CN116859191B - 直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统和方法，该系统包括高压直流电源、密封试验罐体、预闪络判定元件、表面电荷测量机构和电场控制阈值计算模块，其中，密封试验罐体内部安装有绝缘子，密封试验罐体充入测试气体后，接通高压直流电源用于模拟绝缘子真实运行状态；预闪络判定元件用于对绝缘子表面闪络发生时刻进行预测；表面电荷测量机构用于在预测到闪络即将发生时，检测闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据；电场控制阈值计算模块用于根据闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据计算绝缘子电场控制阈值。本发明可为盆式绝缘子结构优化设计提供电场控制阈值，从而使其满足设计要求，并可保证直流GIS/GIL能够长期安全稳定运行。

Description

直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统和方法

技术领域

本发明涉及高电压直流输配电技术领域，尤其涉及一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统和方法。

背景技术

盆式绝缘子作为GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)中主要的高压导体支撑部件，其绝缘水平直接关系到GIS的整体绝缘能力。因此，盆式绝缘子的结构优化设计是GIS设计中的关键环节。

目前，针对直流GIS/GIL(气体绝缘金属封闭输电线路)盆式绝缘子形状和尺寸设计还未有统一的电场控制阈值，且现有的盆式绝缘子结构设计准则仅从仿真角度定性考虑了对表面电荷的抑制，也没有从闪络角度考虑表面电荷的影响。因此，有必要从实验角度定量给出表面电荷对闪络的影响，进一步获得盆式绝缘子结构优化设计的电场控制阈值，以保证直流GIS/GIL的长期安全稳定运行。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，其能够为直流GIS/GIL中盆式绝缘子结构优化设计提供定量的电场控制阈值，以满足直流盆式绝缘子形状和尺寸优化设计的要求，保证直流GIS/GIL的长期安全稳定运行。

本发明的第二个目的在于提供一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算方法。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，包括：

高压直流电源和密封试验罐体，所述密封试验罐体的内部安装有绝缘子，所述密封试验罐体充入测试气体后，接通所述高压直流电源，用于模拟绝缘子真实运行状态；

预闪络判定元件，用于对绝缘子表面闪络发生时刻进行预测；

表面电荷测量机构，用于在所述预闪络判定元件预测到闪络即将发生时，检测闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据；

电场控制阈值计算模块，用于根据闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据计算绝缘子电场控制阈值。

优选的，所述预闪络判定元件包括：

第一局部放电信号检测单元，用于获取局部放电电压信号；

第二局部放电信号检测单元，包括三组荧光光纤和与所述三组荧光光纤连接的三组光电倍增管，所述第二局部放电信号检测单元用于获取局部放电光电转换信号；

第三局部放电信号检测单元，用于检测局部放电高频电流信号；

第四局部放电信号检测单元，用于检测局部放电特高频电流信号。

优选的，所述预闪络判定元件还包括：控制单元，与各局部放电信号检测单元连接，用于在所有局部放电信号中的至少一种局部放电信号满足相应的预闪络条件时，判断闪络即将发生，并控制所述高压直流电源断开，以及控制所述表面电荷测量机构对闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据进行检测。

优选的，所述密封试验罐体的底部安装有旋转电机，所述旋转电机的顶部通过第一高压杆状电极与所述绝缘子的下端连接，所述绝缘子的上端通过第二高压杆状电极和外部导线与所述高压直流电源连接，其中，所述旋转电机旋转时，所述绝缘子与所述旋转电机联动旋转。

优选的，将绝缘子表面从上至下划分成若干圈，所述表面电荷测量机构包括：静电探头和静电电位计，所述静电探头和所述静电电位计分别设置在所述密封试验罐体的内部和外部，所述静电电位计与所述静电探头连接；所述控制单元还用于控制所述旋转电机中的水平方位电机和斜向方位电机分别在水平方向和斜向运动，以使所述静电探头能够每圈每隔一度取一电荷采样点的电位数据并输送至所述静电电位计，实现对整个绝缘子表面的电荷分布数据的测量。

优选的，该系统还包括：闪络路径判定元件，所述闪络路径判定元件包括：示波器和高速摄像机，所述示波器分别与各局部放电信号检测单元和所述高速摄像机连接，所述示波器根据各局部放电信号确定闪络发生时，触发所述高速摄像机拍摄获取闪络路径。

