CN108919071A - 同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置及方法，涉及高压输电线路技术领域。该装置包括试验模块和拍摄模块，试验模块包括透明的封闭腔体、金属盖板、透明盖板、中心导杆、高压电源、透明导电薄膜和金属微粒，拍摄模块包括直角棱镜组和高速摄像机。金属微粒放在透明导电薄膜表面，封闭腔体内抽真空后充入绝缘气体，启动高速摄像机，接通高压电源，观测金属微粒周期运动后，关闭高速摄像机，断开电源，对高速摄像机拍摄图像进行重建和三维处理。本发明能更好地观测对闪络电压影响较严重的线性金属微粒的三维运动，既能减少同步图像采集设备，也能避免图像采集带来的测量误差，且图像处理时间较快，对图像处理设备性能要求较低。
Description
技术领域
本发明涉及高压输电线路技术领域，尤其涉及一种同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置及方法。
背景技术
GIS/GIL设备自20世纪六七十年代开始应用并已广泛运行于世界各地，并在特高压输电及离岸大规模风电输送领域具有巨大应用前景。然而，GIS/GIL在输送、装配、运行中会产生一些金属碎屑或微粒，在高压运行时金属微粒会使电场畸变，高场强附近的绝缘气体或绝缘子会在电应力作用下发生局部放电，降低设备绝缘性能，如果长期发生局部放电等微放电，会使绝缘系统发生深度劣化进而影响GIS/GIL的绝缘性能。
GIS/GIL绝缘故障中绝缘子表面金属颗粒的沿面放电占有相当大的比例，主要原因是 GIS/GIL设备在生产、装配、运输以及开关动作等过程中会不可避免地在设备内部产生金属颗粒，在同轴电极条件下，这些金属颗粒的自由运动能够急剧降低绝缘气体的绝缘水平，进而引发同轴圆柱腔体内的局部放电。金属颗粒如游离到绝缘子的表面，在某些条件下被固定下来时，表面局部电场将被集中，绝缘子表面的闪络电压将显著降低；因此金属颗粒引起的绝缘故障可以分为金属颗粒引起的绝缘气体介质击穿和金属颗粒附着在绝缘子表面形成的绝缘子沿面放电而导致的闪络。金属微粒的运动行为是其影响GIS/GIL绝缘强度的主要方式，而微粒的运动特性与外施电压类型有密切联系。同轴电极作为GIS/GIL的基本结构，因而，研究在同轴条件下，交流、直流、冲击等不同电压类型与微粒的运动特性和设备绝缘劣化的关系是GIS/GIL中金属微粒无害化研究的重要内容。GIS/GIL中金属微粒的存在形式主要有线形、片形、粉尘等。研究发现由于线形微粒本身结构的不均匀性导致其在电场作用下自身电荷分布存在极性特点，因而线形微粒引起电场畸变的能力最强，因而其降低设备绝缘强度的作用也最大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置及方法，能更好地观测对闪络电压影响比较严重的线性金属微粒的三维运动，既能减少同步图像采集触发设备的投入，节约成本，同时亦能避免图像采集对应带来的测量误差，且图像处理时间较快，对图像处理设备性能要求较低。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置，包括试验模块和拍摄模块，其中试验模块包括透明的封闭腔体、金属盖板、透明盖板、中心导杆、高压电源、透明导电薄膜和金属微粒，拍摄模块包括直角棱镜组和高速摄像机；
所述封闭腔体为圆筒状，一端的盖板为透明盖板，另一端的盖板为金属盖板；封闭腔体的外壳上设有充气阀，可连接外部的气体设备；所述中心导杆作为高压电极，贯穿整个封闭腔体，中心导杆一端留在封闭腔体内，另一端通过透明盖板穿出后连接高压电源；在封闭腔体内壁上贴有透明导电薄膜，透明导电薄膜与金属盖板可靠连接，作为地电极；高压电极和地电极构成同轴电极；金属微粒表面分两部分分别涂覆色差大的导电漆，放置在透明导电薄膜表面上，试验时，在高气压下，金属微粒处在封闭腔体内中心导杆以下与透明导电薄膜之间；
直角棱镜组包括三块直角棱镜，第一块直角棱镜位于封闭腔体外侧且正对透明盖板，第二块直角棱镜位于第一块直角棱镜正对的前方，第三块直角棱镜平行位于第二块直角棱镜的出射光路上；高速摄像机设置于封闭腔体正对的前方，且第三块直角棱镜的出射光和封闭腔体中的金属微粒均位于高速摄像机的拍摄范围，且高速摄像机的焦点对正封闭腔体中的金属微粒内。
进一步地，所述高速摄像机的镜头采用广角镜头。
