄铜，直径6mm，长度300mm，用于带动绝缘子24做旋转和纵向运动。在所述下平行板电极25的外径边缘处有两个深度5mm，直径6.5mm的螺孔，用于连接所述第一纵向光杆27和所述第二纵向光杆28，所述第一纵向光杆27和所述第二纵向光杆28均采用黄铜制成，直径6mm，长度300mm，用于支撑和带动下平行板电极25。

实施例中，所述下盖板10上开有供纵向旋转轴26穿过的通孔、供第一纵向光杆27穿过的通孔和供第二纵向光杆28穿过的通孔。这些通孔与杆体的接触部位具有气密性。

所述纵向旋转轴26、第一纵向光杆27和第二纵向光杆28均垂直于水平面，纵向旋转轴26位于第一纵向光杆27和第二纵向光杆28之间。所述第三步进电机42、第四步进电机43和第五步进电机44安装在所述下盖板10的下方。这样就使得各个步进电机位于主壳体8外部，提高了整个实验装置的安全性。

所述下平行板电极25位于主壳体8的内腔之中，且位于所述上平行板电极7的下方。被测试件位于所述下平行板电极25的上表面与上平行板电极7的下表面之间。实验时，所述下平行板电极25接地，即所述纵向旋转轴26、第一纵向光杆27和/或第二纵向光杆28连接接地线。所述上平行板电极7和所述下平行板电极25之间构成一稍不均匀电场，用以模拟SF₆气体绝缘设备内部中心导体与低压电极之间近似的匀强电场。

所述下平行板电极25具有贯穿其上下表面的通孔。所述纵向旋转轴26的上端先穿过下盖板10并伸入到主壳体8的内腔之中，再穿过所述上平行板电极7上的通孔后，与所述被测试件的下端固定连接。所述纵向旋转轴26的下端与第五步进电机44的转轴连接，通过第五步进电机44带动所述纵向旋转轴26及其所述被测试件旋转。所述第五步进电机44和纵向旋转轴26，及连接在纵向旋转轴26上端的被测试件，由第六步进电机56带动升降。

所述第一纵向光杆27和第二纵向光杆28的上端穿过下盖板10并伸入到主壳体8的内腔之中后，固定连接在所述上平行板电极7的下表面。所述第一纵向光杆27由第三步进电机42带动升降。所述第二纵向光杆28由第四步进电机43带动升降。实施例中，第一纵向光杆27的下端连接第一纵向滑块38，所述第一纵向滑块38通过第三步进电机42推动或拉动，使其发生纵向位移。所述第二纵向光杆28的下端连接第二纵向滑块39，所述第四步进电机43驱动所述第二纵向滑块39在竖直方向上运动，使其发生纵向位移。即使得与第一纵向光杆27和第二纵向光杆28的上端相连的所述下平行板电极25，由第三步进电机42和第四步进电机43带动升降。

所述被测试件通过第五步进电机44带动旋转。所述下平行板电极25通过第三步进电机42和/或第四步进电机43带动升降。所述第三步进电机42、第四步进电机43和第五步进电机44安装在所述主壳体8的外部。

所述静电测量探头20位于侧向壳体9的内腔之中。所述静电测量探头20通过信号传输线22与高速高压静电电位计47连接。通过第一步进电机14控制静电测量探头20与水平面的夹角。通过第二步进电机16控制静电测量探头20与所述被测试件之间的距离。所述第一步进电机14和第二步进电机16安装在侧向壳体9的外部。所述静电测量探头20为开尔文震荡静电探头，美国Trek公司生产，型号为3453ST，能够在高温、高气压、高湿度(最高温度达100℃，最高气压达0.4MPa，最高湿度达95％)的环境下工作。所述静电测量探头20形状为长方体，长76.2mm，宽11.1mm，高11.8mm，通过所述信号传输线22将采集的电荷信息传递给所述高速高压静电电位计47做进一步数据分析和计算，所述信号传输线22经所述第三静密封座圈23穿入实验罐体中，以保证整个罐体的密封性。所述第三静密封座圈23与第一静密封座圈3相同。所述高速高压静电电位计47为美国Trek公司生产，型号341B，能够测量的直流或者交流高压，测量速度快达200us/kV，灵敏度高至0.1％，所述交流电源模块48以380kV/50Hz的市电电压为所述高速高压静电电位计47供能。

