一种高压盆式绝缘子表面微粒聚集电场分析装置

技术领域

本发明涉及破碎机设备技术领域，具体涉及一种高压盆式绝缘子表面微粒聚集电场分析装置及方法。

背景技术

绝缘子是GIS/GIL中重要的组成部分，起到支撑导体、隔绝气室的作用。一般来说，绝缘子是GIS中最薄弱的环节，据统计，在GIS设备故障案例中，其核心组件绝缘子故障占比例很大，占38%。其中，由气隙缺陷引发的故障占29%，由微粒和异物引发的故障占71%。究其原因，主要是自由金属等异物在绝缘子表面聚集，导致场强畸变，引起沿面放电故障。绝缘子的绝缘设计关系到GIS/GIL整体的绝缘水平，当其出现表面有颗粒附着时，极易引起局放放电，最终导致出现击穿现象，严重影响GIS/GIL运行。

因此对绝缘子表面微粒附着的电场仿真设计是GIS/GIL中的终要的部分，基于COMSOL的绝缘子表面微粒聚集进行电场仿真分析，能够有效查找出绝缘子最薄弱环节并对其进行优化改进，保证绝缘子设计的合理性。

目前，对GIS/GIL绝缘子表面微粒聚集的主要研究是通过试验法，通过对绝缘子不同的位置放置不同大小的微粒开展高压试验研究，该方法耗时久，代价大，大多数厂家出于成本考虑不会开展绝缘子表面微粒聚集研究。

现有技术也有对盆式绝缘子在高压下进行测量的技术，例如中国专利文献CN105807148A记载了一种浮动式盆式绝缘子表面电荷测量系统及测量方法，该系统主要包括外壳、浮动测量基架、旋转支撑架、旋转驱动伺服电机、光学校准器、径向移动机构驱动伺服电机、轴向移动机构驱动伺服电机、盆式绝缘子、测头、测头姿态驱动伺服电机、支架。可以对盆式绝缘子的表面电荷进行测量，当该机构测量电荷时需要先对中，然后通过将盆式绝缘子的外形方程式输入控制系统，通过程序控制探头沿着绝缘子外形轨迹进行螺旋形的探测，然后绘制成电荷分布图形，本装置的计算量大，且机构复杂，螺旋形的探测轨迹也使得整个过程缓慢，且只能对电荷进行探测，不能进行电场的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高压盆式绝缘子表面微粒聚集电场分析装置及方法，能够对盆式绝缘子在GIS/GIL中高压情况下的表面电场情况进行研究分析，并对表面微粒聚集对电场的影响进行比对。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种高压盆式绝缘子表面微粒聚集电场分析装置，包括依次连接的测量部、盆式绝缘子和GIS/GIL管道外壳，盆式绝缘子在GIS/GIL管道外壳一侧部分与导体连接，测量部内设有支撑板，支撑板中心设有滑动接触并贯穿的伸缩柱，伸缩柱中心与盆式绝缘子中心同轴线，伸缩柱由伸缩传动机构驱动沿盆式绝缘子轴线伸缩，伸缩传动机构与支撑板固定连接，伸缩柱靠近盆式绝缘子一端设有受控旋转的电场探头，电场探头一侧设有支撑杆，支撑杆上排列有多个电场感应探头，电场感应探头端部连接形成的形状与所检测的盆式绝缘子表面形状匹配，电场感应探头用于探测盆式绝缘子表面的电场强度。

上述的伸缩柱外形为长方形的柱体，柱体远离盆式绝缘子一端的一面设有齿条，由伸缩传动机构驱动齿条实现伸缩柱的伸缩，柱体远离盆式绝缘子一端设有旋转电机，旋转电机带动柱体内的旋转轴旋转，旋转轴的轴线同盆式绝缘子轴线，旋转轴伸出柱体并与电场探头连接。

上述的伸缩传动机构包括与齿条啮合的伸缩驱动齿轮，伸缩驱动齿轮由伸缩电机驱动，伸缩电机和驱动齿轮安装在支撑板上。

上述的GIS/GIL管道外壳上设有固定连接的滑块，滑块与GIS/GIL管道基座顶部的T型滑槽滑动接触。

上述的电场探头分为凹侧电场探头和凸侧电场探头，凹侧电场探头上的电场感应探头端部连接成的形状对应盆式绝缘子凹侧表面形状，凸侧电场探头上的电场感应探头端部连接成的形状对应盆式绝缘子凸侧表面形状。