优选的，所述电场控制阈值计算模块具体用于：

根据所述闪络路径，将闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据导入预先构建的电场计算模型中，以获取闪络发生前一时刻沿所述闪络路径的电场分布数据；

根据所述三组荧光光纤和光电倍增管的信号时延确定闪络发生的起始区域，并确定闪络发生起始区域的电场变化情况，以及对闪络发生起始区域的电场变化情况进行分析，以获取所述电场分布数据的统计特征；

提取所述统计特征中的特征参量，并根据所述特征参量确定绝缘子电场控制阈值，所述特征参量包括合成电场参量、法向电场参量和切向电场参量。

为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算方法，包括：

获取闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据；

确定闪络路径，并根据闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据确定闪络发生前一时刻沿所述闪络路径的电场分布数据；

获取所述电场分布数据的统计特征，并提取所述统计特征中的特征参量，以根据所述特征参量确定绝缘子电场控制阈值。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明将绝缘子安装于密封试验罐体中，密封试验罐体充入测试气体，表面电荷测量机构和预闪络判定元件可互相配合获得闪络前一刻的绝缘子表面电荷分布数据，随后计算闪络发生前一刻的沿闪络路径的电场分布数据，进而可获得用于绝缘子形状优化设计的电场控制阈值，解决了现有直流GIS/GIL中盆式绝缘子的形状优化准则不统一和缺少试验标准的问题。

2、本发明密封试验罐体右侧的观察窗可供高速摄像机拍摄闪络路径，且密封试验罐体内的气体类型可以依据需求随意更换，另外，绝缘子和电极也可根据需求修改，同时罐体内气压、温度、湿度等条件均可调节。因此，本发明提出的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算方法具有通用性，可保障研究人员顺利获得绝缘子形状优化设计的场强控制准则，并可以得出气压、气体类型、温度、湿度、绝缘子形状、电极布置等影响因素的修正场强控制准则。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统的结构框图。

图2为本发明另一实施例的直流盆式绝缘子电场控制阈值的测试和计算系统示意图。

图3为本发明实施例的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本实施例的一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统和方法。

图1为本发明实施例的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统的结构框图。如图1所示，该直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，包括：高压直流电源、密封试验罐体、预闪络判定元件、表面电荷测量机构和电场控制阈值计算模块，其中，高压直流电源与密封试验罐体连接，预闪络判定元件分别与高压直流电源和密封试验罐体连接，表面电荷测量机构分别与密封试验罐体和预闪络判定元件连接，电场控制阈值计算模块与表面电荷测量机构连接。

本实施例中，密封试验罐体的内部安装有绝缘子，密封试验罐体充入测试气体如SF₆气体后接通高压直流电源，然后模拟绝缘子真实运行状态。本实施例中的预闪络判定元件用于对绝缘子表面闪络发生时刻进行预测，并在预测到闪络即将发生时，通过表面电荷测量机构检测闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据，以便于电场控制阈值计算模块根据闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据计算绝缘子电场控制阈值。

需要说明的是，高压直流电源与密封试验罐体所连接的回路为试验主回路，如图2所示，该试验主回路还包括保护电阻。

本实施例中的高压直流电源可输出0-100kV直流电压，其纹波系数小于0.3％，同时具有可编程功能元件，并且其可以按照预定升压速率匀速升压至指定电压，本实施例中，升压速率可设定为1kV/s。同时，本实施例中的高压直流电源内部集成有继电保护元件和局部放电抑制元件，其最大局部放电量小于3pC，该继电保护元件可任意设置回路中最大电流如设置为2.5mA。本实施例中，保护电阻可为10MΩ，其主要用于限制闪络发生时的过电流，避免对设备造成过大冲击。