参见图4和5，所述加热系统包括发热体520、温度传感器530和温度控制装置50。所述发热体520和温度传感器530安装在下平行板电极25的下表面。所述温度控制装置50用于控制所述发热体520的温度。所述温度控制装置50位于主壳体外部，所述发热体520和温度传感器530通过导线与温度控制装置50连接。这些导线与主壳体之间具有气密性。

所述实验电路包括调压器T1、无晕试验变压器T2、高压硅堆D、无局放保护电阻R3、滤波电容器C、电阻分压器R和静电电压表V。所述调压器T1为市购自耦式调压器产品，基本参数为380V/60kVA/140A，其一次侧接入市电380V/50Hz。所述调压器T1的二次侧与无晕试验变压器T2的一次侧连接。无晕试验变压器T2的额定容量为60kVA，高低压绕组变比为60kV/400V，额定电流为1.0A/150A，最大局放量小于5pC。所述无晕试验变压器T2的二次侧之间依次串联高压硅堆D(用以将交流电整流为直流电)、无局放保护电阻R3(20kΩ/100kV，市购产品)和电阻分压器R。所述电阻分压器R与无局放保护电阻R3连接的一端为高压端、另一端为低压端。所述电阻分压器R与无晕试验变压器T2的二次侧连接的一端(低压端)接地。所述滤波电容器C(用以减小经高压硅堆3整流后电压、电流的纹波因数)并联在所述电阻分压器R的两端。所述静电电压表V用于检测实验时加在电阻分压器R上的电压。实施例中，所述电阻分压器R包括两个串联的第一电阻R1和第二电阻R2。所述静电电压表V检测其中一个电阻两端的电压，即可得到电阻分压器R两端的电压。实施例中，所述电阻分压器6的分压比为1/100，额定电压为100kV。

还包括第一导线L1和第二导线L2。实验时：所述第一导线L1的一端连接电阻分压器R的高压端、另一端连接高压导电杆4。所述第二导线L2的一端连接电阻分压器R的高压端、另一端连接电晕针510。

实施例2：

一种不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统进行实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将作为被测试件的绝缘子24固定在所述纵向旋转轴26的上端。

安装好所述高压套管1、主壳体8和侧向壳体9。检查所述高压套管1、主壳体8和侧向壳体9的气密性。通过上进出气口2向所述高压套管1内充入气体。通过下进出气口30向所述主壳体8和侧向壳体9内充入气体。实施例中，所述气体的成分根据实验要求确定，一般地，充入0.2～0.3MPa的SF₆等绝缘气体。

2)通过调节绝缘子运动控制系统，使得绝缘子24上端与上平行板电极7良好接触、下端与所述下平行板电极25良好接触。即通过调节各个步进电机，使得绝缘子24上端与上平行板电极7接触、下端与所述下平行板电极25接触。

3)通过加热系统，利用发热体520加热下平行板电极25，使绝缘子24表面温度到达实验设定值T并维持不变；实施例中，T＝20～120℃。

4)通过手动控制，将电晕针510伸入罐体内部，接近绝缘子24侧表面，使其到达电晕作用位置；接着对电晕针510施加正/负极性高压U(即单独对电晕针施加电压，第一导线L1与高压导电杆4断开；第二导线L2连接电晕针510)，利用电晕针510针尖处产生的电晕使绝缘子24表面聚积电荷；经过一段时间t后，停止对电晕针510施加电压，并将电晕针510退回到主罐体内部边缘位置。本实施例中，t＝5～30min。

5)使上平行板电极7和下平行板电极25与被测绝缘子24分离，并让静电测量探头20对绝缘子24的表面电荷进行扫描测量；

6)使静电测量探头20退回到侧向壳体9中，绝缘子24上、下端重新和上、下平行板电极良好接触；

7)采用逐步升压法，对绝缘子24两端施加电压，直到绝缘子24发生沿面闪络，得到闪络电压值V；即所述高压导电杆4连接电源(可以通过第一导线L1)，所述下平行板电极25接地。该电压可以是直流、交流或冲击。绝缘子发生沿面闪络后，撤去绝缘子24两端的电压。通过调节各个步进电机，使上平行板电极7和下平行板电极25与被测绝缘子24分离。之后，所述上平行板电极7和下平行板电极25均接地。

