CN117630525A - Gis亚毫米缺陷机电试验平台及试验方法 - Google Patents

Gis亚毫米缺陷机电试验平台及试验方法 Download PDF

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CN117630525A CN202311498410.9A CN202311498410A CN117630525A CN 117630525 A CN117630525 A CN 117630525A CN 202311498410 A CN202311498410 A CN 202311498410A CN 117630525 A CN117630525 A CN 117630525A
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白涛
韩旭涛
吴旭涛
刘威峰
史天一
魏莹
陈磊
查辉
李军浩
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Shizuishan Power Supply Co Of State Grid Ningxia Electric Power Co ltd
Xian Jiaotong University
State Grid Ningxia Electric Power Co Ltd
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Shizuishan Power Supply Co Of State Grid Ningxia Electric Power Co ltd
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Abstract

本发明提供GIS亚毫米缺陷机电试验平台及试验方法，属于电力试验设备技术领域。GIS亚毫米缺陷机电试验平台包括：GIS缩比模型、高压源、水平振动台、垂直振动台、功率放大器以及上位机，GIS缩比模型内置放亚毫米金属微粒，垂直振动台和水平振动台分别安装在GIS缩比模型的正下方和侧面、用于共同提供正弦形式的振动外力，高压源用于提供交流的高压信号，功率放大器用于向两个振动台提供水平振动激励信号和垂直振动激励信号，通过两振动台将实际振动效果等效施加在GIS缩比模型上；上位机用于连接检测设备。GIS亚毫米缺陷机电试验平台用于探究基于机电联合作用下的亚毫米金属微粒运动特性，以及结合超声信号、局部放电信号探究亚毫米金属微粒的局部放电特性。

Description

GIS亚毫米缺陷机电试验平台及试验方法
技术领域
本发明涉及电力试验设备技术领域，尤其涉及一种GIS亚毫米缺陷机电试验平台及试验方法。
背景技术
GIS设备自20世纪60年代以来在世界各地推广，并逐渐成为变电站用户首选。其结构紧凑、占地面积小、配置灵活、安装方便，在日常维护方面具有很大优势。但随着电压等级和投运数量不断增加，GIS设备故障案例及影响范围也急剧增加，其中，金属微粒引起的异物放电是导致GIS设备故障的主要原因之一，在GIS运行过程中产生的金属微粒以螺丝、触头等金属部件摩擦产生的微米级到亚毫米级的金属屑为主，因小尺度金属颗粒而导致的GIS设备故障频发，直接造成巨大的经济损失，因此，研究亚毫米金属微粒在GIS中的运动特性和局部放电特性很有必要，现有技术的研究方法通常是构造等比模型并且搭建试验平台进行局部放电试验。
GIS设备运行过程中除了电场外，通常还会受到稳态机械振动和断路器操作暂态机械振动的作用，这些金属微粒会在GIS内部电场和机械振动的机-电联合作用下，发生积聚或吸附，最终引发绝缘的击穿和闪络。现有技术的试验平台只能为毫米级甚至厘米级等较大尺度金属颗粒在机械振动或电场单一作用下的运动和放电特性提供试验环境，所得两类数据均不能直接体现两者共同作用效果，即使通过算法进行数据处理，所得结果的等效性、可靠性也不高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种GIS亚毫米缺陷机电试验平台及试验方法，用于探究基于机电联合作用下的亚毫米金属微粒运动特性，为亚毫米金属粉末同时施加交流电场和不同形式的机械振动，实现实际振动特性模拟试验，试验所得数据可靠性高、等效性好。
本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种GIS亚毫米缺陷机电试验平台，包括GIS缩比模型、高压源、水平振动台(11)、垂直振动台(8)、功率放大器以及上位机，所述GIS缩比模型内置放亚毫米金属微粒，所述垂直振动台和所述水平振动台分别安装在所述GIS缩比模型的正下方和侧面、用于共同提供正弦形式的振动外力，所述高压源用于为所述GIS缩比模型提供交流的高压信号，所述功率放大器用于向所述水平振动台(11)及所述垂直振动台(8)提供水平振动激励信号和垂直振动激励信号，通过两个振动台将实际振动效果等效地施加在所述GIS缩比模型上；所述上位机用于连接检测设备；