进一步地，所述封闭腔体外壳圆筒采用PMMA透明材质，透明盖板采用PMMA透明材质。
进一步地，所述高压电源的类型为直流电压、交流电压或冲击电压，且其电压大小可调节。
进一步地，所述金属微粒表面分两部分分别涂覆红色和蓝色的导电漆。
进一步地，所述金属微粒为线性金属微粒、球形金属微粒或片形金属微粒。
另一方面，本发明还提供一种同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量方法，采用上述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置实现，该方法包括以下步骤：
步骤1、检查试验测量装置的各部分设备是否完好，封闭腔体的气密性是否良好；若各部分设备和气密性良好，则执行步骤2，若各部分设备有损坏或气密性不好，则更换或检修试验测量装置，然后重新执行步骤1；
步骤2、在封闭腔体内透明导电薄膜上放置金属微粒；
步骤3、将封闭腔体内抽真空后，利用外部的气体设备通过充气阀向封闭腔体内充入绝缘气体至所需压强，然后关闭充气阀；
步骤4、启动高速摄像机，接通高压电源处的电源，慢慢增加电压至金属微粒在中心导杆和透明导电薄膜之间运动为止；当金属微粒运动至中心导杆数次后，观测到金属微粒的周期运动规律后，关闭高速摄像机，并断开高压电源处的电源；
步骤5、对高速摄像机经过直角棱镜组三次90°直角反射所得的模糊的侧视图图像采用超分辨率图像重建；
步骤6、对超分辨率的正视图图像和侧视图图像进行三维处理，建立X、Y、Z轴构成的坐标系，X-Z面为正视图，Y-Z面为侧视图，通过三维处理后的图像得到同轴电极下金属微粒的三维运动形态。
进一步地，所述高压电源的类型为直流电压、交流电压或冲击电压，且其电压大小可调节。
进一步地，所述金属微粒为线性金属微粒、球形金属微粒或片形金属微粒。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置及方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的试验测量装置可以在多种绝缘气体环境下工作，如SF6、CF4、N2以及环保气体；
(2)本发明的试验测量装置可应用于多种电压形态，交流电压、直流电压、冲击电压等；
(3)本发明的试验测量装置封闭腔体外筒采用透明材质，在外筒表面加了一层透明的导电薄膜，一方面连接金属盖板接地，作为地电极，另一方面更好实现了对金属微粒的全方位的观测；
(4)本发明的试验测量装置采用直角棱镜组和一台高速摄像机进行金属微粒运动三维测量，不仅减少了使用高速摄像机的数量，节约了成本，并且能够避免两个方向图像采集信号同步问题，因此本发明的装置既减少了同步图像采集触发设备的投入，同时亦避免了对应带来的测量误差；
(5)本发明的试验测量装置将金属微粒分两部分表面涂覆色差大的导电漆，可以较好反应金属微粒在水平面及垂直面转动情况，保证图像处理时可以识别金属微粒转动特性；
(6)本发明不仅可以更好的观测对闪络电压影响比较严重的线性金属微粒，还可以完成对球形金属微粒、片形金属微粒的三维运动观测；
(7)本发明可关注金属微粒方向及位置，因此采用研究金属微粒运动特性的试验测量装置可以较好地实现该功能，且图像处理时间较快，对图像处理设备性能要求较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置试验模块的立体结构示意图；
图2为图1中从右端透明盖板看到的右视图；
图3为本发明实施例提供的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置拍摄原理示意图；
图4为本发明实施例提供的高速摄像机拍摄的图像示意图；
图5为本发明实施例提供的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量方法实施步骤流程图。
图中：1、封闭腔体；2、金属盖板；3、透明盖板；4、中心导杆；5、高压电源；6、透明导电薄膜；7、金属微粒；8、充气阀；9、直角棱镜；10、高速摄像机；a、正视图图像；b、侧视图图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例提供一种同轴电极条件下金属微粒三维运动形态试验测量装置，具体结构如下所述。
