CN115542095A - 一种gis盆式绝缘子表面电荷测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压绝缘测试技术领域，公开了一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置及方法。通过将待测GIS盆式绝缘子封闭于充满惰性气体的腔体内，模拟其工作环境，让扫描探头在密闭的腔体内做弧线运动，扫描GIS盆式绝缘子表面的闪络电荷，从而测量封闭区域中曲面电荷的分布特性。适用于各类GIS绝缘性能测试工作。

Description

一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置及方法

技术领域

本发明属于高压绝缘测试技术领域，具体公开了一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置及方法。

背景技术

气体绝缘封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，以下简称GIS)是将断路器、隔离开关、接地开关、母线、互感器、避雷器等主要元件装入密封的金属壳体内，其内部充以气体作为绝缘和灭弧介质。GIS设备在整个输电网络中的作用越来越大，其可靠性对整个电网的影响也越来越明显。然而，随着电压等级的提高和投入系统运行台数的增多，GIS设备的内部故障也随之增多。国内外大量的实例表明，GIS中绝缘子沿面闪络会引起电气设备损坏或导致电力系统大面积停电。当绝缘子表面积聚了大量的电荷时，这些电荷就会改变绝缘子表面的电场分布，如果介质表面较长时间内一直积聚有电荷，则会使沿面闪络电压下降，从而降低绝缘子的性能。

因此，对绝缘子表面的电荷分布进行测量，分析出其表面电荷的分布特性与电压等级和电压极性之间的关系，这对于提高GIS的绝缘性能，保证GIS的运行可靠性有着重要的意义。

但GIS设备中绝缘子为曲面，闪络的发生还与绝缘子所处的惰性气体环境有关，如何在实验室中还原GIS设备中盆式绝缘子的工作状态，并测量封闭区域中曲面电荷的分布特性一直是输配电行业技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为解决背景技术中的问题，本发明提供一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，具体技术方案如下：

一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，包括高压电源、测控系统、固定有扫描探头的驱动机构，其中所述高压电源通过导体与待测GIS盆式绝缘子凸面中心贯穿连接，所述扫描探头与待测GIS盆式绝缘子凹面相对设置，所述测控系统能发出指令给所述驱动机构进而带动所述扫描探头对待测GIS盆式绝缘子凹面进行扫描，并接收扫描探头回传的信号，所述扫描探头的运动轨迹不与待测GIS盆式绝缘子接触，其特征在于，还包括连接腔体和测试腔体，所述连接腔体一端为待测GIS盆式绝缘子的凸面封闭，另一端留出小孔供所述导体穿出；所述测试腔体包络所述驱动机构及探头，一端为待测GIS盆式绝缘子的凹面封闭，另一端设有供零部件进出的检修口；所述连接腔体和测试腔体均设有气体进出孔。

这种设计有效的模拟了待测GIS盆式绝缘子的工作环境，使得测出的结果更接近于现实，能方便地测量封闭区域中曲面电荷的分布特性。将驱动机构内置于测试腔体内，驱动机构按照测控系统的指令运动时不会对绝缘子所处的环境造成影响，而且腔体内充入的惰性气体对设备的运行起到了有效的保护。

优选的，所述测试腔体通过可拆卸的过渡法兰与待测GIS盆式绝缘子结合。

这样可以通过更换法兰来适应不同规格的GIS盆式绝缘子，提升了测量装置的适应性。

优选的，所述驱动机构包括使扫描探头在X、Y、Z三个方向上运动的驱动电机和导轨，其中X方向与待测GIS盆式绝缘子的轴心线平行。

这种驱动机构能较易实现扫描探头在绝缘子内凹球面附近工作区域的路径规划。

优选的，所述扫描探头能根据所述测控系统发出指令调整角度，所述扫描探头在所述驱动机构固定处还装设有距离测量仪器。

这种配置能更好的保证探头垂直于预设的扫描区域，距离一致，使得结果更为精确。

优选的，所述连接腔体靠近待测GIS盆式绝缘子的一端外壁铺设有加热装置。

优选的，所述导体穿出所述连接腔体与高压电源接触部分外包绝缘套管。

有加热装置可以在实验室中模拟不同环境温度下的GIS盆式绝缘子的电荷分布情况，减少了去现场试验的成本，外包绝缘套管则保障了高压试验的安全性。

本发明还提供一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量的方法，使用了上述GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，包括以下步骤：