上述的电场探头结构为：包括与旋转轴连接的连接座，连接座顶部设有探杆，探杆端部一侧设有支撑杆，支撑杆靠近盆式绝缘子一侧依次排列有多根电场感应探头。

上述的测量部上设有观察更换窗，观察更换窗采用透明盖板可分离连接结构，旋转轴端部还可与第一对零探头和第二对零探头连接，第一对零探头和第二对零探头分别用于凹侧电场探头和凸侧电场探头中心处的探头端部对零，电场探头采用分体连接结构，可从观察更换窗拿出，便于更换相应的对零探头。

上述的测量部和/或GIS/GIL管道外壳上设有SF

上述的测量部、盆式绝缘子和GIS/GIL管道外壳的组合体竖直放置；

所述的支撑板作为测量部的外部壳体，伸缩柱与支撑板之间密封。

通过将装置整体竖直放置，可以规避因为重力因素导致的伸缩柱伸出越多，端部越偏离中心的问题，提高平面电场和三维电场的绘制精度。

通过将支撑板作为测量部的外部壳体，将伸缩传动机构和电机置于外部，内部为屏蔽笼结构，可以减少电场对电机的干扰，使得测量更加精准。

使用上述的一种高压盆式绝缘子表面微粒聚集电场分析装置的电场分析方法，具体步骤为：

步骤一、选取需要进行电场分析试验的盆式绝缘子，决定盆式绝缘子需要首先进行试验的端面，选取对应的电场探头并进行组装，放置在测量部中，将对应的第一对零探头或第二对零探头安装在旋转轴上，保持伸缩柱处在远离盆式绝缘子位置，连接盆式绝缘子和导体，将测量部、盆式绝缘子和GIS/GIL管道外壳连接在一起，准备工作完毕；

步骤二、驱动伸缩柱向盆式绝缘子处靠近，当第一对零探头或第二对零探头接触盆式绝缘子探头发送信号，伸缩柱停止伸出，记录此时的伸缩柱位置，记为对零位置，然后伸缩柱缩回；

步骤三、将第一对零探头或第二对零探头从旋转轴上取下并从观察更换窗取出，将对应的凹侧电场探头或凸侧电场探头安装在旋转轴上，将观察更换窗封闭；

步骤四、打开SF

步骤五、伸缩电机驱动伸缩柱伸出，当伸缩柱达到之前记录的对零位置，旋转电机带动电场探头旋转一周，排列的多个电场感应探头感应各个旋转位置的电场强度并回传数值信号，将电场数值信号与电场感应探头位置对应，绘制出对零位置的盆式绝缘子电场强度平面分布图；

步骤六、将伸缩柱缩回到多个位置，并使用旋转电机带动电场探头旋转一周，可绘制多个位置的盆式绝缘子电场强度平面分布图，共同组成三维电场强度分布图；

步骤七、打开气体排出阀组，将内部SF

步骤八、将带有表面微粒的盆式绝缘子按照上述步骤一至步骤七得到三维电场强度分布图，并与无表面微粒的进行比较，得出表面微粒对盆式绝缘子电场强度三维影响图。

本发明提供的一种高压盆式绝缘子表面微粒聚集电场分析装置及方法，通过预先使旋转轴得轴线与盆式绝缘子同轴，结合依次排列的端部与盆式绝缘子表面形状匹配的电场感应探头，将电场感应探头靠近盆式绝缘子表面，使得电场感应探头旋转一周所探测到的电场强度即为在该探头径向位置处盆式绝缘子表面的电场分布情况，结合排列的多个电场感应探头，就可以绘制出盆式绝缘子表面总体的电场分布情况，再将电场感应探头依次远离盆式绝缘子表面并旋转感应电场强度，可以绘制出盆式绝缘子表面附近的电场三维分布情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为实施例中部件分离的示意图；