该试验测量装置包括试验模块和拍摄模块，其中试验模块如图1所示，包括透明的封闭腔体1、金属盖板2、透明盖板3、中心导杆4、高压电源5、透明导电薄膜6、金属微粒7，拍摄模块包括直角棱镜组和高速摄像机10。
封闭腔体1为圆筒状，其外壳圆筒采用PMMA透明材质，利用其透明特性实现运动轨迹观测。封闭腔体1一端的盖板为透明盖板3，另一端的盖板为金属盖板2。透明盖板3为PMMA透明材质，以实现金属微粒7在竖直平面内运动的观测，如图2所示。电极采用的是同轴电极，中心导杆4贯穿整个封闭腔体1，一端留在封闭腔体1内，另一端通过透明盖板3穿出后连接高压电源5，作为高压电极，同时在封闭腔体1的内壁贴有透明导电薄膜6，并将其与另一端金属盖板2可靠连接，作为地电极。如此可以模拟GIL及GIS母线金属壳导电特性，同时封闭腔体1的外壳上设有充气阀8，可连接外部的气体设备，保证封闭腔体1内高气压以及透明性。金属微粒7放置在透明导电薄膜4表面上，金属微粒7表面涂覆色差大的导电漆，本实施例中，采用上红下蓝两种导电漆，具体实施中也可以采用其他的颜色，只要能明显区分成两部分即可，此设计保证图像处理时可以识别金属微粒转动特性。高压电源的类型为直流电压、交流电压或冲击电压，且其电压大小可调节，通过调节电源控制同轴电极间的电压大小。
直角棱镜组包括三块直角棱镜9，第一块直角棱镜位于封闭腔体1外侧且正对透明盖板3，第二块直角棱镜位于第一块直角棱镜正对的前方，第三块直角棱镜平行位于第二块直角棱镜的出射光路上；高速摄像机10设置于封闭腔体1正对的前方，且第三块直角棱镜的出射光和封闭腔体1中的金属微粒7均位于高速摄像机10的拍摄范围内，实现从正面正视视角面及侧面对运动过程图像高速采集。本实施例中，高速摄像机10的镜头采用广角镜头，可以捕获大范围图像。利用直角棱镜组，通过入射光的三次90°直角反射，最后一次反射时将侧视图图像转向至高速摄像机的屏幕范围内，与正视图图像一起利用高速摄像机10捕获。如图3所示，本实施例中，第一块直角棱镜位于透明盖板3正右侧，第二块直角棱镜位于第一块直角棱镜正对的前方，第三块直角棱镜平行位于第二块直角棱镜的正左侧；高速摄像机10位于整个封闭腔体1正对的前方偏右侧，为了保证捕获右侧由直角棱镜组将侧视图转换过来的正视图像。
上述装置中，所述高速摄像机10的两部分图像焦点位置不同，因此在屏幕视野出现两张图像a和b，如图4所示，呈在一张图像时可能会出现其中一部分未对焦导致金属微粒图像模糊，本实施例中，将焦点对正正视图图像a，因此侧视图图像b会出现虚焦，金属微粒图像模糊，之后对模糊图像采用超分辨率图像重建。
采用上述试验测量装置实现的一种同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量方法，如图5所示，具体按照以下步骤进行：
步骤1、检查试验测量装置的各部分设备是否完好，封闭腔体1的气密性是否良好；
步骤2、在封闭腔体1内的透明导电薄膜6上放置金属微粒7；具体实施中，根据试验要求选择金属微粒7为线性金属微粒、球形金属微粒或片形金属微粒；
步骤3、将封闭腔体1用抽真空机抽取真空后充入绝缘气体至所需压强后，关闭充气阀8；
步骤4、启动高速摄像机10，保证封闭腔体1右侧的直角棱镜位置无误，接通高压电源 5处的电源，慢慢增加电压至金属微粒7在中心导杆4和透明导电薄膜6之间运动为止；当金属微粒运动至中心导杆数次后，观测到金属微粒的周期运动规律后，关闭高速摄像机，并断开高压电源处的电源；其中高压电源的类型可以为直流电压、交流电压或冲击电压，且其电压大小可调节；
步骤5、对高速摄像机10拍摄的图像进行处理，对高速摄像机10经过直角棱镜组三次 90°直角反射所得的侧视图图像b采用超分辨率图像重建；如图4所示，其中图中的左半部分为采集的正视图图像a，右半部分为经直角棱镜反射后采集的模糊的侧视图图像b；
步骤6、对超分辨率的正视图及侧视图进行三维处理，建立X、Y、Z轴构成的坐标系，X-Z面为正视图，Y-Z面为侧视图，获得在同轴电极条件下金属微粒的三维运动形态。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置，其特征在于：该装置包括试验模块和拍摄模块，其中试验模块包括透明的封闭腔体(1)、金属盖板(2)、透明盖板(3)、中心导杆(4)、高压电源(5)、透明导电薄膜(6)和金属微粒(7)，拍摄模块包括直角棱镜组和高速摄像机(10)；