S1.将待测GIS盆式绝缘子表面用酒精擦拭干净后放入恒温干燥箱中干燥6h以上；

S2.在待测GIS盆式绝缘子的凸、凹面分别接上所述连接腔体和内部装有所述驱动机构及扫描探头的所述测试腔体，连接所述高压电源，检查腔体的密封性，调节扫描探头的角度，使探头顶端与待测GIS盆式绝缘子凹面垂直，距离绝缘子表面预设固定距离，在未给待测GIS盆式绝缘子施加电压的状态下进行扫描，如没有扫描到自由电荷存在则确定装置已连接好，否则重复S1-S2工作；

S3.分别对所述连接腔体和测试腔体抽真空后充入绝缘气体，使两个腔体内的压强差不小于0.3Mpa。

S4.随后依次施加不同等级电压，分别驱动扫描探头在以待测GIS盆式绝缘子中心轴为轴心，在距离绝缘子表面预设固定距离的半球面上按纬度由高至低的顺序做纬度线扫描，扫描数据回传至所述测控系统。

这种方法实现了在实验室中还原GIS设备中盆式绝缘子的工作状态，使得闪络现象在测试腔体内发生，解决了测量封闭区域中曲面电荷的分布特性的问题。

优选的，所述扫描探头在相邻所述纬度线间的扫描方向相反。

这样扫描探头顺时针、逆时针画弧交替进行，用简单的方式避免了电线的缠绕干涉。

进一步的，所述预设固定距离为1-4mm。

实践表明，这种预设固定距离能够保证测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例中绝缘子表面电荷扫描测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例中驱动机构结构图；

图3为本发明实施例中扫描探头运动轨迹示意图；

图中：1.高压电源；2.高压绝缘套管；3.连接腔体；4.驱动机构；5.测试腔体；6.测控系统；

3-1高压导杆；3-2待测GIS盆式绝缘子；3-3连接腔充(抽)气阀门；3-4连接腔气压监测表；3-5连接腔外壳；3-6过渡法兰；3-7加热带；

4-1旋转电机；4-2横轴步进电机；4-3纵轴步进电机；4-4横轴导轨；4-5纵轴导轨；4-6导电滑环；4-7探头支架；4-8扫描探头；4-9前支架；4-10后支架；4-11距离监测装置；

5-1转接口；5-2测试腔充(抽)气阀门；5-3测试腔气压监测表；5-4测试腔外壳；5-5观察窗。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于该实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-2所示，一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置实施例1，所述装置主要包括6个部分：高压电源1、内含导体的高压绝缘套管2、连接腔体3、装有扫描探头4-8的驱动机构4、测试腔体5、测控系统6。

其中，高压电源1主要由调压器、试验变压器、整流回路、保护电阻等部分组成，是用于产生正负极性的电压，然后通过导体穿过高压绝缘套管2后进入连接腔体3，最后接至待测的GIS盆式绝缘子的轴心。

高压绝缘套管2具有优异的耐热性、柔韧性、以及绝缘性，用于隔绝中心导体与外部环境的接触，避免设备故障和安全事故的发生。其高约为2m，最大外径为0.3m，但不限于这种尺寸。

连接腔体3内布置有高压导杆3-1、待测GIS盆式绝缘子3-2、连接腔体3的连接腔外壳3-5上设有连接腔充(抽)气阀门3-3、连接腔气压监测表3-4，靠近待测GIS盆式绝缘子3-2的外部缠绕有加热带3-7；可拆卸的过渡法兰3-6设置于测试腔体5与待测GIS盆式绝缘子3-2的结合处。其中，高压导杆3-1位于待测GIS盆式绝缘子3-2轴线上并与待测GIS盆式绝缘子3-2贯穿连接，起支撑作用并作为与高压电源1连通的导体。连接腔外壳3-5材料为铝合金，在进行实验时，从连接腔充(抽)气阀门3-3充入绝缘气体，连接腔气压监测表3-4用于监测连接腔体3内部的气压，阈值范围在0-1Mpa。过渡法兰3-6与待测GIS盆式绝缘子3-2耦合连接，其两端分别与测试腔体5和连接腔体3对接，连接处气密性良好，过渡法兰3-6有多种尺寸，以便中空部位安装适配的多种型号的盆式绝缘子，盆式绝缘子的凹面封闭测试腔体5，凸面封闭连接腔体3，可根据试验要求替换不同尺寸的盆式绝缘子。加热带3-7置于连接腔外壳3-5靠近待测GIS盆式绝缘子3-2的一端，贴合于连接腔外壳3-5外部。在进行设备组装时，连接腔外壳3-5需要可靠接地，保证试验过程的安全性。

