一种电热复合场下绝缘子电荷与闪络试验装置

1.本实用新型涉及高电压设备实验技术领域，特别涉及一种电热复合场下绝缘子电荷与闪络试验装置。


背景技术：

2.直流gis(气体绝缘封闭开关设备)与交流gis相比盆式绝缘子表面电荷聚集一直是影响直流gis大量实用化的关键技术难题之一。在直流的作用下，gis内部盆式绝缘子表面电荷积聚严重，而积聚的电荷可能畸变绝缘子沿面原有的电场分布，导致绝缘子的绝缘性能严重下降，引起绝缘故障。因此，我们必须采取实验的方式对电荷的积聚情况进行研究。
3.在不同的负载下，正常运行的gis中心导杆载流发热导致气体及绝缘子温度非均匀分布，导杆与外壳间形成30℃左右温度差，并随电流升高而增大。相比于介电常数，绝缘子电导随着母线的温度变化，因此直流电场分布受温度场影响明显同时，温度梯度场下电荷分布特性与均一温度场存在差异，随中心载流导体温度升高，局部电荷密度上升，导致电场严重畸变随着传输容量的提升和直流电压等级的提高，设备将面临高负载电流导致的高温度差以及高场下严重电荷积聚对直流电场分布的共同影响。当直流gis高压导杆与外壳间存在温度梯度时，绝缘子沿面最大电场强度所在位置将向温度较低的一侧移动，且温度越高绝缘子沿面闪络电压越低。直流gil绝缘子温度梯度导致体电导率不均匀变化将引起空间电荷积聚进而造成电场畸变，对表面电荷积聚有显著影响。
4.目前，gis绝缘子加热复合场电荷与闪络平台存在不足之处，有的加热复合场电荷与闪络平台通过在腔体内部对高压导杆进行加热，虽然这样能够实现了绝缘子的温度可调以及模拟实际工况，但是在内部设置加热装置会造成装置的气密性不能得到保证，对实验结果产生一定的影响。有的温度梯度场下电荷实验研究通过加热片的方式加热，这种方式有着受热不均，加热缓慢的缺点，严重时还会损坏样品，这样的方式还会会影响绝缘子表面的电荷分布。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的技术问题，本实用新型提供了一种电热复合场下绝缘子电荷与闪络试验装置，其能够模拟高压导杆在不同温度下的电荷与闪络测试，能够实现加温与加压同时进行，并在外部对封闭气室内部进行加热，提高试验结果的准确性。
6.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
7.一种电热复合场下绝缘子电荷与闪络试验装置，包括：
8.封闭气室，其设置有视窗；
9.上高压导杆，其与所述封闭气室的顶部内侧连接；
10.下高压导杆，其顶部与测试绝缘子连接，其底端与旋转升降机构连接；
11.接地外壳，其设置于所述下高压导杆的外侧，所述接地外壳的底部与升降机构连
接；
12.电荷测量探头，其设置于所述测试绝缘子的侧面上方，所述电荷测量探头分别与电位计和伸缩旋转机构相连；
13.中空电极，其与所述封闭气室的顶部外侧连接，并且所述中空电极与储油箱连通；以及
14.高压电源，其正极与所述中空电极相连，其接地电极接地。
15.进一步的，所述储油箱内设置有加热装置、温度传感器和油泵，所述加热装置和温度传感器均与控温装置连接，所述温度传感器检测储油箱内油的温度发送到控温装置，控温装置根据设定的阈值，控制加热装置进行加热。
16.进一步的，所述中空电极设置有进油口和出油口，所述进油口与所述储油箱的流出管相连，所述出油口与所述储油箱的流入管相连。
17.进一步的，所述中空电极的顶端，以及所述上高压导杆和下高压导杆相对的一端均设置有均压罩。
18.进一步的，所述伸缩旋转机构与电荷测量探头的外壁连接，所述伸缩旋转机构包括带动电荷测量探头左右移动的滚珠丝杠结构以及带动电荷测量探头旋转的锥齿轮组机构。
19.进一步的，所述旋转升降机构、升降机构和伸缩旋转机构均设置于封闭气室的外部，所述旋转升降机构、升降机构和伸缩旋转机构与封闭气室的连接处均进行密封设置。
20.进一步的，所述封闭气室包括上下开口的圆柱筒、密封设置于圆柱筒下方的下端端盖以及密封设置于圆柱筒上方的盆式绝缘子。
21.进一步的，所述下高压导杆的底部通过绝缘材料与旋转升降机构连接，所述接地外壳和下高压导杆均接地。
