一种伞裙结构的复合绝缘子表面电荷检测装置及方法

1.本发明涉及电荷测量技术领域，特别是涉及一种伞裙结构的复合绝缘子表面电荷检测装置及方法。


背景技术：

2.目前关于表面电荷的研究，大多和gis（gas insulated switchgear）有关，其研究成果多集中在真空与sf6（六氟化硫）及其混合气体环境中，对于户外绝缘子表面电荷积聚现象的研究较少。曾有多起复合绝缘子不明闪络事故后重新对其性能进行实验却发现各项性能仍然良好。这很有可能就是绝缘子在运行中受外加电压作用影响在表面积聚电荷，畸变了原有电场，引发局部放电直至闪络，而在闪络时正负电荷中和以至于闪络后绝缘子表面检测不到有电荷积聚。户外复合绝缘子易受大气环境影响而导致表面电荷积聚情况更加复杂，湿润条件下，含污秽的复合绝缘子表面电荷积聚及其对绝缘子表面放电起始机制还不清楚。因此对复合绝缘子进行大气环境下的表面电荷观测实验进而对其沿面电荷积聚特性进行研究是有必要的。
3.现有测量绝缘子表面电荷的探头装置通过侧面开口的方法测量伞裙表面的表面电荷，如公布号cn109490649a的发明专利公开了一种高压直流复合绝缘子表面电荷检测装置，探针位于屏蔽罩内，屏蔽罩前端开孔设计，探测装置构成“t”型结构，但是经过实验证明，探测装置屏蔽帽占有一定空间，在测量过程中较容易碰到伞裙表面，对测量起到阻碍作用；由于探针的位置固定，对于外表面结构复杂的绝缘子，“t”型结构探针无法保证垂直伞裙表面测量，此外“t”型结构探针的前端因其分支机构和屏蔽罩上的残余电荷会对实验的准确性造成影响，对绝缘子表面电荷分布的测量结果造成不利影响。
4.现有的求解表面电荷的方法有一种结合边界积分方程方法和随机法的平面边界面电荷密度提取方法，但是计算过程需要求解积分过于繁琐复杂。若采用高精度电压信息采集模块得到的复合绝缘子表面的电位信息，通过试验的方法得到刻度系数，经过简单公式推导计算，得到复合绝缘子表面的电荷密度，经过极坐标变换，得到硅橡胶护套伞裙间垂直区域表面的电荷分布效果图和伞裙上下表面电荷分布效果图。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种伞裙结构的复合绝缘子表面电荷检测装置及方法，探针前端与探头后端采用铰接的方式能根据绝缘子外表面的结构调节探头的角度，机械臂用来调节检测组件的高度适用不同高度的伞裙结构，该装置能够同时完成复合绝缘子伞裙上下表面及伞裙间垂直区域表面的电荷测量。
6.为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：一种伞裙结构的复合绝缘子表面电荷检测装置，包括检测组件、运算放大器、信号接收处理器和机械臂，机械臂安装在设有滑轮的支座上，机械臂末端夹爪连接有屏蔽箱，屏蔽箱前端面连接有两个屏蔽舱；该两个屏蔽舱成上、下且平行、相间排列；各屏蔽舱前端均
接有绝缘套管，所述绝缘套管前端设有绝缘罩；一个屏蔽舱对应安装一个检测组件，所述检测组件包括探针和探头，置于屏蔽舱和绝缘套管中的探针后端与该屏蔽箱内的一个对应的运算放大器电连接，该运算放大器与信号接收处理器电连接；位于绝缘罩部位的所述探针前端与探头后端铰接。两个检测组件中，一个检测组件的探头的前端与另一个检测组件的探头的前端成上、下相对且间隔设置。
7.基于上述结构，探头能在伞裙间隙表面灵活转动，机械臂底部支座的滑轮能移动或旋转机械臂，连杆结构大大增加了探针测量高度范围，装置能实现对伞裙结构的复合绝缘子上下表面两侧及伞裙间垂直区域的电荷测量，经过运算放大器和信号接收处理器处理，可以生动直观地得到复合绝缘子表面电荷模型效果图。