8)将绝缘子从罐体中取出，利用无水乙醇擦洗其表面，完全消除其表面电荷，重复进行步骤1)～7)，其中，改变步骤3)所述的实验设定温度值T；

9)根据步骤5)获得的结果，得到不同温度下绝缘子表面聚积电荷的分布信息；根据步骤7)获得的结果，得到不同温度下绝缘子沿面闪络电压值。

进一步地，本实施例的步骤5〕中，通过第二步进电机16带动静电测量探头20进入主壳体8内部，并慢慢接近待测绝缘子24侧面到一定的距离。通过第六步进电机56带动绝缘子的升降，使静电测量探头20到达绝缘子24侧面的上边缘位置，即起始测量位置。通过第一步进电机14调整静电测量探头20的测量角度，使其与绝缘子24表面垂直，并保持一定的距离。本实施例的步骤5〕中，根据被测绝缘子24侧面的曲线方程和所需的测量圈数，计算出静电测量探头20和绝缘子24的运动轨迹，并在多功能运动控制器46上编写相关的运动程序，用于控制步进电机完成整个测量动作。即通过第五步进电机44带动所述绝缘子24旋转，并利用静电测量探头20完成对绝缘子24侧面(表面)一圈的扫描测量。之后，通过调整步进电机让绝缘子24上升一定的高度，重新调整静电测量探头20，使其与准绝缘子24表面垂直，重复上面的动作完成绝缘子表面第二圈的扫描测量。以此类推，通过让绝缘子24逐渐上升和控制静电测量探头20，完成对绝缘子24的上边缘到其下边缘的扫描，即完成对绝缘子表面电荷的扫描测量。在整个测量过程中，静电测量探头20与绝缘子24侧面待测位置处始终保持垂直，且维持一定的距离。待完成整个测量过程后，读取高速高压静电电位计47中存储的测量信息，并通过相关的数学工具进行处理，得到所需的绝缘子表面聚积电荷密度分布图。

实施例3

本实施例主要结构同实施例1。进一步地，所述高压套管1的上端位于所述上盖板5的上方，即所述高压套管1的上端露在所述上盖板5的上方。所述高压套管1的下端伸入主壳体8的内腔之中。所述高压套管1具有中空的内腔，其轴向垂直于水平面。

所述高压套管1的上、下端开有供高压导电杆4穿过的通孔。所述高压套管1上、下端的通孔中分别嵌入第一静密封座圈3和第二静密封座圈6。所述高压导电杆4的下端先穿过第一静密封座圈3、再穿过第二静密封座圈6后，伸入到所述主壳体8的内腔之中，以保证高压导电杆4的穿入不影响高压套管1的内腔和主壳体8的内腔的气密性。

实施例4

本实施例的主要结构同实施例1。

进一步地，还包括一个位于侧向壳体9内腔中的转轴固定架50。由第一动密封座圈11、横向旋转轴12、第一减速器13、第一步进电机14、第二步进电机16、横向滑块15、横向导轨18、横向滚珠丝杆17、主动圆锥齿轮51、从动圆锥齿轮52、探头架54、齿轮转轴53、转轴固定架50、横向光杆19以及底部支架21等组成控制测量探头运动的机构。

所述第二步进电机16驱动横向滑块15在水平方向上运动。所述横向滑块15连接横向光杆19的一端。所述横向光杆19的另一端穿入侧向壳体9中后，与转轴固定架50连接。实施例中，所述侧向壳体9上嵌入第一动密封座圈11，横向光杆19和横向旋转轴12均是穿过第一动密封座圈11后进入侧向壳体9的内腔之中的。实施例中，所述第一动密封座圈11镶嵌入侧向壳体9一端面的中心，内部采用双层O型密封圈设计，用以保证所述横向旋转轴12和所述横向光杆19发生旋转和横向运动时实验罐体的动态密封性，所述第一动密封座圈11形状为长方体，长为80mm，宽为50mm，高为175mm。

所述第一步进电机14固定在所述横向滑块15上。所述第一步进电机14的转轴连接横向旋转轴12的一端。所述横向旋转轴12的另一端穿入侧向壳体9中后，连接主动圆锥齿轮51。所述横向光杆19和横向旋转轴12均平行于侧向壳体9的轴向。