22.本实用新型的有益效果：
23.1)本实用新型的气体封闭气室小，可减少气体的使用、节约成本，封闭气室内的气压可在一定范围调整，并且封闭气室内的气体成分也可调整，比如，在六氟化硫(sf6)，氮气(n2)、以及环保气体环境下做闪络实验；
24.2)本实用新型的实验装置可应用于交流电压、直流电压、冲击电压等多种电压条件，模拟实际工况下电极由于通电产生的温度梯度的情况；
25.3)本实用新型采用外置加热装置能够模拟出实际工况下的发热情况，通过油浴加热，加热液体为绝缘油，在加热过程中保持绝缘，保护加热装置不受到损坏，并且，通过油的循环对装置的中空电极进行加热，油浴加热的方式精确地控制高压导杆上的温度，通过导杆传热模拟出测试绝缘子所处的不同温度梯度工况，采用外置加热的方法能够保证实验装置的气密性；外置加热装置的流体进出管选择软管，不需要考虑高气压下进油困难的问题，同时软管和油都是采用绝缘材料，避免高压带电的情况，为测试绝缘子表面电荷积聚现象与沿面闪络现象的深入研究提供可靠的实验平台；
26.4)本实用新型的加热装置、旋转升降机构、升降机构和伸缩旋转机构均设置于封闭气室的外部，相比于内置加热不会影响装置的气密性，降低了操作机构和加热系统对实验结果的影响。
27.本实用新型的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
28.图1是本实用新型实施例提供的一种电热复合场下绝缘子电荷与闪络试验装置的结构示意图；
29.图2是本实用新型实施例提供的加压时封闭气室的示意图；
30.图3是本实用新型实施例提供的闪络后封闭气室内各部件的位置移动图；
31.图4是本实用新型实施例提供的伸缩旋转机构的结构示意图。
32.说明书附图中的附图标记包括：
33.1-封闭气室，2-视窗，3-上高压导杆，4-下高压导杆，5-测试绝缘子，6-旋转升降机构， 7-接地外壳，8-升降机构，9-电荷测量探头，10-电位计，11-伸缩旋转机构，12-中空电极，13
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储油箱，14-高压电源，15-加热装置，16-温度传感器，17-油泵，18-控温装置，19-进油口， 20-出油口，21-均压罩，22-保护电阻，23-盆式绝缘子，24-步进电机一，25-联轴器，26-滚珠丝杠，27-联动板，28-直线光轴一，29-直线光轴二，30-侧端盖动密封壳，31-锥齿轮组附加板，32-步进电机二，33-方法兰直线轴承，34-探头支杆，35-锥齿轮组，36-电机定位板，37
‑ꢀ
光轴固定座，38-丝杠支撑座，39-绝缘材料。
具体实施方式
34.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“一”、“二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
37.为了解决现有技术存在的问题，如图1至图4所示，本实用新型提供了一种电热复合场下绝缘子电荷与闪络试验装置，包括：
38.封闭气室1，其设置有视窗2；
39.上高压导杆3，其与封闭气室1的顶部内侧连接；
40.下高压导杆4，其顶部与测试绝缘子5连接，其底端与旋转升降机构6连接；
41.接地外壳7，其设置于下高压导杆4的外侧，接地外壳7的底部与升降机构8连接；
42.电荷测量探头9，其设置于测试绝缘子5的侧面上方，电荷测量探头9分别与电位计10 和伸缩旋转机构11相连；
43.中空电极12，其与封闭气室1的顶部外侧连接，并且中空电极12与储油箱13连通；以及
44.高压电源14，其正极与中空电极12相连，其接地电极接地。