8.所述绝缘套管与屏蔽舱连接的后端装有绝缘固定环，屏蔽舱内腔后端固定设有绝缘支撑环，探针由所述绝缘固定环和绝缘支撑环固定。
9.所述两个屏蔽舱之间设有可调整该两个屏蔽舱之间的上下距离的升降调节机构。
10.所述调节机构设置有前、后两段带相反旋向外螺纹的丝杆，调节机构由四根支撑支柱铰接成一个菱形组件，两个菱形组件相对间隔分布且上下两个节点与该两个屏蔽舱固定连接，两个菱形组件相对应的前后两个节点各铰接有一根支架，两根支架中部均开设有带内螺纹的孔，所述丝杆贯穿两根支架的孔，丝杆前端设有旋钮盖。屏蔽箱侧面开有“十字形”孔洞，可以调节屏蔽舱的竖直或水平摆放姿势，旋钮盖可以用来调节两个探头之间的垂直距离，适应测量不同型号的复合绝缘子。
11.所述运算放大器为高精度运算放大器ada4530，所述信号接收处理器为高精度采集器daqm-4200。运算放大器可以将表面电荷电压信号放大，用于信号的传输和接收信号接收处理器对探头检测到的值进行实时存储，将测量的电压信号传输给计算机；信号接收处理器位于屏蔽箱外，其设计有利于实验人员观察复合绝缘子加压过程中表面电压的变化情况。
12.所述装置进行检测工作时，运算放大器的接地端与屏蔽箱相连并接地；在不进行检测时，运算放大器的输入端接地。由于装置检测工作在高压设备的附近，为抑制外界高压对测量的干扰，运算放大器的接地端与屏蔽箱相连并接地。为防止放电产生的高频电磁波损坏昂贵的运算放大器，在不进行测量时，运算放大器的输入端接地。优选地，探针的材料为导电性较好的紫铜或黄铜。优选地，所述探针前端嵌套在绝缘套管内，绝缘套管上设有套管伸缩限位卡槽。
13.进一步地，套管伸缩限位卡槽可以调节探针的伸缩，满足测量不同半径大小的伞裙。
14.进一步地，复合绝缘子上下两端分别设置有绝缘子金具和夹板，绝缘子金具用来导通电路结构，两个夹板用来固定复合绝缘子。
15.进一步地，复合绝缘子内部设置有芯棒，芯棒用来刚性支撑复合绝缘子。
16.一种伞裙结构的复合绝缘子表面电荷检测方法，具体的检测步骤如下：s1：拧开上下两个夹板的螺杆，用无水乙醇清洗夹板，待自然风干后，拧紧螺杆固定复合绝缘子的上下两端，并使复合绝缘子保持与水平地面垂直，复合绝缘子的上端为高压电极端，下端为地电极端；s2：用无水乙醇清洗检测组件、屏蔽箱和屏蔽舱的内部和外部，待自然风干后，如
图4安装完装置各个部分，信号接收处理器采集信号，经由cbt-1009转换器接到计算机端，连接并打开信号接收处理器，然后静置5分钟，观察计算机端电压示数有无变化，若无变化，则证明装置接触良好，进行下一步骤的操作；s3：取第一导线，将第一导线的一端与复合绝缘子的高压接入端相连，第一导线的另一端穿过高压进线孔后与外部的串级高压发生器相连；取第二导线，将第二导线的一侧与复合绝缘子的接地端相连，第二导线的另一端穿过地线进线孔后连接到地；s4：开启串级高压发生器，对高压接入端施加正直流电压，加压过程中，采用均匀升压的方法缓慢升高电压至指定模拟实际工况的电压水平，施加高压运行30分钟，记录加压时间及电压幅值；加压过程中若发生放电现象，则停止实验，对复合绝缘子进行擦洗并重新开始；s5：将串级高压发生器降压归零并关闭高压电源，采用探头对复合绝缘子表面进行扫描检测，调整好复合绝缘子的位置和待测量的伞裙，如果要测量伞裙上下表面电荷时，将探头对准伞裙上下表面；如果要测量复合绝缘子伞裙间垂直区域表面电荷时，将探头对准伞裙间垂直区域；s6：在测量硅橡胶护套垂直区域表面时，利用塞尺使探头与硅橡胶护套表面垂直且保持1 