CN110554254A - 一种gis或gil设备的金属粉尘吸附与积聚电荷的观测装置 - Google Patents

一种gis或gil设备的金属粉尘吸附与积聚电荷的观测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于气体绝缘金属封闭开关(GIS)或气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的观测装置，该装置可同时观测金属粉尘的动态吸附与气‑固界面的积聚电荷，能够同时实现绝缘件表面电荷的快速、准确测量及粉尘吸附行为的观察，对于分析GIS/GIL中表面电荷积聚和金属粉尘吸附之间的交互作用规律，控制闪络故障具有重要意义。

Description

一种GIS或GIL设备的金属粉尘吸附与积聚电荷的观测装置
技术领域
本发明属于气-固界面电气绝缘领域，特别涉及气体绝缘金属封闭开关(GIS)或气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)设备表面吸附的金属微粒运动行为与表面电荷测量领域。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关(GIS)或气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)设备中的金属微粒吸附和绝缘子表面的电荷积聚是造成GIS/GIL设备沿面闪络故障的主要影响因素，占总故障率的50％以上。而所吸附的金属微粒中大部分为微米甚至纳米级别的金属粉尘，以盆式绝缘子故障为例，金属粉尘在电-磁-热-流场等多场作用下会极化、运动，并最终沉积在绝缘子表面，造成绝缘子闪络故障。而金属粉尘在吸附在绝缘子表面的过程中，绝缘子表面的积聚电荷不断变化，绝缘子表面电荷的改变又会改变粉尘的运动方向，二者相互影响，因此，为了控制闪络故障，有必要研究金属粉尘的吸附行为与GIS或GIL设备的气-固界面积聚电荷的交互作用。然而，当前实验观测装置大多只能分别实现金属微粒运动行为的观测或表面电荷的测量，不能将二者融合在一起，限制了微粒动态吸附与气-固界面交互作用的研究效能。
实现同时观测金属粉尘运动行为和测量表面电荷，是全面研究其交互作用的基础，解决同时观测设备表面上所吸附的金属微粒的运动行为和测量表面所积聚的电荷的问题，是行业内的迫切需求之一。
现有技术中已有了相关的装置及方法的思路，例如，通过电机控制导轨，使初始粉尘远离绝缘子是将吸附过程分解为多个时刻吸附行为的关键步骤；而通过电机控制导轨，使探头按照设计路径运动测量是测量绝缘子表面电荷的重要途径。通过将粉尘吸附的动态过程分解为多个时刻的吸附行为，对吸附过程中不同时间点的表面电荷进行测量，即可建立金属粉尘的动态吸附行为和气-固界面积聚电荷之间的关联规律。
可移动式腔体、步进电机、可编程控制器以及高精度导轨是金属微粒运动行为所述装置的主要构成部件。对于可移动腔体要求为：施加电压时，可移动部分腔体和固定段腔体能完整闭合；分开时，能平稳运行。对于测量绝缘子表面积聚电荷的需求，主要应满足：实现全表面360°的电荷测量；在施加电压时，探头远离电极；测量时，探头移动到指定位置；探头标定合理。
目前可以采用的电容探头分两类：成品探头及自行设计的探头。其中，成品探头在精度及稳定性方面优势突出，但对于自行设计的平台方面有一定局限性；而自行设计的探头虽然制作尺度灵活，易于加工，但存在探头精度标定不明确和稳定性问题。
本发明的目的就是为了克服现有装置的不足，提供一种用于气体绝缘金属封闭开关(GIS)或气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)设备的观测装置，可同时观测金属粉尘的动态吸附与气-固界面积聚电荷的交互作用，防控GIS/GIL中设备沿面的闪络故障问题。
发明内容