驱动机构4由旋转电机4-1、横轴步进电机4-2和纵轴步进电机4-3、横轴导轨4-4、纵轴导轨4-5、导电滑环4-6、探头支架4-7、扫描探头4-8、固定在测试腔体5上的前支架4-9和后支架4-10，以及距离监测装置4-11组成，扫描探头4-8的运动极限尺寸范围呈圆柱体形。其中，旋转电机4-1的机身固定于后支架4-10上，转子通过联轴器与横轴导轨4-4一侧的转轴相连。横轴导轨4-4两端的转轴通过轴承固定在前支架4-9以及后支架4-10上，可在旋转电机4-1的带动下以待测GIS盆式绝缘子3-2的轴线(即X轴)为轴心旋转，横轴导轨4-4与X轴平行。横轴导轨4-4与旋转电机4-1相连一侧的转轴上装设有导电滑环4-6，导电滑环4-6的内侧固定于横轴导轨4-4的转轴上，用于旋转中对下一级回路输送电力。纵轴导轨4-5与横轴导轨4-4相垂直，纵轴导轨4-5的导轨座一侧通过固定的金属座板嵌套在横轴导轨4-4上，该金属座板为横轴步进电机4-2驱动；纵轴导轨4-5的导轨面一侧嵌套有另一块设置有探头支架4-7的金属座板，此金属座板则为纵轴步进电机4-3所驱动。这样探头支架4-7就能在旋转电机4-1和横轴步进电机4-2、纵轴步进电机4-3的带动下在X、Y、Z向的三维空间做沿旋转电机4-1的旋转轴轴向与径向合成的矢量运动，探头支架4-7下端安装有距离监测装置4-11，前端与扫描探头4-8相连，可通过PLC编程控制与其相连的扫描探头4-8与绝缘子表面的角度。

测试腔体5由转接口5-1、测试腔充(抽)气阀门5-2、测试腔气压监测表5-3、测试腔外壳5-4和观察窗5-5组成。其中，测试腔体5是用于容装驱动机构4，测试腔体一侧通过过渡法兰3-6与待测GIS盆式绝缘子3-2嵌套连接，测试腔体5内部的腔体壁上固定有旋转电机4-1，腔体底部固定有支撑驱动机构4的前支架4-9和后支架4-10。腔体下端设有转接口5-1，能将导电滑环4-6的连接导线以及扫描探头4-8的连接导线引出测试腔体5，且转接口与腔体壁的连接处要求气密性良好。测试腔外壳5-4材料为铝合金，腔体壁厚度约为3mm，顶部装配有测试腔充(抽)气阀门5-2、测试腔气压监测表5-3以及观察窗5-5，气压监测表5-3用于监测测试腔体-5内部的气压，阈值范围在0-1Mpa。观察窗5-5用于观察探头运动的过程和待测GIS盆式绝缘子3-2表面发生闪络的痕迹，以及必要时手动调节扫描探头4-8的角度，其材料为石英玻璃，要求与腔体连接处的气密性良好。

测控系统6用于提供指令给驱动机构4依据预先编制的程序动作，同时接收扫描探头4-8发回的信息，包括用于测量静电荷参数的静电仪、数据采集模块(DAQ)、微机(PC)，静电仪通过数模转换输出静电荷参数，数据采集模块收集整理静电仪和电机回传数据输入到微机，微机根据相关数据类型分别进行存储、计算并发出指令，控制相关电子设备按程序要求动作以完成测试。

实施例2

使用上述装置按下述步骤进行GIS盆式绝缘子上电荷分布测量，则构成本发明的另一技术方案“一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量的方法”的实施例。

步骤1，在进行试验之前，首先将绝缘子表面用酒精擦拭干净，随后将待测GIS盆式绝缘子3-2放入恒温干燥箱中干燥6h以上。

步骤2，待干燥完成以后，将待测GIS盆式绝缘子3-2安装在连接腔体3一端，在测试腔体5内按图1所示装好驱动机构4，再将测试腔体5与连接腔体3通过过渡法兰3-6组装为一体，安装完成后检查腔体的密封性，随后通电使驱动机构4进入待工作状态，通过观察窗5-5手动调节扫描探头4-8的角度，使探头顶端与待测GIS盆式绝缘子凹表面垂直，当然PLC程序也能通过相对位置的计算来确定如何驱动支撑扫描探头4-8的万向球停在正确的位置，从而完成扫描探头4-8角度的自动调节。在距离绝缘子表面2mm，在没有加压的状态下对绝缘子表面进行扫描，以确保绝缘子表面在加压之前没有自由电荷存在，如果扫描到有自由电荷，则重复前述步骤，直至未加电压前绝缘子表面无自由电荷存在为止。