进一步的，本实施例中的密封试验罐体包括密闭腔体、高压套管、旋转电机以及电极和绝缘子。本实施例中，所述密闭腔体由高强度不锈钢制作而成，可承受最高0.8MPa气压，其顶部安装有高压套管，其底部安装旋转电机。该密闭腔体左侧设置有不锈钢法兰盘，该不锈钢法兰盘通过8根长螺丝固定并压紧密封圈，以保证腔体气密性。该密闭腔体右侧采用高强度透明钢化玻璃制成法兰盘，厚度为20mm，其通过8根长螺丝固定并压紧密封圈，以保证气密性的同时，还保证透光性良好，从而可以清晰监测罐体内部状态。该密闭腔体顶部装有温度和湿度监测仪，以控制腔体温度在20-25℃，相对湿度为20-35％。本实施例中，所述高压套管可耐受最高100kV电压，其顶部和底部均安装均压环，以抑制接线处的局部放电。本实施例中，高压套管顶部通过导线接入回路，底部连接高压杆状电极，该高压杆状电极的直径和高度均可按需定制。本实施例中，绝缘子中心嵌件上下均带有螺纹，上螺纹与铜制的第二高压杆状电极连接，并通过外部导线与高压直流电源连接，下螺纹与旋转电机导杆即第一高压杆状电极连接，其中，绝缘子外圈还安装一接地环电极，该接地环电极的高度与绝缘子一致，其通过两个卡扣压紧绝缘子。本实施例中，旋转电机旋转时，绝缘子与旋转电机联动旋转。

进一步的，本实施例中的预闪络判定元件包括第一局部放电信号检测单元至第四局部放电信号检测单元，其中，第一局部放电信号检测单元用于获取局部放电电压信号；第二局部放电信号检测单元包括三组荧光光纤和与三组荧光光纤连接的三组光电倍增管，第二局部放电信号检测单元用于获取局部放电光电转换信号；第三局部放电信号检测单元用于检测局部放电高频电流信号；第四局部放电信号检测单元用于检测局部放电特高频电流信号。

该预闪络判定元件还包括控制单元，其与各局部放电信号检测单元连接，用于在所有局部放电信号中的至少一种局部放电信号满足相应的预闪络条件时，判断闪络即将发生，并控制高压直流电源断开，以及控制表面电荷测量机构对闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据进行检测。

具体而言，预闪络判定元件包括耦合电容和测量电阻即第一局部放电信号检测单元、荧光光纤和光电倍增管即第二局部放电信号检测单元、高频CT(交流互感器)即第三局部放电信号检测单元，以及特高频天线即第四局部放电信号检测单元，其连接关系如图2所示，其中，耦合电容和测量电阻组合形成局部放电的脉冲电流测量装置，耦合电容(最大局放量＜3pC)为局部放电产生的脉冲电流提供高频低阻通道，脉冲电流再通过测量电阻即无感检测阻抗(50Ω)转换为电压信号，并在数字示波器中显示和存储；三组荧光光纤和光电倍增管组合形成局部放电的光学测量装置，三组荧光光纤粘接在密封试验罐体的内部左侧，其输出端连接将光信号转变为电信号的光电倍增管，其光谱响应范围为160-850nm，光电倍增管的输出端连接示波器；高频CT测量局部放电高频电流信号，其输出端连接示波器；特高频天线测量局部放电特高频信号，其输出端连接示波器。

本实施例中，控制单元对上述四种局部放电信号分别进行统计分析，得出其预闪络特征量分别为Y1，Y2，Y3，Y4，当四种局部放电信号的其中一种达到Y1，Y2，Y3，Y4的判定条件，控制单元判定闪络即将发生，输出电源切断指令至瞬时反馈原件，此时瞬时反馈原件立即断开电源，响应时间在10μs以内，随后控制单元控制表面电荷测量机构动作，开始测量绝缘子闪络发生前一刻的表面电荷分布数据。

进一步的，将绝缘子表面从上至下划分成若干圈，该表面电荷测量机构包括：静电探头和静电电位计，静电探头和静电电位计分别设置在密封试验罐体的内部和外部，静电电位计与静电探头连接；控制单元还用于控制旋转电机中的水平方位电机和斜向方位电机分别在水平方向和斜向运动，以使静电探头能够每圈每隔一度取一电荷采样点的电位数据并输送至静电电位计，实现对整个绝缘子表面的电荷分布数据的测量。

具体而言，在电荷分布数据开始测量时，控制单元可启动三轴运动控制系统，使得X轴方向的电机即水平方位电机动作，使其由初始位置运动至绝缘子表面点第一测量点，其中，绝缘子在水平方位电机作用下的旋转角度为360度。在完成一个采样点的测量后，在M轴电机即斜向方位电机的作用下，静电探头即图2中的探头沿着绝缘子表面径向运动至下一采样点，重复上述过程，直至对整个绝缘子表面实现全覆盖测量。其中，绝缘子表面从上至下可分成50圈，然后每圈每隔1°取一采样点，该表面电荷测量机构完成整个测量过程仅需要400s。