所述GIS缩比模型的外层壳体由依次螺栓连接的2个径向连接的腔体及端盖(14)组成；所述腔体为空心圆柱形结构、且侧壁上轴对称开设有1对观察窗，观察窗设置在水平对侧，所述腔体侧壁上开设充气孔，所述腔体侧壁上安装压力计；所述腔体的前后两端具有径向外凸缘；所述端盖(14)的前端表面具有环形的密封槽及环形密封圈，所述端盖(14)和所述第二腔体(1)的后端的径向外凸缘部位之间通过环形密封圈密封连接；
所述GIS缩比模型的内层部件包括从前到后顺次轴向连接的均压环(6)、第一中心导杆(21)、第一套管附件(15)、套管(5)、第二套管附件(16)、第三套管附件(17)、第一连接件(18)、盆式绝缘子(20)、第二连接件(23)、第二中心导杆(22)；所述盆式绝缘子(20)的边缘前后表面均具有环形的密封槽及环形密封圈，第一腔体(4)后端的径向外凸缘、所述盆式绝缘子(20)的边缘、所述第二腔体(1)前端的径向外凸缘由螺栓依次固定在一起，并且相邻接触面之间由环形密封圈密封连接；所述盆式绝缘子(20)的中心固定连接中心嵌件(19)；
所述套管分为前段、中段、后段，其中，所述后段位于所述第一腔体(4)内；所述第一套管附件(15)、所述第二套管附件(16)、所述第三套管附件(17)均为具有螺孔的空心圆柱体；所述第一套管附件(15)的后侧表面具有环形的密封槽及环形密封圈，所述第一套管附件(15)和所述套管(5)前段的前端表面之间通过螺栓固定连接、且由环形密封圈密封连接，所述第一套管附件(15)的内尺寸与所述第一中心导杆(21)外径相匹配，起支撑和固定所述第一中心导杆(21)的作用；所述第二套管附件(16)的后侧表面具有环形的密封槽及环形密封圈，所述第三套管附件(17)的前侧表面、后侧表面均具有环形的密封槽及环形密封圈，所述第二套管附件(16)、所述套管(5)中段、所述第三套管附件(17)依次通过螺栓固定连接、相邻接触部位由环形密封圈密封连接；所述第三套管附件(17)与所述第一腔体(4)前端的径向外凸缘之间通过螺栓固定连接、且由位于所述第三套管附件(17)后端的环形密封圈密封连接；
所述均压环(6)与所述第一中心导杆(21)的前端之间为螺栓连接，所述第一中心导杆(21)的后端依次穿过所述第一套管附件(15)、所述套管(5)、所述第一连接件(18)的凹槽底部，所述第一中心导杆(21)的后端、所述第一连接件(18)的凹槽底部由螺栓固定连接在所述中心嵌件(19)的前端表面；所述第二中心导杆(22)的前端位于所述第二连接件(23)的凹槽底部，所述第二中心导杆(22)的前端、所述第二连接件(23)的凹槽底部由螺栓固定连接在所述中心嵌件(19)的后端表面；所述第二中心导杆(22)的后端悬空、且与所述端盖(14)内表面之间具有绝缘距离；所述中心嵌件(19)为导电材质；
所述GIS缩比模型的下侧固定安装振动台连接件(7)，所述振动台连接件(7)以螺栓连接的方式与所述第一腔体(4)的两个径向外凸缘、所述第二腔体(1)的两个径向外凸缘固定连接；所述振动台连接件(7)的下方固定连接所述垂直振动台(8)的振动输出部位；所述振动台连接件(7)、所述GIS缩比模型受所述水平振动台(11)力的牵引作用，跟随所述垂直振动台(8)的振动输出部位沿垂直方向振动；
所述GIS缩比模型的后侧固定安装所述水平振动台(11)，具体是所述端盖(14)的后侧表面与所述水平振动台(11)的振动输出部位之间通过螺栓固定连接，所述GIS缩比模型受所述水平振动台(11)力的牵引作用、跟随所述水平振动台(11)的振动输出部位沿水平方向振动；
所述亚毫米粉末放置在所述第一腔体以及所述第二腔体内部底部；
所述高压源通过引线固定连接到所述均压环外侧侧边；所述第一中心导杆(21)固定安装在所述均压环内侧，通过螺栓固定连接；所述GIS缩比模型中所述第一中心导杆(21)、所述第二中心导杆(22)均通过所述均压环得到高压信号；
所述水平振动台(11)、所述垂直振动台(8)均与所述功率放大器之间电性连接；
开设于所述第一腔体(4)上的第一观察窗(9)和开设于所述第二腔体(1)上的第二观察窗(10)，用于接收光源以及观察亚毫米金属粉末运动；
在进行试验过程中，所述第一腔体(4)、所述第二腔体(1)内充满绝缘性气体。
较优地，所述检测设备包括超声波传感器、局部放电检测仪；试验过程中，所述超声波传感器用于在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的超声波信号，所述局部放电检测仪连接GIS亚毫米缺陷机电试验平台的接地线、直接采集脉冲电流信号。
较优地，通过所述盆式绝缘子(20)的密封分离作用，所述GIS缩比模型内具有2个密封的气室，分别为由所述第一腔体(4)、所述套管(5)及所述盆式绝缘子(20)围成的第一气室，和所述盆式绝缘子(20)及所述第二腔体(1)围成的第二气室。
较优地，所述振动台连接件(7)为弧形板结构，其中，弧形内缘与所述第一腔体(4)的两个径向外凸缘、所述第二腔体(1)的两个径向外凸缘相接触并螺栓固定连接，弧形外缘与所述垂直振动台(8)相接触并且通过螺栓固定连接。
较优地，所述亚毫米粉末的用量为0.01g-1g；所述亚毫米粉末的粒径选用100目、500目、1000目和5000目中的至少一种。
较优地，所述第一腔体(4)的总长度为320mm，内径为180mm，外径为200mm，两侧端口上均具有径向外凸缘，所述径向外凸缘上具有一组螺孔和用于放置密封圈的环形密封槽，所述径向外凸缘的厚度为15mm；所述第一腔体的第一观察窗的长度为100mm、宽度为60mm；所述第二腔体(1)与所述第一腔体(4)的结构尺寸相同；