步骤3，分别对连接腔体3和测试腔体5抽真空，准备进行不同电压等级的试验。

步骤4，选取绝缘子凹面进行闪络特性研究，分别向连接腔体3和测试腔体5中充入一定压强的绝缘气体，使两个腔体内的压强差不小于0.3Mpa，保证闪络在凹面侧发生。

步骤5，充气完毕后，对高压电源1做好接线工作，包括电源、分压器、保护电阻、地线等，在确认接线无误后，随后依次施加不同等级电压，各种等级的电压保持不同时间，在施加电压的过程中注意观察各个元器件的状态，若产生任何异常现象，要及时采取相应措施。

步骤6，待加压完成后，关闭电源，停止加压，用接地棒触碰分压器及其他装置的接线端，拆除与各个设备装置连接的导线，保证实验过程中的人身安全，随后使驱动机构4通电，将扫描探头移至距绝缘子表面2mm处垂直指向待测GIS盆式绝缘子3-2凹面的位置再次进行扫描测量。

图3为扫描探头在扫描绝缘子表面时运动的轨迹。探头从选取的起始点开始扫描，扫描的直径依次递增，当探头扫描结束一圈后，在步进电机4-1和步进电机4-2的驱动下进入下一圈设定的起始点，方向相反进行扫描。这种扫描方式使得探头在距离绝缘子凹面2mm的半球面上按纬度由高至低的顺序做纬度线扫描，扫描数据回传至所述测控系统。

步骤7，整理实验数据，对扫描探头4-8扫描出的绝缘子表面的电荷分布数据与测试现场电压、惰性气体气压、温度等仿真参数分析出其表面电荷的分布特性与电压等级和电压极性之间的关系，这对于提高GIS的绝缘性能，保证GIS的运行可靠性有着重要的意义。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，包括高压电源、测控系统、固定有扫描探头的驱动机构，其中所述高压电源通过导体与待测GIS盆式绝缘子凸面中心贯穿连接，所述扫描探头与待测GIS盆式绝缘子凹面相对设置，所述测控系统能发出指令给所述驱动机构进而带动所述扫描探头对待测GIS盆式绝缘子凹面进行扫描，并接收扫描探头回传的信号，所述扫描探头的运动轨迹不与待测GIS盆式绝缘子接触，其特征在于，还包括连接腔体和测试腔体，所述连接腔体一端为待测GIS盆式绝缘子的凸面封闭，另一端留出小孔供所述导体穿出；所述测试腔体包络所述驱动机构及探头，一端为待测GIS盆式绝缘子的凹面封闭，另一端设有供零部件进出的检修口；所述连接腔体和测试腔体均设有气体进出孔。

2.如权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，其特征为：所述测试腔体通过可拆卸的过渡法兰与待测GIS盆式绝缘子结合。

3.如权利要求2所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，其特征为：所述驱动机构包括使扫描探头在X、Y、Z三个方向上运动的驱动电机和导轨，其中X方向与待测GIS盆式绝缘子的轴心线平行。

4.如权利要求3中所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，其特征为：所述扫描探头能根据所述测控系统发出指令调整角度。

5.如权利要求4中所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，其特征为：所述扫描探头在所述驱动机构固定处还装设有距离测量仪器。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，其特征为：所述连接腔体靠近待测GIS盆式绝缘子的一端外壁铺设有加热装置。

7.如权利要求7中任一项所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，其特征为：所述导体穿出所述连接腔体与高压电源接触部分外包绝缘套管。

8.一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量的方法，其特征在于使用权利要求1-7中任一项所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量装置，并包括以下步骤：

S1.将待测GIS盆式绝缘子表面用酒精擦拭干净后放入恒温干燥箱中干燥6h以上；

S2.在待测GIS盆式绝缘子的凸、凹面分别接上所述连接腔体和内部装有所述驱动机构及扫描探头的所述测试腔体，连接所述高压电源，检查腔体的密封性，调节扫描探头的角度，使探头顶端与待测GIS盆式绝缘子凹面垂直，距离绝缘子表面预设固定距离，在未给待测GIS盆式绝缘子施加电压的状态下进行扫描，如没有扫描到自由电荷存在则确定装置已连接好，否则重复S1-S2工作；

S3.分别对所述连接腔体和测试腔体抽真空后充入绝缘气体，使两个腔体内的压强差不小于0.3Mpa。

S4.随后依次施加不同等级电压，分别驱动扫描探头在以待测GIS盆式绝缘子中心轴为轴心，在距离绝缘子表面预设固定距离的半球面上按纬度由高至低的顺序做纬度线扫描，扫描数据回传至所述测控系统。

9.如权利要求8中所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量的方法，其特征在于，所述扫描探头在相邻所述纬度线间的扫描方向相反。

10.如权利要求8中所述的一种GIS盆式绝缘子表面电荷测量的方法，其特征在于，所述预设固定距离为1-4mm。

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