图4为实施例中盆式绝缘子换向的示意图；

图5为实施例中盆式绝缘子换向后的装置连接示意图；

图6为凹侧电场探头的结构示意图；

图7为图6的局部放大示意图；

图8为凸侧电场探头的结构示意图。

其中：测量部1、GIS/GIL管道外壳2、支撑板3、支柱绝缘子4、导体5、盆式绝缘子6、伸缩传动机构7、伸缩驱动齿轮71、伸缩电机72、伸缩柱8、柱体81、旋转电机82、齿条83、空腔84、旋转轴85、电场探头9、凹侧电场探头91、凸侧电场探头92、连接座93、座体931、定位销孔932、连接通孔933、探杆94、支撑杆95、电场感应探头96、GIS/GIL管道基座10、T型滑槽101、滑块11、SF

具体实施方式

如图1中所示，一种高压盆式绝缘子表面微粒聚集电场分析装置，包括依次连接的测量部1、盆式绝缘子6和GIS/GIL管道外壳2，盆式绝缘子6在GIS/GIL管道外壳2一侧部分与导体5连接，测量部1内设有支撑板3，支撑板3中心设有滑动接触并贯穿的伸缩柱8，伸缩柱8中心与盆式绝缘子6中心同轴线，伸缩柱8由伸缩传动机构7驱动沿盆式绝缘子6轴线伸缩，伸缩传动机构7与支撑板3固定连接，伸缩柱8靠近盆式绝缘子6一端设有受控旋转的电场探头9，电场探头9一侧设有支撑杆95，支撑杆95上排列有多个电场感应探头96，电场感应探头96端部连接形成的形状与所检测的盆式绝缘子6表面形状匹配，电场感应探头96用于探测盆式绝缘子6表面的电场强度。

测量部1、盆式绝缘子6和GIS/GIL管道外壳2三者的结合体内部密封，并充入SF

如图2中所示，上述的伸缩柱8外形为长方形的柱体81，柱体81远离盆式绝缘子6一端的一面设有齿条83，由伸缩传动机构7驱动齿条实现伸缩柱8的伸缩，柱体81远离盆式绝缘子6一端设有旋转电机82，旋转电机82带动柱体81内的旋转轴85旋转，旋转轴85的轴线同盆式绝缘子6轴线，旋转轴85伸出柱体81并与电场探头9连接。

上述的伸缩传动机构7包括与齿条83啮合的伸缩驱动齿轮71，伸缩驱动齿轮71由伸缩电机72驱动，伸缩电机72和驱动齿轮71安装在支撑板3上。

通过预先使旋转轴85得轴线与盆式绝缘子6同轴，结合依次排列的端部与盆式绝缘子6表面形状匹配的电场感应探头96，将电场感应探头96靠近盆式绝缘子6表面，使得电场感应探头96旋转一周所探测到的电场强度即为在该探头径向位置处盆式绝缘子6表面的电场分布情况，结合排列的多个电场感应探头96，就可以绘制出盆式绝缘子6表面总体的电场分布情况，再将电场感应探头96依次远离盆式绝缘子6表面并旋转感应电场强度，可以绘制出盆式绝缘子6表面附近的电场三维分布情况。

柱体81端部设有空腔84，旋转电机82位于空腔84内，空腔84的存在可以缩短旋转轴85，使得旋转运动更加精准。

如图1-5中所示，上述的GIS/GIL管道外壳2上设有固定连接的滑块11，滑块11与GIS/GIL管道基座10顶部的T型滑槽101滑动接触。

上述的电场探头9分为凹侧电场探头91和凸侧电场探头92，凹侧电场探头91上的电场感应探头96端部连接成的形状对应盆式绝缘子6凹侧表面形状，凸侧电场探头92上的电场感应探头96端部连接成的形状对应盆式绝缘子6凸侧表面形状。

GIS/GIL管道外壳2通过滑块11在GIS/GIL管道基座10上的滑动与锁定，使得测量部1、盆式绝缘子6和GIS/GIL管道外壳2得以分离，可以将盆式绝缘子6翻面，并将电场探头9替换成与翻面后的盆式绝缘子6向对应的探头，实现凹侧电场探头91和凸侧电场探头92的替换，能对盆式绝缘子6两面的电场进行检测。

如图6-8中所示，上述的电场探头9结构为：包括与旋转轴85连接的连接座93，连接座93顶部设有探杆94，探杆94端部一侧设有支撑杆95，支撑杆95靠近盆式绝缘子6一侧依次排列有多根电场感应探头96。