所述第一中心导杆(21)的长度为520mm，所述第二中心导杆(22)的长度为240mm，两个中心导杆的外径为50mm、内径为40mm；两个中心导杆的导杆边缘平滑圆润、无棱角，起到作为高压电极和通流的作用；
所述盆式绝缘子(20)的厚度为20mm，外径为240mm，内径为50mm，所述盆式绝缘子(20)的两侧密封槽的横截面为3mm×2mm；
所述绝缘性气体采用SF6或环保绝缘气体；
所述端盖(14)的直径为240mm，所述端盖(14)与所述第二中心导杆悬空端之间的绝缘距离设置为150mm；
所述中心嵌件(19)的直径为50mm，厚度为20mm，两侧开设的螺纹孔的深度为5mm，单侧的螺孔圆心位于同一个直径为25mm的圆周上；
所述第一连接件(18)的螺孔位于直径为12mm的沉孔内，所述第二连接件(23)与所述第一连接件(18)相同；
所述套管(5)的所述前段、所述中段、所述后段，外径依次为140mm、180mm、140mm，长度依次为150mm、20mm、50mm；所述套管的内直径为50mm；所述套管(5)的前端端面处的密封槽的横截面尺寸为3mm×2mm；所述套管(5)的管壁外表面具有瓦楞结构，用于防止沿面闪络；所述套管的材质为聚四氟乙烯；
所述第一套管附件(15)，外径为90mm，内径为50mm，厚度为10mm；
所述第二套管附件(16)，外径为180mm，内径为140mm，位于所述第二套管附件(16)后端面上的密封槽的横截面尺寸为3mm×2mm；
所述第三套管附件(17)，外径为240mm，内径为140mm，厚度为15mm；位于所述第三套管附件(17)前端面上的密封槽的横截面尺寸为3mm×2mm，位于所述第三套管附件(17)后端面上的密封槽的横截面尺寸为5mm×3mm；
所述均压环(6)，由空心外圆环以及嵌在所述空心外圆环内缘表面的环形嵌件，所述空心外圆环的横截面的外径为40mm、内径为36mm，所述空心外圆环的旋转半径为60mm；所述环形嵌件的外缘与所述空心外圆环形状契合且固定连接，所述环形嵌件的内径为40mm；所述环形嵌件的后侧表面与所述第一中心导杆(21)的前端相接触、通过螺栓固定连接在一起。
较优地，所述GIS亚毫米缺陷机电试验平台的试验过程为：取定量亚毫米粉末置于所述第一腔体、所述第二腔体内部，再将所述GIS缩比模型密封连接；启动所述功率放大器和高压源，所述功率放大器向所述垂直振动台(8)提供所述垂直驱动激励信号、向所述水平振动台(11)提供所述水平驱动激励信号，使所述GIS缩比模型受牵引力的作用开始振动，所述高压源向所述GIS缩比模型提供高压信号，所述GIS缩比模型内的亚毫米粉末发生局部放电；在试验过程中，所述超声波传感器在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的所述超声波信号，所述局部放电检测仪在接地线部位采集所述脉冲电流信号；所述上位机接收所述超声波信号及所述脉冲电流信号；此外，通过各个所述观察窗观察所述亚毫米粉末的运动状态。
本发明还提供一种考虑实际振动的GIS亚毫米缺陷试验方法，利用权利要求1-6任一项所述的GIS亚毫米缺陷机电试验平台进行试验，步骤包括：
步骤S1，模型安装，取用定量亚毫米粉末置于第一腔体、第二腔体内部，再将所述GIS缩比模型密封连接；
步骤S2，启动功率放大器和高压源，功率放大器向垂直振动台提供垂直驱动激励信号、向水平振动台(11)提供水平驱动激励信号，使所述GIS缩比模型受牵引力的作用开始振动，所述高压源向所述GIS缩比模型提供高压信号，所述GIS缩比模型内的亚毫米粉末发生局部放电；其中，所述高压源施加的高压信号强度逐渐由小变大；
步骤S3，在试验过程中，通过观察窗观察亚毫米粉末的运动状态，利用所述超声波传感器在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的所述超声波信号，利用所述局部放电检测仪在接地线部位采集所述脉冲电流信号；其中，所述局部放电检测仪测得起始放电电压PDIV和PRPD谱图；
步骤S4，上位机接收所述超声波信号及所述脉冲电流信号，通过融合分析方法对GIS缩比模型内部的局部放电特性进行描述，进而评估亚毫米金属粉末缺陷对GIS设备绝缘状态的影响；
步骤S5，在试验结束后，使用接地棒对GIS亚毫米缺陷机电试验平台进行放电。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的GIS亚毫米缺陷机电试验平台，包括GIS缩比模型、高压源、水平振动台、垂直振动台、功率放大器以及上位机，GIS缩比模型内置放亚毫米金属微粒，垂直振动台和水平振动台分别安装在GIS缩比模型的正下方和侧面、用于共同提供正弦形式的振动外力，高压源用于提供交流的高压信号，功率放大器用于向两个振动台提供水平振动激励信号和垂直振动激励信号，通过两个振动台将三维振动等效地施加在GIS缩比模型上。本发明的GIS亚毫米缺陷机电试验平台用于探究基于机电联合作用下的亚毫米金属微粒运动特性，以及结合超声信号、局部放电信号探究亚毫米金属微粒的局部放电特性。
附图说明
图1为本发明的GIS亚毫米缺陷机电试验平台的结构示意图。