所述转轴固定架50上安装齿轮转轴53。所述齿轮转轴53垂直于所述横向旋转轴12，即齿轮转轴53能够旋转。所述齿轮转轴53上安装有与所述主动圆锥齿轮51相啮合的从动圆锥齿轮52。所述齿轮转轴53的一端固定连接所述静电测量探头20。

实施例中，所述横向旋转轴12采用不锈钢材料制成，直径8mm，长度300mm。优选地，所述横向旋转轴12通过焊接与所述主动圆锥齿轮51紧密相连，另一端经所述第一减速器13与所述第一步进电机14相连。所述第一步进电机14为多普康公司生产的两相步进电机，后附带两相步进驱动器(用于驱动步进电机)。所述第一步进电机14形状为正方体，边长40mm，转轴长度24mm，转轴直径5mm。所述第一减速器13为一边长30mm的正方体，与第一步进电机14转轴相连，用以减小第一步进电机14的步长，以便对横向旋转轴12的转速进行精确控制。所述主动圆锥齿轮51与所述从动圆锥齿轮52相互咬合，用以改变传动方向。所述从动圆锥齿轮52通过其中心位置的通孔嵌套在所述齿轮转轴53上，所述齿轮转轴53一端固定在所述转轴固定架上，另一端通过所述转轴固定架中心位置处的通孔与探头架54相连，所述探头架54用于夹持静电测量探头20。所述第一步进电机14带动横向旋转轴12转动时，将通过从动圆锥齿轮52使静电测量探头20在竖直方向上做0～180°的转动，便于测量时不断调整静电测量探头20的朝向使其始终垂直于绝缘子24表面的被测部分。所述主动圆锥齿轮51和所述从动圆锥齿轮52均采用不锈钢材料制成，外径22mm，内径8.5mm，高15mm。所述探头架54采用聚四氟乙烯材料制成，能耐受几十kV的高压，用于静电测量探头20与运动控制机构之间的绝缘，防止静电测量探头20测量时外表皮产生的高电压对低压运动控制机构中的器件造成破坏。

优选地，所述底部支架21材料为不锈钢，其下端通过螺栓与底座29相连，起着支撑第一步进电机14和第二步进电机16等控制测量探头运动的机构的作用。所述第二步进电机16与所述第一步进电机14相同，并与所述横向滚珠丝杆17相连，所述横向滑块15的上端与所述第一步进电机14相连，侧面与所述横向光杆19相连，并整个嵌套在所述横向滚珠丝杆17和所述横向导轨18上，所述横向光杆19一端通过所述第一动密封座圈11进入罐体内部与所述转轴固定架相连，所述横向光杆19直径为8mm，长度为300mm，材料为不锈钢，所述第二步进电机16带动滚珠丝杆转动时，滚珠丝杆上嵌套的横向滑块15会在横向导轨18上做横向运动，使得与横向滑块15相连的第一步进电机14和横向光杆19也随之做横向运动，进而实现所述静电测量探头20的横向运动，便于调节所述绝缘子24与所述静电测量探头20之间的空间距离。

实施例5

本实施例的主要结构同实施例1。

进一步地，所述第三步进电机42、第四步进电机43、第五步进电机44、第六步进电机56、第二减速器45、第二动密封座圈32、第三动密封座圈33、第四动密封座圈34、第一纵向滑块38、第二纵向滑块39、第三纵向滑块59、第一纵向滑轨36、第二纵向滑轨37、第三纵向滑轨58、第一角座31、第二角座35、第三角座55、第一纵向滚珠丝杆40、第二纵向滚珠丝杆41、第三纵向滚珠丝杆57部件共同组成作为被测试件的绝缘子24的运动控制机构。本实施例中，与所述测量探头运动机构中所使用的步进电机、减速器、动密封座圈、滑块、滑轨、滚珠丝杆等相同，除了所述第二动密封座圈32，所述第三动密封座圈33以及所述第四动密封座圈34的外形变为了的长方体。

本实施例中，所述下盖板10上开有供纵向旋转轴26穿过的通孔、供第一纵向光杆27穿过的通孔和供第二纵向光杆28穿过的通孔。所述纵向旋转轴26、第一纵向光杆27和第二纵向光杆28与下盖板10接触处安装有第二动密封座圈32、第三动密封座圈33、第四动密封座圈34，以保证其穿入主壳体8后，不影响主壳体8内腔的气密性。

