一种超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统的制作方法

1.本发明属于电气工程领域，具体为超/特高压直流输电设备的电气绝缘结构表面电荷分布机理的研究领域，涉及一种超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统。


背景技术：

2.特高压套管作为特高压交流变压器、特高压换流变压器的进线和出线设备，用于当特高压载流导体穿过与其电位不同的变压器金属壳体时、将电流引入或引出变压器金属箱壳，起绝缘和机械支撑作用，它集电、热、力、化学性能于一体，是发展特高压输电的关键设备之一。特高压直流穿墙套管作为换流站中连接阀厅和直流场的唯一通道，是承载系统全电压、全电流的核心设备，保障其安全运行对整个系统至关重要。
3.直流电压下气-固绝缘表面和固体绝缘内部存在空间电荷积聚现象。而空间电荷的存在、迁移和消失会直接导致电介质表面和内部局部电场发生畸变，不仅影响材料的电导、局部放电、击穿破坏、电老化等特性，还会影响设备的运行可靠性与长期使用寿命。但由于直流下介质空间电荷积聚的理论复杂，其对套管设计与运行的影响机理尚不明确。因此，研究超/特高压直流套管的绝缘结构表面的电位、电荷分布机理有重大意义，有必要设计一套能够考虑多种结构下的超/特高压穿墙套管的表面电荷测量系统。


技术实现要素：

4.为解决超/特高压穿墙套管在直流电压下的电荷积累特性，本发明的目的在于提供一种超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统，本发明的表面电荷测量系统可以用于多种结构的下的超/特高压穿墙套管的表面绝缘结构的电位分析，相关结论可为穿墙套管的结构优化设计、寿命评估和故障分析提供理论依据。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统，包括接地外壳本体、测量电荷探头、金属屏蔽板、探头驱动机构和超/特高压穿墙套管缩比模型；
7.超/特高压穿墙套管缩比模型同轴安装于接地外壳本体的内腔，超/特高压穿墙套管缩比模型通过固定缩比套管支撑件固定于接地外壳本体的内腔；固定缩比套管支撑件采用导体，固定缩比套管支撑件的一端与超/特高压穿墙套管缩比模型上的接地法兰接触，固定缩比套管支撑件的一端与接地外壳本体连接；
8.接地外壳本体的一端设有绝缘结构，超/特高压穿墙套管缩比模型的高压电极与接地外壳本体之间通过绝缘结构进行电压隔离；
9.接地外壳本体的壁面上开设有测量电荷探头安装孔，测量电荷探头安装孔为一长孔，长孔的长度方向沿接地外壳本体的轴向设置，金属屏蔽板罩设于所述测量电荷探头安装孔的外端，测量电荷探头设置于所述金属屏蔽板上并经所述测量电荷探头安装孔伸入接地外壳本体的内腔；
10.探头驱动机构与所述金属屏蔽板连接并能驱动金属屏蔽板沿接地外壳本体的轴
向移动。
11.优选的，所述探头驱动机构包括可编程步进电机和电动滑台，可编程步进电机和电动滑台连接，金属屏蔽板设置于电动滑台上。
12.优选的，超/特高压穿墙套管缩比模型包括第一外绝缘筒、第二外绝缘筒、中心载流导体和高压电极，第一外绝缘筒的一端密封连接有第一端盖，第一外绝缘筒的另一端设置有第一接地法兰；第二外绝缘筒的一端密封连接有第二端盖，第一外绝缘筒的另一端设置有第二接地法兰；
13.第一接地法兰和第二接地法兰密封连接，第一外绝缘筒和第二外绝缘筒同轴，第一外绝缘筒、第二外绝缘筒、第一端盖、第二端盖、第一接地法兰和第二接地法兰连接形成密封腔体，中心载流导体设置于所述密封腔室内，中心载流导体的一端与第一端盖连接，中心载流导体的另一端与第二端盖连接；
14.高压电极的一端穿过第一端盖并与中心载流导体的一端连接，高压电极的另一端延伸至接地外壳本体外部；
15.第一端盖和第二端盖上在中心载流导体的两端均设有端部屏蔽罩，第一接地法兰和第二接地法兰上连接有套管内屏蔽电极，套管内屏蔽电极套设在中心载流导体的外周。
16.优选的，第一接地法兰和第二接地法兰之间通过螺纹连接，且在连接部位设有密封圈。
17.优选的，固定缩比套管支撑件采用环形结构，第一接地法兰和第二接地法兰外周均套设有所述固定缩比套管支撑件，固定缩比套管支撑件的内圈与第一接地法兰外表面以及与第二接地法兰外表面之间间隙配合或过盈配合；固定缩比套管支撑件的外圈与接地外壳本体内壁接触或固定连接。
18.优选的，第一外绝缘筒与第一端盖之间可拆卸密封连接，第二外绝缘筒与第二端盖之间可拆卸密封连接。