本发明提供了一种用于气体绝缘金属封闭开关(GIS)或气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的观测装置，可同时观测金属粉尘的动态吸附与气-固界面的积聚电荷。该装置包括密封耐压腔体1、同轴圆柱电极试验平台2、高压套管3、导轨及探头机构4、旋转控制机构5、导轨滑块控制中心6及数据处理单元7。
所述耐压腔体1为L形八面体形状，所述耐压腔体上壁面有一个充放气三通11和气压表12，耐压腔体1后壁面设有观察窗13，所述观察窗13正对的前壁面位置还设有观察窗14，耐压腔体1的侧壁面设有观察窗15。
所述同轴圆柱电极试验平台2水平安装在所述耐压腔体1内，包括高压电极21、固定位置的同轴圆柱电极外壳22、盆式绝缘子23、可移动同轴圆柱电极外壳24；所述高压电极21、固定位置的同轴圆柱电极外壳22及盆式绝缘子23相互连接；所述可移动同轴圆柱电极外壳24上带有支架2411、2412、2413、2414，所述支架2411、2412安装在滑动导轨2421上，所述支架2413、2414安装在滑动导轨2422上，所述滑动导轨2421、2422安装在所述耐压腔体1的上下内壁上。
所述导轨及探头机构4包括导轨轴向导轨44、斜面导轨45、支架及旋转机构41及电容探头46，电容探头46安装在斜面导轨45上，通过支架43连接在轴向导轨44上，支架42一端和导轨44连接，中间和内轴旋转机构41连接。
所述旋转控制机构5和内轴旋转机构41连接，所述导轨滑块控制中心6与数据处理单元7相连接，所述高压电极21和高压套管3连接。
所述密封耐压腔体1可承受高达0.6MPa的气压，可满足充入纯SF6或SF6/N2混合气体等不同气压试验条件的要求。
所述导轨及探头机构4的内轴旋转机构41能够带动电容探头46进行360°旋转，轴向导轨44可使探头46上下移动，而斜面导轨45可使电容探头46沿盆式绝缘子23表面直线运动。
所述同轴圆柱电极平台试验平台2包括固定位置的同轴圆柱电极外壳22和可移动同轴圆柱电极外壳24，加压时，电极外壳22和电极外壳24二者闭合使绝缘子23的表面积聚电荷；测量时，可移动同轴圆柱电极外壳24向高压套管3运动，实现金属粉尘吸附及电荷积聚动态过程的分段观测。
所述轴向导轨44控制探头远离高压电极；测量时，轴向导轨44和斜面导轨45共同控制使探头46到达指定测量位置。
发明的效果
本发明的有益效果为：本发明所提供的用于气体绝缘金属封闭开关(GIS)或气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的观测装置，具有功能全面，控制方便，安全可靠等优点，能够同时实现绝缘件表面电荷的快速、准确测量及粉尘吸附行为的观察，对于分析GIS/GIL中表面电荷积聚和金属粉尘吸附之间的交互作用规律具有重要的实际意义。
附图说明
图1是本发明观测装置的结构示意图；
图2是本发明观测装置的耐压腔体前后玻璃窗配置俯视图
图3是用相机拍摄的不同施压下吸附2min时的铝粉尘吸附状态
图4是用相机拍摄的不同施压下吸附5min时的铝粉尘吸附状态
图5是探测到的吸附2min时的电荷积聚状态
图6是探测到的吸附5min时的电荷积聚状态附图标记：
1 耐压腔体；
2 同轴圆柱电极试验平台；
3 高压套管
4 导轨及探头机构
5 旋转控制机构
6 导轨滑块控制中心
7 数据处理单元
11 充放气三通
12 气压表
13、14 观察窗
21 高压电极
22 固定位置的同轴圆柱电极外壳
23 盆式绝缘子
24 可移动同轴圆柱电极外壳
2411、2412、2413、2414 支架
2421、2422 滑动导轨
31 嵌件
32 高压引线
41 支架及旋转机构
42 支架
43 支架
44 导轨轴向导轨
45 斜面导轨
46 电容探头
71 静电计模块
72 数据处理中心
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步解释说明。