进一步的，该系统还包括闪络路径判定元件，闪络路径判定元件包括示波器和高速摄像机，示波器分别与各局部放电信号检测单元和高速摄像机连接，示波器根据各局部放电信号确定闪络发生时，触发高速摄像机拍摄获取闪络路径。

需要说明的是，该系统还包括闪络起始区域判定元件，其包括所述三组荧光光纤和光电倍增管，其用于判定闪络起始区域。

本实施例中，电场控制阈值计算模块具体用于根据闪络路径，将闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据导入预先构建的电场计算模型中，以获取闪络发生前一时刻沿闪络路径的电场分布数据；根据三组荧光光纤和光电倍增管的信号时延确定闪络发生的起始区域，并确定闪络发生起始区域的电场变化情况，以及对闪络发生起始区域的电场变化情况进行分析，以获取电场分布数据的统计特征；提取统计特征中的特征参量，并根据特征参量确定绝缘子电场控制阈值，特征参量包括合成电场参量、法向电场参量和切向电场参量。

具体的，在闪络发生瞬间，示波器可根据接收的各局部放电信号确定闪络发生，例如接收到闪络脉冲信号确定闪络发生，然后示波器触发高速摄像机拍摄闪络路径，其中，相机帧率取20kHz。

进一步的，电场控制阈值计算模块将拍摄得到的闪络路径进行图像处理，得到闪络路径的空间坐标函数F(x,y,z)，然后将闪络发生前一刻的表面电荷分布数据导入预先构建的电场计算模型中，即可获得闪络发生前一刻绝缘子表面电场的三维分布数据，随后提取出绝缘子表面沿空间坐标函数F(x,y,z)的电场分布φ(s)，φ(s)为沿闪络路径的电场分布数据。

进一步的，本实施例中的三组光纤和光电倍增管依次从高压电极到地电极排列，当闪络发生时，三个光电倍增管会先后接收到一个幅值较大的脉冲光信号，其时延分别为t1、t2和t3。若t1＜t2＜t3，则闪络由高压极发展至地电极；若t1＞t2＞t3，则闪络由地电极发展至高压极。此外，如需研究绝缘子表面附着金属微粒对闪络的影响，则可能会出现t2＜t3和t2＞t3的情况，则闪络由金属微粒端部发展。依据上述方法即可判断闪络起始区域，然后分析φ(s)放电起始区域的电场变化情况，同时经过多组重复实验，获得φ(s)的统计特征。

进一步的，根据获得的φ(s)统计特征，提取出闪络路径统计特征中的特征参量，包含合成电场参量、法向电场参量和切向电场参量。

进一步的，根据获得的三种电场特征参量，再设计得到绝缘裕度，即为绝缘子形状优化设计所需的电场控制阈值。

图3为本发明实施例的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算方法的流程图。如图3所示，该方法包括：

步骤S1：获取闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据。

步骤S2：确定闪络路径，并根据闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据确定闪络发生前一时刻沿闪络路径的电场分布数据。

步骤S3：获取电场分布数据的统计特征，并提取统计特征中的特征参量，以根据特征参量确定绝缘子电场控制阈值。

具体而言，可获取闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据，然后再闪络发生瞬间，示波器接收到脉冲信号时，瞬间触发高速摄像机拍摄闪络路径；之后，根据拍摄得到的闪络路径，将闪络发生前一刻的表面电荷分布数据导入电场计算模型中，获得闪络发生前一刻的沿闪络路径的电场分布数据；再通过三组荧光光纤和光电倍增管的信号时延判断闪络发生的起始区域，并重点关注和分析闪络起始区域的电场变化情况，然后通过多组实验获取闪络发生前一刻的沿闪络路径电场分布的统计特征。

进一步的，提取出闪络路径统计特征中的特征参量，包含合成电场参量、法向电场参量和切向电场参量，再根据绝缘子设计的标准和所提取的各特征参量确定绝缘裕度，该绝缘裕度即为所需的绝缘子电场控制阈值。