19.优选的，中心载流导体的外部包覆有环氧芯子。
20.优选的，超/特高压穿墙套管缩比模型的内腔填充有模拟气体，所述模拟气体采用sf6气体或n2与sf6的混合气体。
21.优选的，接地外壳本体上设置绝缘结构的一端设置为可拆卸的端面；
22.接地外壳本体的底部两端分别设有接地外壳固定件，接地外壳本体的形状为圆柱形，接地外壳固定件上开设有弧形凹槽，弧形凹槽的直径与接地外壳本体的直径相同。
23.本发明所述的超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统的工作方法，包括如下过程：
24.在超/特高压穿墙套管缩比模型的内腔预先充入模拟气体，之后将超/特高压穿墙套管缩比模型安装于固定缩比套管支撑件上；
25.对超/特高压穿墙套管缩比模型的高压电极施加选定的电压，并根据实验要求连续施加预设时长的电压；
26.待电压加压完毕，撤去电压，并将高压电极接地，此时，通过探头驱动机构驱动测量电荷探头按照预设要求沿测量电荷探头安装孔移动，测量电荷探头在移动过程中采集路径上超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷。
27.本发明具有如下有益效果：
28.本发明超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统中利用超/特高压穿墙套管缩比模型能正确模拟实际超/特高压穿墙套管运行工况，利用不同结构的超/特高压穿墙套管缩比模型可以研究多种绝缘结构下超/特高压穿墙套管的绝缘表面电荷分布。利用探头驱动机构能够带动测量电荷探头实现预设的多种路径下的测量，从而从多方面分析绝缘结构表面电荷的分布机理。通过本发明得到的相关结论可为穿墙套管的结构优化设计、寿命评估和故障分析提供理论依据。
附图说明
29.图1(a)是本发明实施例中超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统的主视图；图1(b)是本发明实施例中超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统的轴测图；
30.图2是本发明实施例中超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统的纵剖图；
31.图3是本发明实施例中超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统中未安装超/特高压穿墙套管缩比模型时的结构示意图；
32.图4是本发明实施例中超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统中超/特高压穿墙套管缩比模型的结构示意图；
33.图5是本发明实施例中超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统中超/特高压穿墙套管缩比模型的中心载流导体结构示意图；
34.图6是本发明实施例中超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统的系统结构图。
35.图中，1-1高压电极，1-2绝缘结构，1-3固定缩比套管支撑件，1-4接地外壳固定件，3-1接地外壳本体，3-2测量电荷探头安装孔，3-3金属屏蔽板，3-4电动滑台，3-5可编程步进电机，4-1端盖，4-2端部屏蔽罩，4-3外绝缘筒，4-4中心载流导体，4-5套管内屏蔽电极，4-6接地法兰左，4-7接地法兰右，5-1环氧芯子。
具体实施方式
36.下面结合实施例来对本发明做进一步的说明。
37.参照图1(a)-图3，本发明超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统，包括接地外壳本体3-1、测量电荷探头、金属屏蔽板3-3、探头驱动机构和超/特高压穿墙套管缩比模型；超/特高压穿墙套管缩比模型同轴安装于接地外壳本体3-1的内腔，超/特高压穿墙套管缩比模型通过固定缩比套管支撑件1-3固定于接地外壳本体3-1的内腔；固定缩比套管支撑件1-3采用导体，固定缩比套管支撑件1-3的一端与超/特高压穿墙套管缩比模型上的接地法兰接触，固定缩比套管支撑件1-3的一端与接地外壳本体3-1连接；接地外壳本体3-1的一端设有绝缘结构1-2，超/特高压穿墙套管缩比模型的高压电极1-1与接地外壳本体3-1之间通过绝缘结构1-2进行电压隔离；接地外壳本体3-1的壁面上开设有测量电荷探头安装孔3-2，测量电荷探头安装孔3-2为一长孔，长孔的长度方向沿接地外壳本体3-1的轴向设置，金属屏蔽板3-3罩设于所述测量电荷探头安装孔3-2的外端，测量电荷探头设置于所述金属屏蔽板3-3上并经所述测量电荷探头安装孔3-2伸入接地外壳本体3-1的内腔，金属屏