实施例1
为模拟实际GIS/GIL设备中应用的盆式绝缘子，试验中试品采用缩比盆式绝缘子，金属微粒采用金属铝粉，便于模拟粉尘的主动吸附行为及将吸附过程分段。
参照附图1，阐述本发明所述一体化观测装置的实施例及使用其的观测试验过程。
本实施例中的观测装置采用多套步进电机BL-220M及其控制器、多个高精度导轨、成品迷你型电容探头来构建。其中，一套BL-220M电机实现可移动同轴圆柱电极外壳24水平移动，为保证平稳移动，在L形八面体耐压腔体1上下内壁分别设置水平导轨2421、2422，并通过支架2411、2412、2413、2414固定，使得加压时能和固定同轴圆柱电极外壳22闭合；观察金属粉尘积聚吸附状态时，可移动到指定位置。另一套BL-220M电机控制支架及旋转机,41的内轴，带动导轨及探头机构4上的探头360°旋转。再一套BL-220M电机通过轴向导轨44控制斜面导轨45上下移动，斜面导轨45可实现探头46沿盆式绝缘子23表面直线运动，使得所述导轨及探头机构4在施加电压时远离L形高压电极21；而在进行电荷测量时，测量部件可移动到指定测量位置。
为模拟金属粉尘动态吸附行为与气-固界面积聚电荷交互作用，所述观测装置进行如下设置：
为了模拟实际GIS/GIL腔体中的气体环境，所述密封耐压腔体1可承受0.6MPa的气压。
为模拟实际GIS/GIL腔体中粉尘的主动吸附，设计了可移动式同轴圆柱电极平台试验平台2，在可移动同轴圆柱电极外壳24不同位置施加粉尘，测量时，使得24向高压套管3运动，即可实现粉尘吸附状态的观测。
所述轴向导轨44控制探头远离高压电极；测量时，轴向导轨44和斜面导轨45共同控制使探头46到达指定测量位置。
具体试验过程如下：
S1：试验预处理
(1)选用铝粉作为金属粉尘，并将其放置在可移动同轴圆柱电极外壳24内壁上指定位置；
(2)调节轴向导轨44及斜面导轨45，使探头远离高压电极；
(3)调节水平导轨2421，使可移动同轴圆柱电极外壳24和固定同轴圆柱电极外壳22接触闭合；
(4)封闭腔体1，并对腔体1进行抽真空处理，当满足真空度要求(气压降到100Kpa以下)后，对腔体充入试验用纯SF6气体或SF6与N2的混合气体，使腔体内气压达到指定压强值0.6MPa，本实施例中充入的是试验用纯SF6气体。
S2：试验加压阶段
通过高压引线32加电压。调节外施电压到试验用电压值(分别取11kV、13kV、15kV)，加压至指定时间h1,h1可以取2min,也可通过选择不同的吸附时间进行多次观察；
S3：表面电荷测量及粉尘吸附状态观测阶段
1)撤掉外施电压；
2)调节水平导轨2421、2422，将可移动同轴圆柱电极外壳24移动到指定位置，使得盆式绝缘子23完全处于同轴圆柱电极外；迅速调节内轴旋转机构41、轴向导轨42及斜面导轨43，将测量部件移动到指定测量位置，实现盆式绝缘子23全表面电荷测量；
3)控制使电容探头46远离高压电极，用探头拍摄金属粉尘在绝缘子上的吸附状态；
S4：试验结束处理阶段；
接续S1的试验预处理的步骤(4)进行操作
(5)加压至累计时间h2,h2取5min，或者按需要设置其他吸附时间，重复S2的试验加压阶段；
(6)加压至累计时间h3,h3取10min，或者按需要设置其他吸附时间，重复S2的试验加压阶段；
(7)…
(8)加压至预期总时间,重复S2的试验加压阶段；
S5：试验结束后处理
①电荷测量完成后，停止电机，对设备进行放电处理；
②调节探头控制部件，使探头46远离高压电极21；
③释放耐压腔体内的气体；
④打开腔体，对绝缘件进行清理，为下一次试验做准备。
由此可见，通过使用本实施例的观测装置，同时通过观察窗口用相机拍摄得到了了绝缘子23上所吸附的金属颗粒吸附状态，同时用电容探头探测了绝缘子23全表面的电荷，可以高效地研究金属粉尘动态吸附行为与气-固界面积聚电荷交互作用，可用于指导减少设备的沿面闪络故障。