图2为图1所示GIS亚毫米缺陷机电试验平台中GIS腔体部分的剖面图。
图中：第二腔体1、第二充气孔2、第一充气孔3、第一腔体4、套管5、均压环6、振动台连接件7、垂直振动台8、第一观察窗9、第二观察窗10、水平振动台11、第二压力计12、第一压力计13、端盖14、第一套管附件15、第二套管附件16、第三套管附件17、第一连接件18、中心嵌件19、盆式绝缘子20、第一中心导杆21、第二中心导杆22、第二连接件23。
具体实施方式
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
本发明提供一种GIS亚毫米缺陷机电试验平台，包括GIS腔体部分、振动施加以及高压施加，在试验前，通过有限元法等对缩比模型进行了仿真研究，得到模型电场分布与实际电场分布的误差在可接受的范围内，因此，通过缩比模型能较好反映电力设备的实际运行情况。
如图1和图2所示，GIS亚毫米缺陷机电试验平台包括GIS缩比模型、高压源、水平振动台11、垂直振动台8、功率放大器以及上位机，GIS缩比模型内置放亚毫米金属微粒，垂直振动台和水平振动台分别安装在GIS缩比模型的正下方和侧面、用于共同提供正弦形式的振动外力，高压源用于为GIS缩比模型提供交流的高压信号，功率放大器用于向水平振动台11及垂直振动台8提供水平振动激励信号和垂直振动激励信号，通过两个振动台将三维振动等效地施加在GIS缩比模型上；上位机用于连接检测设备；
GIS缩比模型的外层壳体由依次螺栓连接的2个径向连接的腔体及端盖14组成；腔体为空心圆柱形结构，起到模拟GIS实际外壳的作用，该腔体结构是按照运行中的220kVGIS等比例缩小得到的，可以用来模拟实际工况。腔体侧壁上轴对称开设有1对观察窗，观察窗设置在水平对侧，腔体侧壁上开设充气孔(指第二腔体1的第二充气孔2、第一腔体4的第一充气孔3，其用于抽真空和充入绝缘性气体)，腔体侧壁上安装压力计（指第二腔体1的第二压力计12、第一腔体4的第一压力计13，用于测量绝缘性气体的气压）；腔体的前后两端具有径向外凸缘；端盖14的前端表面具有环形的密封槽及环形密封圈，端盖14和第二腔体1的后端的径向外凸缘部位之间通过环形密封圈密封连接(密封槽中的密封圈与第二腔体1后端的径向外凸缘相接触，起到密封的作用)；
GIS缩比模型的内层部件包括从前到后顺次轴向连接的均压环6、第一中心导杆21、第一套管附件15、套管5、第二套管附件16、第三套管附件17、第一连接件18、盆式绝缘子20、第二连接件23、第二中心导杆22；盆式绝缘子20的边缘前后表面均具有环形的密封槽及环形密封圈，第一腔体4后端的径向外凸缘、盆式绝缘子20的边缘、第二腔体1前端的径向外凸缘由螺栓依次固定在一起，并且相邻接触面之间由环形密封圈密封连接；盆式绝缘子20的中心固定连接中心嵌件19；中心嵌件为导电材质，因此，通过中心嵌件，可以将两个中心导杆进行电气连接；
套管分为前段、中段、后段，其中，后段位于第一腔体4内；第一套管附件15、第二套管附件16、第三套管附件17均为具有螺孔的空心圆柱体；第一套管附件15的后侧表面具有环形的密封槽及环形密封圈，第一套管附件15和套管5前段的前端表面之间通过螺栓固定连接、且由环形密封圈密封连接，第一套管附件15的内尺寸与第一中心导杆21外径相匹配，起支撑和固定第一中心导杆21的作用；第二套管附件16的后侧表面具有环形的密封槽及环形密封圈，第三套管附件17的前侧表面、后侧表面均具有环形的密封槽及环形密封圈，第二套管附件16、套管5中段、第三套管附件17依次通过螺栓固定连接、相邻接触部位由环形密封圈密封连接；第三套管附件17与第一腔体4前端的径向外凸缘之间通过螺栓固定连接、且由位于第三套管附件17后端的环形密封圈密封连接；套管用于为GIS缩比模型提供机械上的固定和电位上的隔离；
均压环6与第一中心导杆21的前端之间为螺栓连接，第一中心导杆21的后端依次穿过第一套管附件15、套管5、第一连接件18的凹槽底部，其中，第一中心导杆21与套管5内壁完全贴合，第一中心导杆21的后端、第一连接件18的凹槽底部由螺栓固定连接在中心嵌件19的前端表面；第二中心导杆22的前端位于第二连接件23的凹槽底部，第二中心导杆22的前端、第二连接件23的凹槽底部由螺栓固定连接在中心嵌件19的后端表面；第二中心导杆22的后端悬空、且与端盖14内表面之间具有绝缘距离；其中，均压环6设置为标准的圆形结构，维持高压端附近电场的均匀稳定，同时起到引入交流高压的作用；中心嵌件设置在所述盆式绝缘子20中央，将所述盆式绝缘子20两端的导电结构连接起来；中心导杆21和中心导杆22，其设置在缩比模型的中央，起到作为高压电极和通流的作用；第一连接件18以及第二连接件23，其安装在所述中心嵌件19的两侧，通过螺栓将其与所述中心导杆21和中心导杆22连接起来
GIS缩比模型的下侧固定安装振动台连接件7，振动台连接件7以螺栓连接的方式与第一腔体4的两个径向外凸缘、第二腔体1的两个径向外凸缘固定连接；振动台连接件7的下方固定连接垂直振动台8的振动输出部位；振动台连接件7、GIS缩比模型受水平振动台11力的牵引作用，跟随垂直振动台8的振动输出部位沿垂直方向振动；
振动台连接件7为弧形板结构，其中，弧形内缘与第一腔体4的两个径向外凸缘、第二腔体1的两个径向外凸缘相接触并螺栓固定连接，弧形外缘与垂直振动台8相接触并且通过螺栓固定连接，弧形板表面和垂直振动台表面是刚性连接的；