所述纵向旋转轴26、第一纵向光杆27和第二纵向光杆28均垂直于水平面，纵向旋转轴26位于第一纵向光杆27和第二纵向光杆28之间。所述第三步进电机42、第四步进电机43和第五步进电机44安装在所述主壳体8的下方。

所述下平行板电极25具有贯穿其上下表面的通孔。所述纵向旋转轴26的上端先穿过下盖板10并伸入到主壳体8的内腔之中，再穿过所述上平行板电极7上的通孔后，与所述被测试件固定连接。所述纵向旋转轴26的下端与第五步进电机44的转轴连接，优选第，该处还安装有第二减速器45。

所述第一纵向光杆27和第二纵向光杆28的上端穿过下盖板10并伸入到主壳体8的内腔之中后，固定连接在所述上平行板电极7的下表面。所述第一纵向光杆27的下端连接第一纵向滑块38，所述第一纵向滑块38通过第三步进电机42推动或拉动。所述第二纵向光杆28的上端连接、第二纵向滑块39，所述第四步进电机43驱动所述第二纵向滑块39在竖直方向上运动。进一步地，所述第一角座31、所述第二角座35以及所述第三角座55外形均为边长20mm的正方体，材料为不锈钢，与所述底座29焊接在一起，起着固定支撑所述第一纵向滑轨36，所述第二纵向滑轨37以及所述第三纵向滑轨58的作用。所述第三步进电机42、第一纵向滚珠丝杆40、第一纵向滑轨36、第一纵向滑块38、第五步进电机44、第二纵向滚珠丝杆41、第二纵向滑轨37、第二纵向滑块39组合成一个运动分系统，同时驱动所述第一纵向光杆27和所述第二纵向光杆28的运动，进而达到控制所述下平行板电极25纵向伸缩运动的目的，其运动原理和所述测量探头横向伸缩运动原理一样。同理，所述第四步进电机43、第六步进电机56、第二减速器45、第三纵向滚珠丝杆57、第三纵向滑轨58、第三纵向滑块59组合成另一个运动分系统，用于驱动所述纵向旋转轴26的纵向伸缩和旋转运动，进而达到控制所述绝缘子24空间位置的作用，便于配合所述静电测量探头20对所述绝缘子24的表面电荷进行测量，其运动原理和所述静电测量探头20竖直方向上的转动和横向的平动原理一样。

实施例6

本实施例的主要结构同实施例1。

所述第一步进电机14、第二步进电机16、第三步进电机42、第四步进电机43和第五步进电机44均通过多功能运动控制器46控制。

所述控制机构由多功能运动控制器46、直流电源模块49组成。所述多功能运动控制器46由多普康公司生产，型号TC5520，采用高性能32位CPU，配备液晶显示器，全封闭触摸式操作键盘，能够通过程序或者手动方式对步进电机的转速、转向、回零(回到初始原始状态停止)等进行控制。所述多功能运动控制器46通过信号线与所述第一到第六步进电机的步进驱动器相连，按照预设程序或手动控制第一到第六步进电机的运动，进而达到控制静电测量探头20扫描测量绝缘子24表面电荷的目的。所述直流电源模块49能够为所述多功能运动控制器46提供所需的+24V直流电压。

实施例7

所述绝缘子温度控制机构主要由开关电源、固态继电器、稳压管、发热体、温度传感器、智能数显温度调节仪、发热体接线柱、温度传感器接线柱等组成。在所述下平行板电极下端面的外径边缘处设置有四个均匀分布的螺孔，螺孔的深度为5mm，直径为5mm，用于固定所述发热体(3个)和所述温度传感器(1个)，所述发热体与上平行板电极紧密接触，以达到加热上平行板电极，模拟GIS内部母线过载运行的目的，所述发热体为长方体，长为5mm，宽为5mm，高为10mm，材质为铝或电解铜。所述温度传感器为市购热电偶产品，紧密固体在下平行板电极的下端面，用于实时检测下平行板电极的温度。在所述下盖板上对称设置四个内径为6mm的通孔，通孔的圆心分布在一个直径为150mm的圆上，4个通孔中安装两端带有螺纹的圆柱形铜导体，铜导体穿过所述下盖板，并用环氧树脂胶进行固定密封，整个铜导体作为连接缸体内外的电源线和信号线的接线柱，四根铜导体分别作为所述发热体接线柱(两根)和所述的温度传感器接线柱(两根)。