mm的距离，探头通过静电感应原理感应伞裙间垂直区域表面电位；而测量伞裙上下表面时，使探头旋转对准伞裙表面，利用塞尺留有1mm间隙，感应伞裙上下表面电位，检测过程中，对探头检测到的值进行实时存储，观察信号接收处理器所显示的电压变化，以此来反应复合绝缘子表面电荷的变化；s7：实验结束后，关闭串级高压发生器，先用接地棒移除高压装置残余电荷，将连接到复合绝缘子的高压导线和接地导线拔掉，用无水乙醇清洗两个检测组件，静置10分钟，待检测组件表面的电荷去除；s8：该组实验结束，可以按照实验需要改变施加电压的极性和频率，改变复合绝缘子的位置，伞裙的位置、实验温度、空气湿度、压强大小及复合绝缘子表面污秽条件，进行下一组实验。
17.根据上述的检测方法，检测的复合绝缘子表面对应位置的电荷密度绘制复合绝缘子表面电荷分布图。
18.当绘制伞裙间垂直区域表面的电荷分布图时，使探头对准伞裙间垂直区域表面，移动机械臂并绕复合绝缘子运动，使探头遍历完伞裙间垂直表面区域；然后根据三维极坐标系，将伞裙测量点的位置信息和电位信息相结合，建立伞裙间垂直区域表面电荷分布，得到各个测量点处的电荷密度；当绘制伞裙上下表面的电荷分布图时，使两个探头分别垂直于伞裙上下表面，水平移动机械臂，使两个探头分别遍历完伞裙的上下表面，然后根据二维极坐标系，将伞裙测量点的位置信息和电位信息相结合，得到同一伞裙上下表面的电荷分布。
19.本发明一种伞裙结构的复合绝缘子表面电荷检测装置及方法，具有以下的优点：1、本发明的电荷检测装置探针前端与探头后端采用铰接连接方式能大范围调节探头的角度，保证测量过程中控制探头与伞裙表面保持垂直，通过转动旋钮盖，可以调节两个探头之间的垂直距离，对比现有技术，使测量结果更加精确可靠，同时该装置可适应于外表面复杂且不同型号的复合绝缘子结构。
20.2、本发明装置完成硅橡胶护套伞裙上下表面及伞裙间垂直区域表面的电荷测量，形成一套完整的复合绝缘子伞裙上下表面及伞裙间垂直区域的表面电荷分布模型设计方法，可以生动直观地得到的复合绝缘子表面电荷模型效果图，再现了伞裙大小、伞裙垂直区域高度、表面结构细节，可以更加方便快捷地对检测结果进行对比分析，得出相应的实验结论。
附图说明
21.图1为硅橡胶护套伞裙结构的复合绝缘子表面电荷检测装置示意图；图2为本发明测量表面电荷检测装置示意图；图3为本发明测量表面电荷检测装置侧视图；图4为图2中a部分放大示意图；图5为图4中b-b处截面示意图；图6为静电电容法原理结构图及等效电路图；图7 本实施例中伞裙上下表面电荷模型建立流程图；图8（a）为本实施例中伞裙上表面电荷分布效果图；图8（b）为本实施例中伞裙下表面电荷分布效果图；图9为本实施例中硅橡胶护套伞裙间垂直区域表面电荷模型建立流程图；图10为本实施例中硅橡胶护套伞裙间垂直区域表面电荷分布效果图。
22.图中：1、探针；2、探头；3、屏蔽舱；4、绝缘支撑环；5、绝缘套管；6、绝缘固定环；7、套管伸缩限位卡槽；8、绝缘罩；9、丝杆；10、旋钮盖；11、支架；12、支撑支柱；13、运算放大器；14、屏蔽箱；15、夹爪；16、信号接收处理器；17、机械臂；18、支座；19、滑轮；20、芯棒；21、复合绝缘子；22、伞裙；23、绝缘子金具；24、夹板。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