GIS缩比模型的后侧固定安装水平振动台11，具体是端盖14的后侧表面与水平振动台11的振动输出部位之间通过螺栓固定连接，GIS缩比模型受水平振动台11力的牵引作用、跟随水平振动台11的振动输出部位沿水平方向振动，与水平振动台11的运动状态保持同步；
亚毫米粉末放置在第一腔体以及第二腔体内部底部；
高压源通过引线连接到均压环外侧侧边，引线由螺栓固定；第一中心导杆21固定安装在均压环内侧，通过螺栓固定连接；GIS缩比模型中第一中心导杆21、第二中心导杆22均通过均压环得到高压信号；
水平振动台11、垂直振动台8均与功率放大器之间电性连接，由功率放大器提供动力；
开设于第一腔体4上的第一观察窗9和开设于第二腔体1上的第二观察窗10，用于接收光源以及观察亚毫米金属粉末运动；
在进行试验过程中，第一腔体4、第二腔体1内充满绝缘性气体。
进一步地，检测设备包括超声波传感器、局部放电检测仪；试验过程中，超声波传感器用于在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的超声波信号，局部放电检测仪连接GIS亚毫米缺陷机电试验平台的接地线、直接采集脉冲电流信号。
下面给出一组试验平台各部件具体的尺寸及材质介绍，作为一种可选的实施方式：
腔体，其主体是一个空心圆柱体，例如第一腔体的总长度为320mm，内径为180mm，外径为200mm，腔体两侧端口两侧设计一圈直径为240mm的径向外凸缘，径向外凸缘上具有一组螺孔和用于放置密封圈的环形密封槽，径向外凸缘的厚度为15mm；第一腔体的第一观察窗的长度为100mm、宽度为60mm，为玻璃材质；腔体外壳的上方为充气装置和压力计的安装位置；第二腔体与第一腔体的结构尺寸相同；
第一中心导杆的长度为520mm，第二中心导杆的长度为240mm，两个腔体的中心导杆均为空心圆柱结构，外径为50mm、内径为40mm；避免腔体内部的尖端放电，两个中心导杆的导杆边缘平滑圆润、无棱角，起到作为高压电极和通流的作用；较短的导杆一端与绝缘子可靠固定，另一端悬空，与端盖留有安全的绝缘距离；交流高压源通过引线连接到均压环上的螺栓以向装置施加高压信号；中心导杆通过两个M6螺孔与连接件固定，实现绝缘子两端的电气连接。
盆式绝缘子20，其形状依照实际运行中的盆式绝缘子设计，采用环氧树脂材质，凹面和凸面能够为研究金属粉末在不同位置的运动提供支撑；三相分体式GIS内部一般采用支柱绝缘子或盆式绝缘子起支撑和电气隔离作用，GIS/GIL是典型的气固绝缘系统，主要由绝缘性气体（SF6或环保绝缘气体）与固体绝缘件（支柱绝缘子和盆式绝缘子）构成，固体绝缘件起到支撑金属导杆、隔离与封闭气室的作用。绝缘子主要由环氧树脂、固化剂以及Al2O3填料浇筑而成，具有良好的绝缘与力学性能。绝缘子模型的厚度为20mm，外径为240mm，内径为50mm。绝缘子四周设置12个M10螺孔，两面都设置了横截面为3mm×2mm的密封槽，以实现和两个腔体的连接和气室之间的密封；
端盖14，其为设置在腔体一端的密封结构，其直径为240mm，四周设置12个M10螺孔，端盖14与第二中心导杆悬空端之间的绝缘距离设置为150mm；
中心嵌件19，该结构是一个圆柱体，其直径为50mm，厚度为20mm，两侧均开有四个深度为5mm的M6螺孔，4个螺孔圆心经过一个直径为25mm的圆。该件通过胶粘的方式固定在绝缘子中心，并通过螺孔与连接件固定，是电气连接的重要组成部分；
两个连接件（第一连接件18及第二连接件23），其为一端开口的近似圆柱形结构，底部设置4个M6螺孔，与中心嵌件紧密相接。其圆弧形的拱背上设置有两个M6螺孔以连接中心导杆。为了减少对三结合点处电场分布的影响，将螺孔放置在直径为12mm的沉孔内，以保持连接件外侧电场分布的均匀程度，第一连接件18的螺孔位于直径为12mm的沉孔内；
套管，在电力系统中，当高压载体需要穿过与其电位不同的墙体或金属壳体时，需要高压套管。模型使用简化后的由三段圆柱体组成的套管，套管的前段、中段、后段，外径依次为140mm、180mm、140mm，长度依次为150mm、20mm、50mm；套管内部为空心结构，直径为50mm，中心导杆与套管内壁紧密贴合。为了与金属结构可靠连接，在套管的第二段四周设置了8个M6螺孔。在套管前段的上端设置了一圈横截面为3mm×2mm的密封槽，这是为了与第一套管附件紧密相接。为了防止沿面闪络，在套管壁外表面上设置了一系列瓦楞结构。套管材料为聚四氟乙烯；
第一套管附件15，为一个空心圆柱体，其外径为90mm，内径为50mm，厚度为10mm。四周设置一圈6个M6螺孔以连接套管；
第二套管附件16，为一个空心圆柱体，其外径为180mm，内径为140mm，一圈设置8个M6螺孔以连接套管，位于所述第二套管附件16后端面上的密封槽的横截面尺寸为3mm×2mm；
第三套管附件17，为一个空心圆柱体，外侧设置一圈12个M10螺孔以连接腔体，内侧设置一圈8个M6螺孔以连接套管。其外径为240mm，内径为140mm，厚度为15mm；位于第三套管附件17前端面上的密封槽的横截面尺寸为3mm×2mm，位于第三套管附件17后端面上的密封槽的横截面尺寸为5mm×3mm；密封槽的作用是紧固套管和腔体。