所述发热体的两端通过外壁绝缘的铜导线分别与所述发热体接线柱位于罐体内一端的两极相连。所述的开关电源(市购产品)的输入端通过导线与220V/50Hz的市电连接，所述的开关电源的输出端(电压为12V，最大电流为10A)的正极通过导线与所述固态继电器(市购产品)输出端的正极连接，所述的开关电源输出端的负极通过导线与所述发热体接线柱位于罐体外一端的负极相连。所述的固体继电器输出端的负极通过导线与所述发热体接线柱位于罐体外一端的正极相连接，以为所述的发热体提供所需的低压直流电，为防止发热体耦合到高压加压回路的高压而对低压加热回路，在所述的固态继电器的输出端的负极和开关电源的负极之间并联所述的稳压管(市购产品，15V)，从而保护低压加热回路，此部分电路用以为发热体提供所需的低压直流电。

所述温度传感器的两端通过绝缘铜导线与所述温度传感器接线柱位于罐体内部的两极相连，所述智能数显温度调节仪(市购产品)的输入端通过导线与所述温度传感器接线柱位于罐体外部的两极连接，用以接收所述发热体温度传感器检测到的发热体的温度信号，所述固态继电器的输入端通过导线与所述智能数显温度调节仪的输出端连接，用以接收智能数显温度调节仪的控制信号，控制固态继电器的导通与关断，进而达到通过控制由开关电源向所述发热体传输直流电能的多少来对所述发热体的表面温度进行调节的目的。所述的智能数字显示温度调节仪的输出端与所述的固态继电器控制输入端连接形成温度闭环反馈控制，能够控制所述下平板电极达到实验所需的温度，进而实现对不同负载下GIS内部母线温度的模拟。

Claims (2)

1.一种不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统，其特征在于：包括主壳体(8)、侧向壳体(9)、上平行板电极(7)、下平行板电极(25)、静电测量探头(20)、高速高压静电电位计(47)、电晕针(510)、加热系统、实验电路；

所述主壳体(8)是上、下端均敞口的中空圆柱筒，所述侧向壳体(9)是一端敞口、另一端封闭的中空圆柱筒；所述侧向壳体(9)的敞口端连接在主壳体(8)的筒壁上；所述主壳体(8)的筒壁开有通孔，所述侧向壳体(9)的敞口端与所述主壳体(8)筒壁上的通孔连通；所述电晕针(510)的一端穿入所述主壳体(8)的筒壁、另一端露在所述主壳体(8)的外部；

所述主壳体(8)的上端敞口通过上盖板(5)密封；所述上盖板(5)嵌入高压套管(1)；所述高压套管(1)是一个上下端均封闭的中空的圆柱筒，其筒体上开有上进出气口(2)；所述高压套管(1)的上、下端开有供高压导电杆(4)穿过的通孔；所述高压导电杆(4)上端连接高压电源、下端穿过高压套管(1)进入所述主壳体(8)的内腔；所述上平行板电极(7)位于主壳体(8)的内腔之中；上平行板电极(7)的下表面水平、上表面与所述高压导电杆(4)的下端连接连接；

所述主壳体(8)的下端敞口通过下盖板(10)密封；所述下盖板(10)上开有下进出气口(30)；

所述下盖板(10)上开有供纵向旋转轴(26)穿过的通孔、供第一纵向光杆(27)穿过的通孔和供第二纵向光杆(28)穿过的通孔；

所述纵向旋转轴(26)、第一纵向光杆(27)和第二纵向光杆(28)均垂直于水平面，纵向旋转轴(26)位于第一纵向光杆(27)和第二纵向光杆(28)之间；所述第三步进电机(42)、第四步进电机(43)和第五步进电机(44)安装在所述下盖板(10)的下方；

所述下平行板电极(25)位于主壳体(8)的内腔之中，且位于所述上平行板电极(7)的下方；被测试件位于所述下平行板电极(25)的上表面与上平行板电极(7)的下表面之间；所述下平行板电极(25)接地；