45.如图1所示，储油箱13内设置有加热装置15、温度传感器16和油泵17，加热装置15 和温度传感器16均与控温装置18连接，温度传感器16检测储油箱13内油的温度发送到控温装置18，控温装置18根据设定的阈值，控制加热装置15进行加热，通过对温度进行远程控制，保证了实验过程中人员的人身安全。在实际使用时，当温度传感器16检测储油箱13 内油的温度低于设定的阈值时，控温装置18控制加热装置15加热，直到加热到温度与设定的阈值相等，通过油泵17向中空电极12输入高温油；当温度传感器16检测储油箱13内油的温度超过设定的阈值时，控温装置18可以发出报警。本实施例中，加热装置15采用电阻丝，是保证本实验平台工作的重要部分；温度传感器16采用热电偶，其由金属氧化物陶瓷组成，为低成本、灵敏度最高的温度传感器16，测温范围为-50到200度，具有体积小、响应时间快等优点，当然，也可以根据实际情况选用其他温度传感器16，比如：热敏电阻、电阻温度检测器(rtd)和ic温度传感器16，ic温度传感器16包括模拟输出和数字输出两种类型。
46.如图1至图3所示，中空电极12设置有进油口19和出油口20，进油口19与储油箱13 的流出管相连，出油口20与储油箱13的流入管相连。本实施例中，在中空电极12上焊接一个进油口19和一个出油口20，进油口19位于下方，出油口20位于上方，高温的绝缘油从下方流入、从上方流出，接口处用密封胶密封保证不漏液，避免出现烫伤；储油箱13内的高温油经流出管和进油口19进入中空电极12，然后经出油口20和流入管回到储油箱13内，储油箱13采用聚碳酸酯pc塑料，使储油箱13搬运方便、易加工、耐高温，工作温度在20～ 100℃，流出管和流入管的材料均为硅橡胶等制成的绝缘软管，能够承受-60℃～ 200℃的温度。
47.如图1至图3所示，中空电极12的顶端，以及上高压导杆3和下高压导杆4相对的一端均设置有均压罩21，以均化电场，均压罩21材质为铝，能够使电压在测试绝缘子5上均匀分布，达到模拟实际工况的目的。
48.如图1至图3所示，高压电源14与中空电极12的连接线上设置有保护电阻22。本实施例中，中空电极12为空心金属管，其两端带外螺纹，中空电极12的上端与均压罩21连接，中空电极12的下端与盆式绝缘子23连接。
49.如图1和图4所示，伸缩旋转机构11与电荷测量探头9的外壁连接，伸缩旋转机构11 包括带动电荷测量探头9左右移动的滚珠丝杠26结构以及带动电荷测量探头9旋转的锥齿轮组机构。本实施例中，滚珠丝杠26结构包括步进电机一24、与步进电机一24通过联轴器25 连接的滚珠丝杠26、套装于滚珠丝杠26外部的联动板27、以及与联动板27滑动连接的直线光轴一28，联动板27远离步进电机一24的一侧固定连接有直线光轴二29，直线光轴二29 穿过侧端盖动密封壳30与锥齿轮组附加板31连接，步进电机一24带动滚珠丝杠26转动，滚珠丝杠26带动联动板27沿着直线光轴一28移动，联动板27通过直线光轴二29带动与锥齿轮组附加板31连接的电荷测量探头9左右移动；锥齿轮组机构包括步进电机二32，步进电机二32固定于联动板27上，步进电机二32的输出端通过联动板27上的方法兰直线轴承 33与探头支杆34连接，探头支杆34穿过侧端盖动密封壳30通过联轴器25与设置于锥齿轮组附加板31上的锥齿轮组35连接，锥齿轮组35与电荷测量探头9连接，步进电机二32旋转通过探头支杆34带动锥齿轮组35旋转，锥齿轮组35带动电荷测量探头9转动；步进电机一24通过电机定位板36固定在底板上，直线光轴一28通过光轴固定座37固定在底板上，滚珠丝杠26通过丝杠支撑座38转动设置于底板上，电荷测量探头9采用kelvin探头；伸缩旋转机构11通过法兰与封闭气室1的侧壁连接，侧端盖动密封壳30保证直线光轴二29和探头支杆34运动时的密封。
50.本实用新型中，旋转升降机构6、升降机构8和伸缩旋转机构11均设置于封闭气室1的外部，旋转升降机构6、升降机构8和伸缩旋转机构11与封闭气室1的连接处均进行密封设置，比如，采用动密封，本实施例中，旋转升降机构6的顶端伸入封闭气室1，并通过绝缘材料39与下高压导杆4、均压罩21连接，旋转升降机构6采用现有技术，用于带动下高压导杆4的升降和旋转，进而带动测试绝缘子5的升降和旋转，其中，带动测试绝缘子5的上升时，测试绝缘子5与上高压导杆3下端的均压罩21接触，实现闪络；带动测试绝缘子5的旋转时，有助于电荷测量探头9测量测试绝缘子5表面的电位；旋转升降机构6在实际选用时，根据需要选择能够带动高压导杆4升降和旋转的结构即可。升降机构8采用现有技术，其带动接地外壳7上升，当测试绝缘子5与上高压导杆3下端的均压罩21接触后，接地外壳 7上升与测试绝缘子5的外周接触，以完成闪络实验；升降机构8在实际选用时，根据需要选择能够带动接地外壳7升降的结构即可。