均压环(6)，由空心外圆环以及嵌在空心外圆环内缘表面的环形嵌件，空心外圆环的横截面的外径为40mm、内径为36mm，空心外圆环的旋转半径为60mm；环形嵌件为一种空心圆柱体，环形嵌件的外缘与空心外圆环形状契合且固定连接，环形嵌件的内径为40mm，其上设置一圈4个M3螺孔以连接中心导杆；环形嵌件的后侧表面与第一中心导杆(21)的前端相接触、通过螺栓固定连接在一起；
图1所示的GIS亚毫米缺陷机电试验平台的试验过程为：取定量亚毫米粉末置于第一腔体、第二腔体内部，再将GIS缩比模型密封连接；启动功率放大器和高压源，功率放大器向垂直振动台8提供垂直驱动激励信号、向水平振动台11提供水平驱动激励信号，使GIS缩比模型受牵引力的作用开始振动，高压源向GIS缩比模型提供高压信号，GIS缩比模型内的亚毫米粉末发生局部放电；在试验过程中，超声波传感器在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的超声波信号，局部放电检测仪在接地线部位采集脉冲电流信号；上位机接收超声波信号及脉冲电流信号；此外，通过各个观察窗观察亚毫米粉末的运动状态。
在试验过程中，为了研究亚毫米金属粉末的位置、数量和粒径对其运动特性和放电特性的影响，粉末放置在腔体底部；数量从0.01g-1g不等；粒径采用100目、500目、1000目和5000目。研究亚毫米金属微粒的放电特性落脚点在于局部放电信号的有效测量，试验中采用超声波法和脉冲电流法相互配合，通过超声波传感器和局放仪分别采集放电过程中的超声波信号和电流信号。
GIS亚毫米缺陷机电试验平台的优选实施例中，GIS腔体部分和振动施加部分的位置配合关系是由GIS水平母线的实际振动特性决定的。在平台实施GIS亚毫米缺陷的机电联合试验前，应当明确平台的构建方法特点，以确定振动施加部分与GIS腔体部分的位置关系，实际GIS水平母线的振动特性可以描述为竖直方向振动和沿轴向水平方向振动的叠加，因此，通过两个振动台将三维振动等效地施加在缩比模型上，即得到考虑实际振动特性的GIS亚毫米缺陷机电试验平台。
GIS亚毫米缺陷机电试验平台的优选实施例中，考虑了实际振动特性，这样的特性通过振动台等效地施加在缩比模型上。在进行亚毫米金属粉末的缺陷试验过程中，还可以根据实测结果灵活调整振动台的位置，以尽可能准确地复现实际环境中的振动情况，进一步提升粉末缺陷试验的准确性和可靠性。
进一步地，本发明还提供一种考虑实际振动的GIS亚毫米缺陷试验方法，利用图1所示的GIS亚毫米缺陷机电试验平台进行试验，步骤包括：
步骤S1，模型安装，取用定量亚毫米粉末置于第一腔体、第二腔体内部，再将GIS缩比模型密封连接；
步骤S2，启动功率放大器和高压源，功率放大器向垂直振动台8提供垂直驱动激励信号、向水平振动台11提供水平驱动激励信号，使GIS缩比模型受牵引力的作用开始振动，高压源向GIS缩比模型提供高压信号，GIS缩比模型内的亚毫米粉末发生局部放电；其中，高压源施加的高压信号强度逐渐由小变大，从初始电压升至目标高压；
步骤S3，在试验过程中，通过观察窗观察亚毫米粉末的运动状态，利用超声波传感器在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的超声波信号，利用局部放电检测仪在接地线部位采集脉冲电流信号；其中，局部放电检测仪测得起始放电电压PDIV和PRPD谱图；
步骤S4，上位机接收超声波信号及脉冲电流信号，通过融合分析方法对GIS缩比模型内部的局部放电特性进行描述，进而评估亚毫米金属粉末缺陷对GIS设备绝缘状态的影响。
步骤S5，在试验结束后，使用接地棒对GIS亚毫米缺陷机电试验平台进行放电。
通过上述的试验过程，可以进行如下两方面的研究：
第一，运动特性：在单一电场作用时的金属颗粒起跳电压之下，施加稳态和暂态机械振动，研究稳态机械振动频率、幅值、暂态冲击振动等激励参数，以及金属微粒粒径、数量、位置等微粒参数对亚毫米金属颗粒起始运动和积聚演化特性的影响规律。
第二，基于机电联合作用下亚毫米金属微粒运动过程和超声、振动信号的关联关系，从起始放电电压（PDIV）、放电重复率、放电量等入手，研究GIS金属微粒缺陷的振动-超声融合检测方法及融合分析方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的考虑实际振动特性的GIS亚毫米缺陷机电试验平台针对亚毫米金属粉末的缺陷，将实际GIS母线段的振动特性引入试验平台，弥补了现有技术难以同时向GIS平台施加电信号和机械信号，机械信号施加不准确的不足，所施加的机械信号得到了现场试验的实际验证，提高了模拟的准确性和可靠性，试验所得数据可靠性高、等效性好。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种GIS亚毫米缺陷机电试验平台，其特征在于，包括GIS缩比模型、高压源、水平振动台(11)、垂直振动台(8)、功率放大器以及上位机，所述GIS缩比模型内置放亚毫米金属微粒，所述垂直振动台和所述水平振动台分别安装在所述GIS缩比模型的正下方和侧面、用于共同提供正弦形式的振动外力，所述高压源用于为所述GIS缩比模型提供交流的高压信号，所述功率放大器用于向所述水平振动台(11)及所述垂直振动台(8)提供水平振动激励信号和垂直振动激励信号，通过两个振动台将实际振动效果等效地施加在所述GIS缩比模型上；所述上位机用于连接检测设备；