所述封闭腔体(1)为圆筒状，一端的盖板为透明盖板(3)，另一端的盖板为金属盖板(2)；封闭腔体(1)的外壳上设有充气阀，可连接外部的气体设备；所述中心导杆(4)作为高压电极，贯穿整个封闭腔体(1)，中心导杆(4)一端留在封闭腔体(1)内，另一端通过透明盖板(3)穿出后连接高压电源(5)；在封闭腔体(1)内壁上贴有透明导电薄膜(6)，透明导电薄膜(6)与金属盖板(2)可靠连接，作为地电极；高压电极和地电极构成同轴电极；金属微粒(7)表面分两部分分别涂覆色差大的导电漆，放置在透明导电薄膜(6)表面上，试验时，在高气压下，金属微粒(7)处在封闭腔体(1)内中心导杆(4)以下与透明导电薄膜(6)之间；
直角棱镜组包括三块直角棱镜(9)，第一块直角棱镜位于封闭腔体(1)外侧且正对透明盖板(3)，第二块直角棱镜位于第一块直角棱镜正对的前方，第三块直角棱镜平行位于第二块直角棱镜的出射光路上；高速摄像机(10)设置于封闭腔体(1)正对的前方，且第三块直角棱镜的出射光和封闭腔体(1)中的金属微粒(7)均位于高速摄像机(10)的拍摄范围，且高速摄像机(10)的焦点对正封闭腔体(1)中的金属微粒(7)内。
2.根据权利要求1所述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置，其特征在于：所述高速摄像机(10)的镜头采用广角镜头。
3.根据权利要求1所述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置，其特征在于：所述封闭腔体(1)外壳圆筒采用PMMA透明材质，透明盖板(3)采用PMMA透明材质。
4.根据权利要求1所述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置，其特征在于：所述高压电源(5)的类型为直流电压、交流电压或冲击电压，且其电压大小可调节。
5.根据权利要求1所述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置，其特征在于：所述金属微粒(7)表面分两部分分别涂覆红色和蓝色的导电漆。
6.根据权利要求1或5所述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置，其特征在于：所述金属微粒(7)为线性金属微粒、球形金属微粒或片形金属微粒。
7.一种同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量方法，采用如权利要求1所述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量装置实现，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1、检查试验测量装置的各部分设备是否完好，封闭腔体(1)的气密性是否良好。
步骤2、在封闭腔体(1)内透明导电薄膜(6)上放置金属微粒(7)；
步骤3、将封闭腔体(1)内抽真空后，利用外部的气体设备通过充气阀向封闭腔体(1)内充入绝缘气体至所需压强，然后关闭充气阀；
步骤4、启动高速摄像机(10)，接通高压电源(5)处的电源，慢慢增加电压至金属微粒(7)在中心导杆(4)和透明导电薄膜(6)之间运动为止；当金属微粒(7)运动至中心导杆(4)数次后，观测到金属微粒(7)的周期运动规律后，关闭高速摄像机(10)，并断开高压电源(5)处的电源；
步骤5、对高速摄像机(10)经过直角棱镜组三次90°直角反射所得的模糊的侧视图图像采用超分辨率图像重建；
步骤6、对超分辨率的正视图图像和侧视图图像进行三维处理，建立X、Y、Z轴构成的坐标系，X-Z面为正视图，Y-Z面为侧视图，通过三维处理后的图像得到同轴电极下金属微粒(7)的三维运动形态。
8.根据权利要求7所述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量方法，其特征在于：所述高压电源(5)的类型为直流电压、交流电压或冲击电压，且其电压大小可调节。
9.根据权利要求7所述的同轴电极下金属微粒三维运动形态试验测量方法，其特征在于：所述金属微粒(7)为线性金属微粒、球形金属微粒或片形金属微粒。
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