24.伞裙结构复合绝缘子表面电荷检测装置如图1所示，采用现有技术方式及工装固定复合绝缘子21，使其与水平面垂直；也就是，采用现有技术的夹板24和绝缘子金具23，两个夹板24上、下设置，复合绝缘子21上、下两端分别通过绝缘子金具23由上、下夹板24夹持固定；亦即，两个夹板24用来固定复合绝缘子21，绝缘子金具23为金属材质，具有导电性，用来导通电路结构，夹板24使用abs工程胶板制成，从而使得夹板的高压电极和地电极与电机接头处于分离状态，同时abs工程胶板耐磨损，机械强度高，这使得整个实验设备重量更轻，易于移动和拆卸，其中abs工程夹板可以是虎钳。
25.采用检测组件对复合绝缘子表面进行扫描检测，确定好复合绝缘子21的位置和待测量的伞裙22，使待测复合绝缘子21固定到一个适合位置，移动机械臂17，探头2能够对准待测复合绝缘子的表面，如果要测量伞裙22上下表面电荷时，转动上下两个探头2使上下两个探头2与伞裙上下表面均保持垂直；如果要测量复合绝缘子21伞裙间垂直区域表面电荷时，将探头2旋转至与探针1保持水平状态，将探头2对准伞裙间垂直区域。
26.如图2至图5所示，探针1和探头2的材料均为导电性较好的紫铜，也可以采用黄铜作为探针材料，探针1和探头2的直径均为1.2mm，可提高了空间分辨率，绝缘罩8材质为聚四氟乙烯，绝缘罩为半球形绝缘罩，直径为15mm，方便探头2在伞裙间隙表面灵活转动。探针1中部的绝缘套管5的内径为1.5mm、外径为12mm，长度为40mm，屏蔽舱3材质为铝合金，内壁直径为30mm，外壁直径为40mm，长度为60mm。
27.绝缘支撑环4内壁直径为1.2mm，厚度14.4mm，可以完美贴合探针1后端的屏蔽舱3侧壁，固定好探针1后端的位置，绝缘支撑环4的材质为聚四氟乙烯，起到绝缘支撑的作用。探针1前端的绝缘固定环6内壁直径为1.2mm，厚度4mm，可以固定好探针1前端的位置。
28.绝缘套管5上均匀分布套管伸缩限位卡槽7，材质为聚四氟乙烯，套管伸缩限位卡槽7半径为3mm，可调节探针1的伸缩量，满足测量不同半径大小的伞裙。
29.两个屏蔽舱3之间设有调节机构，两个屏蔽舱3之间通过两个支架11铰接，调节机构由四根支撑支柱12铰接成一个菱形组件，两个菱形组件相对间隔分布且上下两个节点与两个屏蔽舱3固定连接，两个菱形组件相对应的前后两个节点各铰接有一根支架11，两根支架11中部均开设有带内螺纹的孔，前、后两段带相反旋向外螺纹的丝杆9贯穿两根支架11的孔。丝杆9前端设有旋钮盖10，通过转动旋钮盖10，可以调节两个探头2之间的垂直距离，适应测量不同型号、不同电压等级的复合绝缘子。该调节机构及调节方式仅为实施例展示的一种示例，其他采用相类似或改动的调节方式也应当视为本发明的保护范围。
30.屏蔽舱3后端连接有方形屏蔽箱14，内壁长、宽、高尺寸均为120mm，厚度为2mm，屏蔽箱14内部放置运算放大器13，用来屏蔽电磁信号干扰，屏蔽箱14侧壁开有“十字形”孔洞，可以调节屏蔽舱3的竖直或水平摆放姿势。
31.机械臂17的夹爪15连接有屏蔽箱14，夹爪15为四方钩爪结构，可以牢牢固定锁住屏蔽箱14， 其中上下钩爪宽度为10cm，长度为2cm，左右钩爪宽度为5cm，长度为2cm，机械臂17由三根连杆串联而成，似手臂构型，连杆高度为40cm，连杆直径为5cm，关节长度为15cm，关节直径为7cm，机械臂17支座呈正方形，边长50cm，承载机械臂17的支座18底部加装有4个可360
°
旋转的滑轮19，滑轮19的半径为2.5cm，可以满足全方位无死角检测复合绝缘子表面电荷的测量。
32.运算放大器13为高精度运算放大器ada4530，可以将表面电荷电压信号放大，用于信号的传输和接收。信号接收处理器16为高精度采集器daqm-4200，位于屏蔽箱14外，其设计有利于实验人员观察复合绝缘子加压过程中表面电压的变化情况，以此来反应复合绝缘子表面电荷的变化。