51.本实用新型中，封闭气室1包括上下开口的圆柱筒、密封设置于圆柱筒下方的下端端盖以及密封设置于圆柱筒上方的盆式绝缘子23。本实施例中，圆柱筒上均匀设置有4个视窗2，下端端盖一直与圆柱筒保持密封连接状态，盆式绝缘子23与圆柱筒密封连接，盆式绝缘子 23的顶部与中空电极12的下端螺纹连接，盆式绝缘子23的底部与上高压导杆3的顶部螺纹连接，封闭气室1上的所有接口均保证气密性，使封闭气室1能够承受-0.1～ 0.5mpa的气压；封闭气室1设置有进气口，用于对封闭气室1抽真空以及向封闭气室1内输入高压气体。
52.本实用新型中，下高压导杆4的底部通过绝缘材料39与旋转升降机构6连接，接地外壳 7和下高压导杆4均接地，本实施例中，接地外壳7为圆筒结构，材质为亚克力，质量比较轻便于升降机构8进行升降控制，模拟绝缘子低压端的接地外壳7。上高压导杆3和下高压导杆4均金属管，并且两端带外螺纹，上高压导杆3的上端与盆式绝缘子23连接，上高压导杆3的下端与均压罩21连接；下高压导杆4的上端与均压罩21连接，该均压罩21与测试绝缘子5连接，下高压导杆4的下端绝缘材料39连接，绝缘材料39采用聚四氟乙烯，将高压电极和旋转升降机构6隔离绝缘。
53.本实用新型在实际使用时，可采用pc机与控温装置18、油泵17、以及旋转升降机构6、升降机构8和伸缩旋转机构11的各个电机连接，实现自动化控制，比如，通过pc机对控温装置18实现通讯，可以实现距离较远时实现对整个控温装置18的监控和控制。
54.如图1至图4所示，本实用新型提供了一种电热复合场下绝缘子电荷试验方法，采用上述一种电热复合场下绝缘子电荷与闪络试验装置，包括如下步骤：
55.s1、将测试绝缘子5固定在下高压导杆4顶部的均压罩21上，再将封闭气室1的盆式绝缘子23与圆柱筒顶部密封连接；将封闭气室1抽真空，并向封闭气室1充入设定压强的绝缘气体；具体的，将测试绝缘子5固定在封闭气室1内可旋转升降的下高压导杆4顶部的均压罩21上，将盆式绝缘子23与圆柱筒顶部密封连接，再将中空导杆与盆式绝缘子23的顶部连接，封闭气室1内的气密性，将封闭气室1抽真空后，通过封闭气室1的进气口向封闭气室 1内充入0.1～0.4mpa压力的气体，关闭气阀。
56.s2、通过控温装置18使储油箱13内的油温达到设定温度；具体的，封闭腔体内充入绝缘气体至所需压强后，通过控温装置18以及储油箱13内的加热装置15和温度传感器16调节储油箱13内油的温度，使储油箱13中的温度为20～100℃，从而保证储油箱13中油的温度
维持实验需求的温度，以实现气固表面电位的测量。
57.s3、如图2所示，通过伸缩旋转机构11使电荷测量探头9旋转到与上高压导杆3平行的位置，并使电荷测量探头9向右移动；通过旋转升降机构6控制测试绝缘子5上升，使测试绝缘子5的顶部与上高压导杆3下端的均压罩21接触；通过升降机构8带动接地外壳7上升，使接地外壳7与测试绝缘子5的外周接触，以保证测试绝缘子5外部与接地的低压电极良好接触。
58.s4、开启储油箱13内的油泵17对中空电极12进行加热，以实现对测试绝缘子5进行加热；打开高压电源14，对测试绝缘子5的两端施加设定幅值和设定时间的电压；具体的，通过储油箱13内加热好的高温油不断的输入到中空电极12中，对高压导杆进行加热，待测试绝缘子5的温度稳定后，比如，向中空电极12内输入高温油5-10分钟后，打开高压电源14，采用逐步升压法，向测试两端施加电压。
59.s5、如图3所示，达到设定幅值和设定时间后，关闭高压电源14，同时关闭油泵17；通过升降机构8带动接地外壳7下移，旋转升降机构6带动测试绝缘子5下移；具体的，达到设定幅值和设定时间后，立即使测试绝缘子5两端的电压为零，并将中空电极12与盆式绝缘子23脱离，升降机构8带动接地外壳7下移，旋转升降机构6带动测试绝缘子5下移，使测试绝缘子5与高低压电极分离，减少测量时间内电荷消散，同时关闭油泵17使加热循环停止，减少由于高温导致的快速电荷消散；此时，加热装置15和控温装置18也为关闭状态。