图3、图4是分别用相机通过观察窗15所拍摄到的，分别加压11kV、13kV、15kV，吸附2min、5min时的铝粉尘吸附状态；图5、图6分别为探头探测到的吸附2min、5min时的表面电荷积聚状态。
以-15kV电压为例，根据上述实验步骤测得2min时刻表面粉尘的吸附状态和2min时刻的表面电荷积聚状态；同样的方法可获得5min，10min……等时刻的金属粉尘吸附状态和表面电荷积聚状态。
在进行观测时，实验者可根据需要缩短拍摄时间间隔，提取图片中的特征量，如粉尘吸附的面积、径向距离、圆周距离等，获得粉尘吸附状态随时间变化的关系，从而建立粉尘吸附过程的动态数据库，同理获得吸附过程中表面积聚电荷的动态数据库。对二者数据进行处理，即可获得粉尘吸附状态和表面电荷积聚的关联关系。
综上所述，使用本发明的一体化观测装置，可同时观测GIS或GIL设备表面的金属粉尘吸附状态和表面电荷积聚状态，从而模拟出粉尘吸附状态和表面电荷积聚的关联关系，指导防控闪络故障。

Claims (4)

1.一种GIS或GIL设备的金属粉尘吸附与积聚电荷的观测装置，用于GIS或GIL设备表面金属粉尘吸附与积聚电荷的一体化观测，其特征在于：包括密封耐压腔体1、同轴圆柱电极试验平台2、高压套管3、导轨及探头机构4、旋转控制机构5、导轨滑块控制中心6及数据处理单元7；
所述耐压腔体1为L形八面体形状，所述耐压腔体1上壁面有一个充放气三通11和气压表12，耐压腔体1后壁面有观察窗13，所述观察窗13正对的前壁面位置还设有观察窗14，在耐压腔体1的侧壁上设有观察窗15，通过观察窗15用相机拍摄金属粉尘的吸附状态；
所述同轴圆柱电极试验平台2水平安装在所述耐压腔体1内，包括L形的高压电极21、固定位置的同轴圆柱电极外壳22、盆式绝缘子23、可移动同轴圆柱电极外壳24；所述高压电极21、固定位置的同轴圆柱电极外壳22及盆式绝缘子23相互连接；所述可移动同轴圆柱电极外壳24上带有支架2411、2412、2413、2414，所述支架2411、2412安装在滑动导轨2421上，所述支架2413、2414安装在滑动导轨2422上，所述滑动导轨2421、2422安装在所述耐压腔体1的上下内壁上；
所述导轨及探头机构4包括导轨轴向导轨44、斜面导轨45、支架及旋转机构41及电容探头46，电容探头46安装在斜面导轨45上，通过支架43连接在轴向导轨44上，支架42一端和导轨44连接，中间和内轴旋转机构41连接；
所述旋转控制机构5和内轴旋转机构41连接，所述导轨滑块控制中心6与数据处理单元7相连接，所述高压电极21和高压套管3连接；
所述导轨及探头机构4的内轴旋转机构41能够带动电容探头46进行360°旋转，轴向导轨44可使电容探头46上下移动，而斜面导轨45可使电容探头46沿盆式绝缘子23表面直线运动,电容探头46用于探测电荷的积聚状态。
2.根据权利要求1所述的一种GIS或GIL设备的金属粉尘吸附与积聚电荷的观测装置，其特征在于：所述密封耐压腔体1可承受0.6MPa的气压，通过充入纯SF6气体或SF6和N2的混合气体来获得不同的气压。
3.根据权利要求1所述的一种GIS或GIL设备的金属粉尘吸附与积聚电荷的观测装置，其特征在于：所述同轴圆柱电极平台试验平台2包括固定位置的同轴圆柱电极外壳22和可移动的同轴圆柱电极外壳24，加压时，电极外壳22和电极外壳24二者闭合，使绝缘子23的表面积聚电荷；测量时，可移动同轴圆柱电极外壳24向高压套管3运动，实现金属粉尘吸附及电荷积聚动态过程的分段观测。
4.根据权利要求1所述的一种GIS或GIL设备的金属粉尘吸附与积聚电荷的观测装置，其特征在于：所述轴向导轨44控制电容探头46远离高压电极21；测量时，轴向导轨44和斜面导轨45共同控制使探头46到达指定测量位置。
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