33.电压信号采集模块采用daqm-4200高精度工业级光电隔离型模拟量采集产品，可测毫伏级微小信号，精确至0.01mv，采用差分输入，可以抑制共模干扰，输出数据从rs485接出。rs485接口数据通过cbt-1009转换器接到计算机，cbt-1009转换具有防浪涌防静电，全接口隔离，无惧强磁干扰的特点，能够安全准确地将测量的电压信号传输给计算机。
34.该检测装置整体易拆卸，在更换电极和清理内壁时也较传统设备更加便捷。此外，检测装置重量轻，体积小，能够大幅度减少装置占用的地方空间。利用本检测装置可模拟复合绝缘子处于实际运行状况或故障状况下时的绝缘状况，特别是探究在复合绝缘子不同的位置、不同的伞裙的位置、不同电场形式、不同实验温度、不同空气湿度及复合绝缘子表面在干污、湿污下绝缘性能，从而为复合绝缘子在电力系统中的应用提供根本性的依据和建
议。
35.有研究表明，固体介质表面电荷的消散过程比较漫长，消散时间常数为104s数量级，真空中电荷泄漏时间甚至可达107s以上。但由于受气体种类、气压、电荷积聚位置等因素的影响，不同环境中介质表面电荷消散速度也各不相同，因此可以保证后续测量都在电荷大幅消散前完成。
36.该装置基于静电分压原理的静电容探头结构示意图及等效电路如图6所示。c1为探头同轴圆柱结构的电容及测量电子线路输入电容；c2为电容探头感应面与绝缘子表面电荷之间的电容；c3为探头正对面的绝缘子表面对地等效电容； q为探头正下方绝缘子表面所带电荷量。
37.在测量过程中，探头与绝缘子表面保持一定的距离。由于绝缘子表面电荷q的存在，c3可视为已充满电的电容，而c1、c2可分别看作电容分压器的高压臂和低压臂。c3上的电压ui会影响到探头输出电压u0，因此测得u0即可通过一定的标度关系得到表面电荷分布。设电容探头正对着绝缘子表面的等效面积为s ，电荷密度为，则有：
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（1）
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（2）
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（3）在实验过程中，由于探针对地电容c2（包括探针、引线的对地电容和测量装置的输入电容）远大于c1（探头电极与待测电介质表面之间的电容），c1远大于c3（电介质表面的对地等效电容），所以在实际计算过程中
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（4）即探头的输出电压u0与被测表面的电荷密度有正比关系，式中p = c2/a，定义为刻度系数。
38.为了能可靠地测量表面电荷，要求测量过程中探头电极上感应电荷的泄漏要小，即电容c2的放电时间常数要大。
39.可以通过试验来求取刻度系数p的数值。依据图6进行试验，用一面积较大的金属平板代替被测电介质。对平板电极施加直流电压ui，电容探头的输出电压为u0，此时u
i / u
0 =c
2 / c1，换算后得
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（5）假设探头与金属板电极之间的电场为均匀电场，c1可按平板电极间的电容计算，得刻度系数
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（6）由式（6）可知，根据施加的电压ui和探头输出电压u0，计及h和值，h为极板极间距离，为极间电介质相对介电常数，由式（6）即可算得刻度系数p。