需要说明的是，本实施例的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算方法的具体实施方式可参见上述的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统的具体实施方式，为避免冗余，此处不再赘述。

综上所述，本发明的一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统和方法，可保障研究人员顺利获得绝缘子形状优化设计的电场控制阈值，并可以得出气压、气体类型、温度、湿度、绝缘子形状、电极布置等影响因素的修正场强控制准则，最终满足盆式绝缘子形状和尺寸优化设计的要求，保证直流GIS/GIL的长期安全稳定运行。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，其特征在于，包括：

高压直流电源和密封试验罐体，所述密封试验罐体的内部安装有绝缘子，所述密封试验罐体充入测试气体后，接通所述高压直流电源，用于模拟绝缘子真实运行状态；

预闪络判定元件，用于对绝缘子表面闪络发生时刻进行预测；

表面电荷测量机构，用于在所述预闪络判定元件预测到闪络即将发生时，检测闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据；

电场控制阈值计算模块，用于根据闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据计算绝缘子电场控制阈值；

所述电场控制阈值计算模块具体用于：

根据闪络路径，将闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据导入预先构建的电场计算模型中，以获取闪络发生前一时刻沿所述闪络路径的电场分布数据；

根据三组荧光光纤和光电倍增管的信号时延确定闪络发生的起始区域，并确定闪络发生起始区域的电场变化情况，以及对闪络发生起始区域的电场变化情况进行分析，以获取所述电场分布数据的统计特征；

提取所述统计特征中的特征参量，并根据绝缘子设计标准和所提取的各特征参量确定绝缘裕度，所述绝缘裕度为所述绝缘子电场控制阈值，所述特征参量包括合成电场参量、法向电场参量和切向电场参量。

2.如权利要求1所述的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，其特征在于，所述预闪络判定元件包括：

第一局部放电信号检测单元，用于获取局部放电电压信号；

第二局部放电信号检测单元，包括三组荧光光纤和与所述三组荧光光纤连接的三组光电倍增管，所述第二局部放电信号检测单元用于获取局部放电光电转换信号；

第三局部放电信号检测单元，用于检测局部放电高频电流信号；

第四局部放电信号检测单元，用于检测局部放电特高频电流信号。

3.如权利要求2所述的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，其特征在于，所述预闪络判定元件还包括：

控制单元，与各局部放电信号检测单元连接，用于在所有局部放电信号中的至少一种局部放电信号满足相应的预闪络条件时，判断闪络即将发生，并控制所述高压直流电源断开，以及控制所述表面电荷测量机构对闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据进行检测。

4.如权利要求3所述的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，其特征在于，所述密封试验罐体的底部安装有旋转电机，所述旋转电机的顶部通过第一高压杆状电极与所述绝缘子的下端连接，所述绝缘子的上端通过第二高压杆状电极和外部导线与所述高压直流电源连接，其中，所述旋转电机旋转时，所述绝缘子与所述旋转电机联动旋转。

5.如权利要求4所述的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，其特征在于，将绝缘子表面从上至下划分成若干圈，所述表面电荷测量机构包括：

静电探头和静电电位计，所述静电探头和所述静电电位计分别设置在所述密封试验罐体的内部和外部，所述静电电位计与所述静电探头连接；

所述控制单元还用于控制所述旋转电机中的水平方位电机和斜向方位电机分别在水平方向和斜向运动，以使所述静电探头能够每圈每隔一度取一电荷采样点的电位数据并输送至所述静电电位计，实现对整个绝缘子表面的电荷分布数据的测量。

6.如权利要求5所述的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，其特征在于，还包括闪络路径判定元件，所述闪络路径判定元件包括：

示波器和高速摄像机，所述示波器分别与各局部放电信号检测单元和所述高速摄像机连接，所述示波器根据各局部放电信号确定闪络发生时，触发所述高速摄像机拍摄获取闪络路径。

7.一种直流盆式绝缘子电场控制阈值计算方法，应用于如权利要求1-6中任一项所述的直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统，其特征在于，包括：

获取闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据；

确定闪络路径，并根据闪络发生前一时刻绝缘子表面电荷分布数据确定闪络发生前一时刻沿所述闪络路径的电场分布数据；

获取所述电场分布数据的统计特征，并提取所述统计特征中的特征参量，以根据所述特征参量确定绝缘子电场控制阈值。