60.s6、通过伸缩旋转机构11使电荷测量探头9向左移动，并使电荷测量探头9旋转到测量位置；通过旋转升降机构6带动测试绝缘子5旋转；电荷测量探头9对测试绝缘子5表面的电位进行测量，并发送给电位计10，实验结束；具体的，通过kelvin探头对绝缘子表面的电位进行测量，电位计10测量测试绝缘子5表面的电位，通过反转算法计算出测试绝缘子5表面的电荷分布；实验结束后，取出测试绝缘子5，用无水乙醇擦拭后放置1-2天，重复s1-s6 进行下一个实验。
61.如图1至图4所示，本实用新型提供了一种电热复合场下绝缘子闪络试验方法，采用上述一种电热复合场下绝缘子电荷与闪络试验装置，包括如下步骤：
62.(1)将测试绝缘子5固定在下高压导杆4顶部的均压罩21上，再将封闭气室1的盆式绝缘子23与圆柱筒顶部密封连接；将封闭气室1抽真空，并向封闭气室1充入设定压强的绝缘气体；具体的，将测试绝缘子5固定在封闭气室1内可旋转升降的下高压导杆4顶部的均压罩21上，将盆式绝缘子23与圆柱筒顶部密封连接，再将中空导杆与盆式绝缘子23的顶部连接，封闭气室1内的气密性，将封闭气室1抽真空后，通过封闭气室1的进气口向封闭气室1内充入0.1～0.4mpa压力的气体，关闭气阀。
63.(2)通过控温装置18使储油箱13内的油温达到设定温度；具体的，封闭腔体内充入绝缘气体至所需压强后，通过控温装置18以及储油箱13内的加热装置15和温度传感器16调节储油箱13内油的温度，使储油箱13中的温度为20～100℃，从而保证储油箱13中油的温度维持实验需求的温度，以实现气固表面电位的测量。
64.(3)如图2所示，通过伸缩旋转机构11使电荷测量探头9旋转到与上高压导杆3平行的位置，并使电荷测量探头9向右移动；通过旋转升降机构6控制测试绝缘子5上升，使测试绝缘子5的顶部与上高压导杆3下端的均压罩21接触；通过升降机构8带动接地外壳7上升，使接地外壳7与测试绝缘子5的外周接触，以保证测试绝缘子5外部与接地的低压电极良好
接触。
65.(4)开启储油箱13内的油泵17对中空电极12进行加热，以实现对测试绝缘子5进行加热；打开高压电源14，对测试绝缘子5的两端施加电压，使测试绝缘子5闪络；具体的，通过储油箱13内加热好的高温油不断的输入到中空电极12中，对高压导杆进行加热，待测试绝缘子5的温度稳定后，比如，向中空电极12内输入高温油5-10分钟后，打开高压电源 14，采用逐步升压法，向测试两端施加电压。
66.(5)如图3所示，测试绝缘子5闪络后，关闭高压电源14，同时关闭油泵17；通过升降机构8带动接地外壳7下移，旋转升降机构6带动测试绝缘子5下移；具体的，测试绝缘子5闪络后，立即使测试绝缘子5两端的电压为零，并将中空电极12与盆式绝缘子23脱离，升降机构8带动接地外壳7下移，旋转升降机构6带动测试绝缘子5下移，使测试绝缘子5 与高低压电极分离，减少测量时间内电荷消散，同时关闭油泵17使加热循环停止，减少由于高温导致的快速电荷消散；此时，加热装置15和控温装置18也为关闭状态。
67.(6)通过伸缩旋转机构11使电荷测量探头9向左移动，并使电荷测量探头9旋转到测量位置；通过旋转升降机构6带动测试绝缘子5旋转；电荷测量探头9对测试绝缘子5表面的电位进行测量，并发送给电位计10，实验结束；具体的，通过kelvin探头对绝缘子表面的电位进行测量，电位计10测量测试绝缘子5表面的电位，通过反转算法计算出测试绝缘子5 表面的电荷分布；实验结束后，取出测试绝缘子5，用无水乙醇擦拭后放置1-2天，重复s1
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s6进行下一个实验。
68.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。