所述GIS缩比模型的外层壳体由依次螺栓连接的2个径向连接的腔体及端盖(14)组成；所述腔体为空心圆柱形结构、且侧壁上轴对称开设有1对观察窗，观察窗设置在水平对侧，所述腔体侧壁上开设充气孔，所述腔体侧壁上安装压力计；所述腔体的前后两端具有径向外凸缘；所述端盖(14)的前端表面具有环形的密封槽及环形密封圈，所述端盖(14)和所述第二腔体(1)的后端的径向外凸缘部位之间通过环形密封圈密封连接；
所述GIS缩比模型的内层部件包括从前到后顺次轴向连接的均压环(6)、第一中心导杆(21)、第一套管附件(15)、套管(5)、第二套管附件(16)、第三套管附件(17)、第一连接件(18)、盆式绝缘子(20)、第二连接件(23)、第二中心导杆(22)；所述盆式绝缘子(20)的边缘前后表面均具有环形的密封槽及环形密封圈，第一腔体(4)后端的径向外凸缘、所述盆式绝缘子(20)的边缘、所述第二腔体(1)前端的径向外凸缘由螺栓依次固定在一起，并且相邻接触面之间由环形密封圈密封连接；所述盆式绝缘子(20)的中心固定连接中心嵌件(19)；
所述套管分为前段、中段、后段，其中，所述后段位于所述第一腔体(4)内；所述第一套管附件(15)、所述第二套管附件(16)、所述第三套管附件(17)均为具有螺孔的空心圆柱体；所述第一套管附件(15)的后侧表面具有环形的密封槽及环形密封圈，所述第一套管附件(15)和所述套管(5)前段的前端表面之间通过螺栓固定连接、且由环形密封圈密封连接，所述第一套管附件(15)的内尺寸与所述第一中心导杆(21)外径相匹配，起支撑和固定所述第一中心导杆(21)的作用；所述第二套管附件(16)的后侧表面具有环形的密封槽及环形密封圈，所述第三套管附件(17)的前侧表面、后侧表面均具有环形的密封槽及环形密封圈，所述第二套管附件(16)、所述套管(5)中段、所述第三套管附件(17)依次通过螺栓固定连接、相邻接触部位由环形密封圈密封连接；所述第三套管附件(17)与所述第一腔体(4)前端的径向外凸缘之间通过螺栓固定连接、且由位于所述第三套管附件(17)后端的环形密封圈密封连接；
所述均压环(6)与所述第一中心导杆(21)的前端之间为螺栓连接，所述第一中心导杆(21)的后端依次穿过所述第一套管附件(15)、所述套管(5)、所述第一连接件(18)的凹槽底部，所述第一中心导杆(21)的后端、所述第一连接件(18)的凹槽底部由螺栓固定连接在所述中心嵌件(19)的前端表面；所述第二中心导杆(22)的前端位于所述第二连接件(23)的凹槽底部，所述第二中心导杆(22)的前端、所述第二连接件(23)的凹槽底部由螺栓固定连接在所述中心嵌件(19)的后端表面；所述第二中心导杆(22)的后端悬空、且与所述端盖(14)内表面之间具有绝缘距离；所述中心嵌件(19)为导电材质；
所述GIS缩比模型的下侧固定安装振动台连接件(7)，所述振动台连接件(7)以螺栓连接的方式与所述第一腔体(4)的两个径向外凸缘、所述第二腔体(1)的两个径向外凸缘固定连接；所述振动台连接件(7)的下方固定连接所述垂直振动台(8)的振动输出部位；所述振动台连接件(7)、所述GIS缩比模型受所述水平振动台(11)力的牵引作用，跟随所述垂直振动台(8)的振动输出部位沿垂直方向振动；
所述GIS缩比模型的后侧固定安装所述水平振动台(11)，具体是所述端盖(14)的后侧表面与所述水平振动台(11)的振动输出部位之间通过螺栓固定连接，所述GIS缩比模型受所述水平振动台(11)力的牵引作用、跟随所述水平振动台(11)的振动输出部位沿水平方向振动；
所述亚毫米粉末放置在所述第一腔体以及所述第二腔体内部底部；
所述高压源通过引线固定连接到所述均压环外侧侧边；所述第一中心导杆(21)固定安装在所述均压环内侧，通过螺栓固定连接；所述GIS缩比模型中所述第一中心导杆(21)、所述第二中心导杆(22)均通过所述均压环得到高压信号；
所述水平振动台(11)、所述垂直振动台(8)均与所述功率放大器之间电性连接；
开设于所述第一腔体(4)上的第一观察窗(9)和开设于所述第二腔体(1)上的第二观察窗(10)，用于接收光源以及观察亚毫米金属粉末运动；
在进行试验过程中，所述第一腔体(4)、所述第二腔体(1)内充满绝缘性气体。
2.如权利要求1所述的GIS亚毫米缺陷机电试验平台，其特征在于，所述检测设备包括超声波传感器、局部放电检测仪；试验过程中，所述超声波传感器用于在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的超声波信号，所述局部放电检测仪连接GIS亚毫米缺陷机电试验平台的接地线、直接采集脉冲电流信号。
3.如权利要求1所述的GIS亚毫米缺陷机电试验平台，其特征在于，所述振动台连接件(7)为弧形板结构，其中，弧形内缘与所述第一腔体(4)的两个径向外凸缘、所述第二腔体(1)的两个径向外凸缘相接触并螺栓固定连接，弧形外缘与所述垂直振动台(8)相接触并且通过螺栓固定连接。
4.如权利要求1所述的GIS亚毫米缺陷机电试验平台，其特征在于，所述亚毫米粉末的用量为0.01g-1g；所述亚毫米粉末的粒径选用100目、500目、1000目和5000目中的至少一种。