所述下平行板电极(25)具有贯穿其上下表面的通孔；所述纵向旋转轴(26)的上端先穿过下盖板(10)并伸入到主壳体(8)的内腔之中，再穿过所述上平行板电极(7)上的通孔后，与所述被测试件的下端固定连接；所述纵向旋转轴(26)的下端与第五步进电机(44)的转轴连接，通过第五步进电机(44)带动所述纵向旋转轴(26)及其所述被测试件旋转；所述第五步进电机(44)和纵向旋转轴(26)，及连接在纵向旋转轴(26)上端的被测试件，由第六步进电机(56)带动升降；

所述第一纵向光杆(27)和第二纵向光杆(28)的上端穿过下盖板(10)并伸入到主壳体(8)的内腔之中后，固定连接在所述上平行板电极(7)的下表面；所述第一纵向光杆(27)由第三步进电机(42)带动升降；所述第二纵向光杆(28)由第四步进电机(43)带动升降；

所述静电测量探头(20)位于侧向壳体(9)的内腔之中；所述静电测量探头(20)通过信号传输线(22)与高速高压静电电位计(47)连接；通过第一步进电机(14)控制静电测量探头(20)与水平面的夹角；通过第二步进电机(16)控制静电测量探头(20)与所述被测试件之间的距离；所述第一步进电机(14)和第二步进电机(16)安装在侧向壳体(9)的外部；

所述温控系统包括发热体(520)、温度传感器(530)和温度控制装置(560)；所述发热体(520)和温度传感器(530)安装在下平行板电极(25)的下表面；所述温度控制装置(560)用于控制所述发热体(520)的温度；

所述实验电路包括调压器(T1)、无晕试验变压器(T2)、高压硅堆(D)、无局放保护电阻(R3)、滤波电容器(C)、电阻分压器(R)和静电电压表(V)；所述调压器(T1)的一次侧接入市电；所述调压器(T1)的二次侧与无晕试验变压器(T2)的一次侧连接；所述无晕试验变压器(T2)的二次侧之间依次串联高压硅堆(D)、无局放保护电阻(R3)和电阻分压器(R)；所述电阻分压器(R)与无晕试验变压器(T2)的二次侧连接的一端接地；所述滤波电容器(C)并联在所述电阻分压器(R)的两端；所述静电电压表(V)用于检测实验时加在电阻分压器(R)上的电压；还包括第一导线(L1)和第二导线(L2)；实验时：所述第一导线(L1)的一端连接电阻分压器(R)的高压端、另一端连接高压导电杆4；所述第二导线(L2)的一端连接电阻分压器(R)的高压端、另一端连接电晕针(510)。

2.采用权利要求1所述一种不同温度及气体中气固表面聚积电荷模拟实验系统进行实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将作为被测试件的绝缘子固定在所述纵向旋转轴的上端，安装好所述高压套管、主壳体和侧向壳体；检查所述高压套管、主壳体和侧向壳体的气密性；向主壳体中冲入具有压力的气体；

2)通过调节绝缘子运动控制系统，使得绝缘子上端与上平行板电极良好接触、下端与所述下平行板电极良好接触。

3)通过加热系统，利用发热体加热下平行板电极，使绝缘子表面温度到达实验设定值T并维持不变；

4)通过手动控制，将电晕针伸入罐体内部，接近绝缘子侧表面，使其到达电晕作用位置；接着对电晕针施加正/负极性高压U，利用电晕针针尖处产生的电晕使绝缘子表面聚积电荷；经过一段时间t后，停止对电晕针施加电压，并将电晕针退回到主罐体内部边缘位置；

5)使上平行板电极和下平行板电极与被测绝缘子分离，并让静电测量探头对绝缘子的表面电荷进行扫描测量；

6)使静电测量探头退回到侧向壳体中，绝缘子上、下端重新和上、下平行板电极良好接触；

7)采用逐步升压法，对绝缘子两端施加电压，直到绝缘子发生沿面闪络，得到闪络电压值V；

8)将绝缘子从罐体中取出，利用无水乙醇擦洗其表面，完全消除其表面电荷，重复进行步骤1)～7)，其中，改变步骤3)所述的实验设定温度值T；

9)根据步骤5)获得的结果，得到不同温度下绝缘子表面聚积电荷的分布信息；根据步骤7)获得的结果，得到不同温度下绝缘子沿面闪络电压值。