上述的测量部1上设有观察更换窗17，观察更换窗17采用透明盖板可分离连接结构，旋转轴85端部还可与第一对零探头15和第二对零探头16连接，第一对零探头15和第二对零探头16分别用于凹侧电场探头91和凸侧电场探头92中心处的探头端部对零，电场探头9采用分体连接结构，可从观察更换窗17拿出，便于更换相应的对零探头。

将第一对零探头15和第二对零探头16总体长度D

电场探头9采用分体式连接结构，方便从观察更换窗17拿出，进而更换第一对零探头15或第二对零探头16进行对零操作；

连接座93包括与旋转轴85端部尺寸对应的座体931，座体931上一侧设有定位销孔932，定位销孔932与旋转轴85端部的销体对应，座体931另一侧设有连接通孔933，用于螺钉进行连接固定，通过定位销孔932和连接通孔933，使得可以方便地进行电场探头9或者对零探头的更换，且安全可靠。

为使电场感应探头96端部连接形成的形状与所检测的盆式绝缘子6表面形状匹配，可使支撑杆95倾斜且斜率等同盆式绝缘子6边缘斜率，这样探测盆式绝缘子6边缘的较多电场感应探头96长度一致。

上述的测量部1和/或GIS/GIL管道外壳2上设有SF

当盆式绝缘子6为支撑式盆式绝缘子时，绝缘子盆面设有通孔，测量部1和GIS/GIL管道外壳2之间相通，只需要测量部1和GIS/GIL管道外壳2两者之一具有SF

当盆式绝缘子6为隔板式盆式绝缘子时，绝缘子两侧隔绝，则测量部1和GIS/GIL管道外壳2两侧都需要设有SF

上述的测量部1、盆式绝缘子6和GIS/GIL管道外壳2的组合体竖直放置；

所述的支撑板3作为测量部1的外部壳体，伸缩柱8与支撑板3之间密封。

通过将装置整体竖直放置，可以规避因为重力因素导致的伸缩柱8伸出越多，端部越偏离中心的问题，提高平面电场和三维电场的绘制精度。

通过将支撑板3作为测量部1的外部壳体，将伸缩传动机构7和电机置于外部，内部为屏蔽笼结构，可以减少电场对电机的干扰，使得测量更加精准。

使用上述的一种高压盆式绝缘子表面微粒聚集电场分析装置的电场分析方法，具体步骤为：

步骤一、选取需要进行电场分析试验的盆式绝缘子6，决定盆式绝缘子6需要首先进行试验的端面，选取对应的电场探头9并进行组装，放置在测量部1中，将对应的第一对零探头15或第二对零探头16安装在旋转轴85上，保持伸缩柱8处在远离盆式绝缘子6位置，连接盆式绝缘子6和导体5，将测量部1、盆式绝缘子6和GIS/GIL管道外壳2连接在一起，准备工作完毕；

步骤二、驱动伸缩柱8向盆式绝缘子6处靠近，当第一对零探头15或第二对零探头16接触盆式绝缘子6探头发送信号，伸缩柱8停止伸出，记录此时的伸缩柱8位置，记为对零位置，然后伸缩柱8缩回；

步骤三、将第一对零探头15或第二对零探头16从旋转轴85上取下并从观察更换窗17取出，将对应的凹侧电场探头91或凸侧电场探头92安装在旋转轴85上，将观察更换窗17封闭；

步骤四、打开SF

步骤五、伸缩电机72驱动伸缩柱8伸出，当伸缩柱8达到之前记录的对零位置，旋转电机82带动电场探头9旋转一周，排列的多个电场感应探头96感应各个旋转位置的电场强度并回传数值信号，将电场数值信号与电场感应探头96位置对应，绘制出对零位置的盆式绝缘子6电场强度平面分布图；

步骤六、将伸缩柱8缩回到多个位置，并使用旋转电机82带动电场探头9旋转一周，可绘制多个位置的盆式绝缘子6电场强度平面分布图，共同组成三维电场强度分布图；

步骤七、打开气体排出阀组13，将内部SF

步骤八、将带有表面微粒的盆式绝缘子6按照上述步骤一至步骤七得到三维电场强度分布图，并与无表面微粒的进行比较，得出表面微粒对盆式绝缘子6电场强度三维影响图。