5.如权利要求1所述的GIS亚毫米缺陷机电试验平台，其特征在于，通过所述盆式绝缘子(20)的密封分离作用，所述GIS缩比模型内具有2个密封的气室，分别为由所述第一腔体(4)、所述套管(5)及所述盆式绝缘子(20)围成的第一气室，和所述盆式绝缘子(20)及所述第二腔体(1)围成的第二气室。
6.如权利要求1所述的GIS亚毫米缺陷机电试验平台，其特征在于：
所述第一腔体(4)的总长度为320mm，内径为180mm，外径为200mm，两侧端口上均具有径向外凸缘，所述径向外凸缘上具有一组螺孔和用于放置密封圈的环形密封槽，所述径向外凸缘的厚度为15mm；所述第一腔体的第一观察窗的长度为100mm、宽度为60mm；所述第二腔体(1)与所述第一腔体(4)的结构尺寸相同；
所述第一中心导杆(21)的长度为520mm，所述第二中心导杆(22)的长度为240mm，两个中心导杆的外径为50mm、内径为40mm；两个中心导杆的导杆边缘平滑圆润、无棱角，起到作为高压电极和通流的作用；
所述盆式绝缘子(20)的厚度为20mm，外径为240mm，内径为50mm，所述盆式绝缘子(20)的两侧密封槽的横截面为3mm×2mm；
所述绝缘性气体采用SF6或环保绝缘气体；
所述端盖(14)的直径为240mm，所述端盖(14)与所述第二中心导杆悬空端之间的绝缘距离设置为150mm；
所述中心嵌件(19)的直径为50mm，厚度为20mm，两侧开设的螺纹孔的深度为5mm，单侧的螺孔圆心位于同一个直径为25mm的圆周上；
所述第一连接件(18)的螺孔位于直径为12mm的沉孔内，所述第二连接件(23)与所述第一连接件(18)相同；
所述套管(5)的所述前段、所述中段、所述后段，外径依次为140mm、180mm、140mm，长度依次为150mm、20mm、50mm；
所述套管的内直径为50mm；所述套管(5)的前端端面处的密封槽的横截面尺寸为3mm×2mm；所述套管(5)的管壁外表面具有瓦楞结构，用于防止沿面闪络；所述套管的材质为聚四氟乙烯；
所述第一套管附件(15)，外径为90mm，内径为50mm，厚度为10mm；
所述第二套管附件(16)，外径为180mm，内径为140mm，位于所述第二套管附件(16)后端面上的密封槽的横截面尺寸为3mm×2mm；
所述第三套管附件(17)，外径为240mm，内径为140mm，厚度为15mm；位于所述第三套管附件(17)前端面上的密封槽的横截面尺寸为3mm×2mm，位于所述第三套管附件(17)后端面上的密封槽的横截面尺寸为5mm×3mm；
所述均压环(6)，由空心外圆环以及嵌在所述空心外圆环内缘表面的环形嵌件，所述空心外圆环的横截面的外径为40mm、内径为36mm，所述空心外圆环的旋转半径为60mm；所述环形嵌件的外缘与所述空心外圆环形状契合且固定连接，所述环形嵌件的内径为40mm；所述环形嵌件的后侧表面与所述第一中心导杆(21)的前端相接触、通过螺栓固定连接在一起。
7.如权利要求2所述的GIS亚毫米缺陷机电试验平台，其特征在于，所述GIS亚毫米缺陷机电试验平台的试验过程为：取定量亚毫米粉末置于所述第一腔体、所述第二腔体内部，再将所述GIS缩比模型密封连接；启动所述功率放大器和高压源，所述功率放大器向所述垂直振动台(8)提供所述垂直驱动激励信号、向所述水平振动台(11)提供所述水平驱动激励信号，使所述GIS缩比模型受牵引力的作用开始振动，所述高压源向所述GIS缩比模型提供高压信号，所述GIS缩比模型内的亚毫米粉末发生局部放电；在试验过程中，所述超声波传感器在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的所述超声波信号，所述局部放电检测仪在接地线部位采集所述脉冲电流信号；所述上位机接收所述超声波信号及所述脉冲电流信号；此外，通过各个所述观察窗观察所述亚毫米粉末的运动状态。
8.一种考虑实际振动的GIS亚毫米缺陷试验方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述的GIS亚毫米缺陷机电试验平台进行试验，步骤包括：
步骤S1，模型安装，取用定量亚毫米粉末置于第一腔体、第二腔体内部，再将所述GIS缩比模型密封连接；
步骤S2，启动功率放大器和高压源，功率放大器向垂直振动台提供垂直驱动激励信号、向水平振动台(11)提供水平驱动激励信号，使所述GIS缩比模型受牵引力的作用开始振动，所述高压源向所述GIS缩比模型提供高压信号，所述GIS缩比模型内的亚毫米粉末发生局部放电；其中，所述高压源施加的高压信号强度逐渐由小变大；
步骤S3，在试验过程中，通过观察窗观察亚毫米粉末的运动状态，利用所述超声波传感器在腔体外表面的测点部位获取由于局部放电而产生的所述超声波信号，利用所述局部放电检测仪在接地线部位采集所述脉冲电流信号；其中，所述局部放电检测仪测得起始放电电压PDIV和PRPD谱图；
步骤S4，上位机接收所述超声波信号及所述脉冲电流信号，通过融合分析方法对GIS缩比模型内部的局部放电特性进行描述，进而评估亚毫米金属粉末缺陷对GIS设备绝缘状态的影响；
步骤S5，在试验结束后，使用接地棒对GIS亚毫米缺陷机电试验平台进行放电。
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