40.通过探头测量装置扫描测量复合绝缘子表面后，通过信号接收处理器将测量的电压信号传输给计算机后，根据（4）式，将各个测量点的电压信号的数值u乘上刻度系数p即可得到该点处的电荷密度。
41.复合绝缘子的伞裙上下表面电荷模型建立流程如图7所示，为了记录伞裙测量点的位置，首先建立二维极坐标系，选取伞裙的圆心作为极坐标系的极点，标记确定好伞裙上一点为起点，这样，伞裙平面上任一点的位置就可以用线段的长度以及从到的角度来确定，有序数对就称为点的极坐标，记为点的极坐标，记为；称为点的极径，称为点的极角。采用本发明静电电容探头装置对复合绝缘子带测量区域进行扫描，通过顺/逆时针匀速旋转机械臂，确定记录，为该测量点的极角；通过调整探头装置的位置，确定记录，为该测量点的极径。经过高精度运算放大器ada4530将表面电荷电压信号放大，由高精度采集器daqm-4200采集信号，经由cbt-1009转换器接到计算机端存储伞裙表面各位置的电压信号，根据二维极坐标系，将伞裙各测量点的位置信息和电位信息相整合，然后将各个测量点的电压信号的数值乘上刻度系数得到该测量点处的电荷密度，建立伞裙上下表面电荷分布效果图，可以满足同时测量得到伞裙上下表面的电荷分布，分析上下表面不同电荷积聚对复合绝缘子表面闪络的影响。
42.实验过程中，我们通过选用fxbw4-10/70型号的复合绝缘子，当室内空气温度为25℃，湿度为65%时，在复合绝缘子的两端施加42kv的正极性直流电压，加压时长为30min，可以生动直观地得到的伞裙上下表面电荷模型效果图如图8（a）和图8（b）所示，再现了伞裙大小、表面结构、电荷多少等细节，可以更加方便快捷地对结果进行对比分析，得出相应的实验结论。
43.硅橡胶护套伞裙间垂直区域表面电荷模型建立流程如图9所示，为了记录伞裙间垂直区域测量点的位置，首先建立三维极坐标系，选取伞裙间垂直区域水平投影的圆心作为三维坐标系的极点，标记确定好伞裙间垂直区域壁上一点为起点，记为。伞裙间垂直区域面上任一点也可用这样三个有次序的数来确定；其中为点在水平面的投影点与极点的距离，称为点水平投影点的极径；为有向线段在水平面的投影与所夹的角，称为点水平投影点的极角；称为点垂直高度。测量复合绝缘子的半径，得到，为该测量点水平投影点的极径；顺/逆时针匀速旋转机械臂，确定记录，为该测量点水平投影点的极角；调整探头装置的位置，确定记录，为该测量点的垂直高度。经过高精度运算放大器ada4530将表面电荷电压信号放大，由高精度采集器daqm-4200采集信号，经由cbt-1009转换器接到计算机端存储伞裙间垂直区域表面的各位置电压信号，根据三维极坐标系，将伞裙间垂直区域各测量点的位置信息和电位信息相整
合，然后将各个测量点的电压信号的数值乘上刻度系数得到该测量点处的电荷密度，得到各个测量点处的电荷密度，建立伞裙间垂直区域表面电荷分布图，同时可以测量得到同一伞裙上下垂直区域表面的电荷分布，分析伞裙间垂直区域表面不同电荷积聚对复合绝缘子表面闪络的影响。
44.同样在实验过程中，我们通过选用fxbw4-10/70型号的复合绝缘子，当室内空气温度为25℃，湿度为65%时，在复合绝缘子的两端施加42kv的正极性直流电压，加压时长为30min，可以生动直观地得到的硅橡胶护套伞裙间垂直区域表面电荷模型分布效果如图10所示，再现了伞裙垂直区域高度、表面结构、电荷多少等细节，可以更加方便快捷地对结果进行对比分析，得出相应的实验结论。