蔽板3-3能够将测量电荷探头安装孔3-2处进行屏蔽，防止外界场对接地外壳本体3-1内腔的电场以及超/特高压穿墙套管缩比模型表面电荷分布造成影响；探头驱动机构与所述金属屏蔽板3-3连接并能驱动金属屏蔽板3-3沿接地外壳本体3-1的轴向移动。
38.作为本发明优选的实施方案，参照图1(a)、图1(b)以及图3，所述探头驱动机构包括可编程步进电机3-5和电动滑台3-4，可编程步进电机3-5和电动滑台3-4连接，金属屏蔽板3-3设置于电动滑台3-4上。可编程步进电机3-5可按照预设程序驱动电动滑台3-4运动，电动滑台3-4进而驱动金属屏蔽板3-3运动，金属屏蔽板3-3同步带动测量电荷探头运动。
39.作为本发明优选的实施方案，参照图1(a)、图1(b)、图2和图4，超/特高压穿墙套管缩比模型包括第一外绝缘筒、第二外绝缘筒、中心载流导体4-4和高压电极1-1，第一外绝缘筒的一端密封连接有第一端盖，第一外绝缘筒的另一端设置有第一接地法兰；第二外绝缘筒的一端密封连接有第二端盖，第一外绝缘筒的另一端设置有第二接地法兰；第一接地法兰和第二接地法兰密封连接，第一外绝缘筒和第二外绝缘筒同轴，第一外绝缘筒、第二外绝缘筒、第一端盖、第二端盖、第一接地法兰和第二接地法兰连接形成密封腔体，中心载流导体4-4设置于所述密封腔室内，中心载流导体4-4的一端与第一端盖连接，中心载流导体4-4的另一端与第二端盖连接；高压电极1-1的一端穿过第一端盖并与中心载流导体4-4的一端连接，高压电极1-1的另一端延伸至接地外壳本体3-1外部；第一端盖和第二端盖上在中心载流导体4-4的两端均设有端部屏蔽罩4-2，第一接地法兰和第二接地法兰上连接有套管内屏蔽电极4-5，套管内屏蔽电极4-5套设在中心载流导体4-4的外周。本发明超/特高压穿墙套管缩比模型是实际超/特高压穿墙套管简化后的模型，作为便宜、小型的简化模型，能以较低的时间成本、经济成本探索、研究电荷积聚行为等物理规律，填补昂贵、大型的原型机在设计和校核环节的参考信息的不足。
40.作为本发明优选的实施方案，参照图2和图4,，第一接地法兰和第二接地法兰之间通过螺纹连接，且在连接部位设有密封圈。该连接形式简单、便捷可靠，有助于提高实验效率。
41.作为本发明优选的实施方案，参照图1(a)-图3，固定缩比套管支撑件1-3采用环形结构，第一接地法兰和第二接地法兰外周均套设有所述固定缩比套管支撑件1-3，固定缩比套管支撑件1-3的内圈与第一接地法兰外表面以及与第二接地法兰外表面之间间隙配合或过盈配合；固定缩比套管支撑件1-3的外圈与接地外壳本体3-1的内壁接触或固定连接。该结构固定缩比套管支撑件1-3首先能够稳定地对整个超/特高压穿墙套管缩比模型进行稳定的支撑，同时还能够满足超/特高压穿墙套管缩比模型的接地要求、并且对外绝缘筒的电荷分布影响较小。
42.作为本发明优选的实施方案，第一外绝缘筒与第一端盖之间可拆卸密封连接，第二外绝缘筒与第二端盖之间可拆卸密封连接。该结构便于超/特高压穿墙套管缩比模型组装与维修。
43.作为本发明优选的实施方案，参照图5，中心载流导体4-4的外部包覆有环氧芯子5-1。
44.作为本发明优选的实施方案，超/特高压穿墙套管缩比模型的内腔填充有模拟气体，所述模拟气体采用sf6气体或n2与sf6的混合气体。
45.作为本发明优选的实施方案，接地外壳本体3-1上设置绝缘结构1-2的一端设置为
可拆卸的端面；该结构便于超/特高压穿墙套管缩比模型的拆装；
46.参照图1(a)-图3，接地外壳本体3-1的底部两端分别设有接地外壳固定件1-4，接地外壳本体3-1的形状为圆柱形，接地外壳固定件1-4上开设有弧形凹槽，弧形凹槽的直径与接地外壳本体3-1的直径相同。通过接地外壳固定件1-4能够对整个系统形成稳定的支撑。
47.本发明所述的超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统的工作方法，包括如下过程：
48.在超/特高压穿墙套管缩比模型的内腔预先充入模拟气体，之后将超/特高压穿墙套管缩比模型安装于固定缩比套管支撑件1-3上；
49.对超/特高压穿墙套管缩比模型的高压电极1-1施加选定的电压，并根据实验要求连续施加预设时长的电压；
50.待电压加压完毕，撤去电压，并将高压电极1-1接地，此时，通过探头驱动机构驱动测量电荷探头按照预设要求沿测量电荷探头安装孔3-2移动，测量电荷探头在移动过程中采集路径上超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷。
51.实施例
52.参照图1(a)-图4，本实施例的超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统，包括接地外壳本体3-1、高压电极1-1、测量电荷探头、固定缩比套管支撑件1-3和超/特高压穿墙套管缩比模型。
53.接地外壳本体3-1的外部连接可编程步进电机3-5和电动滑台3-4，接地外壳本体3-1上开设测量电荷探头安装孔3-2，测量电荷探头安装孔3-2为一长孔，其长度方向沿着接地外壳本体3-1的轴线方向，接地外壳本体3-1的底部安装所述接地外壳固定件1-4，可编程步进电机3-5，电动滑台3-4上安装有金属屏蔽板3-3，金属屏蔽板3-3罩在测量电荷探头安装孔3-2的外端部，测量电荷探头安装在金属屏蔽板3-3上，并从测量电荷探头安装孔3-2处伸入接地外壳本体3-1的内腔；在未测量前，该金属屏蔽板3-3将处于图1(a)的最左侧，能够屏蔽电场，测量时，可编程步进电机3-5带动电动滑台3-4移动，金属屏蔽板3-3和测量电荷探头随之扫描超/特高压穿墙缩比套管的外绝缘筒4-3表面。高压电极1-1固定在接地外壳本体一侧，与接地外壳本体3-1之间通过绝缘结构1-2进行电压隔离。接地外壳固定件1-4用于支撑固定接地外壳本体3-1，上部设有与接地外壳本体3-1外壁弧度适配的弧形凹槽，接地外壳本体3-1嵌入在所述弧形凹槽内。
54.参照图1(a)、图1(b)、图2和图4，本实施例超/特高压穿墙套管缩比模型，按照实际超/特高压穿墙套管的结构进行设计制造，包括端盖4-1、端部屏蔽罩4-2、套管内屏蔽电极4-5、中心载流导体4-4、接地法兰左4-6、接地法兰右4-7和外绝缘筒4-3。端部屏蔽罩4-2位于缩比套管端盖4-1处，两者连接固定，套管内屏蔽电极4-5位于左右接地法兰连接处，套管内屏蔽电极4-5与左右接地法兰固定连接。外绝缘筒4-3两端分布连接端盖4-1和接地法兰，并固定。接地法兰左4-6和接地法兰右4-7通过螺纹固定连接。中心载流导体4-4位于整个套管缩比模型轴线上，中心载流导体4-4两端与两端的端盖4-1相连接固定。整个超/特高压穿墙套管缩比模型通过端部密封圈进行密封。
55.参照图1(a)、图1(b)，接地外壳本体3-1、高压电极1-1、超/特高压穿墙套管缩比模型、固定缩比套管支撑件1-3同轴心布置，固定缩比套管支撑件1-3、接地法兰、接地外壳本
体内壁三者相接触固定，固定支撑缩比套管(即超/特高压穿墙套管缩比模型)。高压电极1-1一端与超/特高压穿墙套管缩比模型的端盖4-1相连接，电荷探头扫描路径沿缩比套管轴线。参照图4，缩比套管内可填充不同气体以模拟不同气体绝缘结构，包括但不仅限于纯sf6气体，n
2-sf6混合气体。缩比套管内填充纯sf6气体。超/特高压穿墙套管缩比模型包括两种结构：环氧芯体-sf6复合绝缘结构和纯sf6气体绝缘结构。按照不同绝缘结构，套管结构可分为包括环氧芯子5-1与不包括环氧芯子，环氧芯子安装固定于中心载流导体4-4上。
56.本发明如上所述的超/特高压穿墙套管缩比模型的表面电荷测量系统的工作方法，按照具体实施例，包括如下过程：
57.将缩比套管内腔预先充入需要的气体sf6，然后固定安装于缩比套管支撑件上。
58.按照图1(a)和图1(b)的布置，将接地外壳本体、高压电极1-1、缩比套管同轴心布置，安装固定好高压电极1-1，将高压电极1-1一端和缩比套管的一端端盖4-1相接触，另一端接高压电源，为缩比套管提供高压。
59.将接地外壳接地，将测量电荷探头安装到位。此时金属屏蔽板3-3应该位于图1(a)的最左侧，用于屏蔽电场。编辑好可编程步进电机3-5运动程序。
60.利用高压电源给高压电极1-1施加选定的电压，根据实验要求连续施加一定时长的直流电压。
61.高压加压完毕，撤去电压，并将高压电极1-1接地，此时，可编程步进电机3-5带动电动滑台3-4工作，按照既定程序，带动金属屏蔽板3-3和测量电荷探头移动，测量电荷探头可以采集路径上缩比套管的外绝缘筒4-3表面电荷。参照图6，可将采集的数据通过a/d模数转换装置，传递给电脑，电脑上可以存储处理数据，用于分析，得出的相关数据可为穿墙套管的结构优化设计、寿命评估和故障分析提供理论依据。