一种测量复杂绝缘结构表面电位的静电探头控制机构及方法与流程

本发明涉及电荷测量技术领域，特别涉及一种测量复杂绝缘结构表面电位的静电探头控制机构及方法。

背景技术：

随着直流输电技术发展，直流气体绝缘组合电器（GIS）由于占地面积小、系统运可靠性高，运维成本小等优点受到越来越多的关注。但是由于直流条件下GIS绝缘子表面会大量积聚电荷造成绝缘子周围电场畸变，从而导致其沿面耐受能力下降。测量绝缘子表面电荷的分布及量级有助于厘清电荷积聚的机理，从而为绝缘子表面电荷抑制及绝缘子形状优化提供理论支撑。

技术实现要素：

基于此，在现有的技术条件下提供一种测量复杂绝缘结构表面电位的静电探头控制机构及方法，该机构及方法能够同时测量绝缘子凹面及凸面的表面电荷分布。

一种测量复杂绝缘结构表面电位的静电探头控制机构，包括被测盆子装配（9）、绝缘连接杆（11）、传动组件（12）、驱动组件（13）、电连接部分（14）；所述驱动组件（13）具有旋转轴，所述旋转轴与所述传动组件（12）连接，绝缘连接杆（11）的一端用于与被测盆子装配（9）连接，另一端通过传动组件（12）与旋转轴连接，从而带动被测盆子装配（9）旋转，使得被测盆子装配（9）能够配合静电探头运动测量机构对其表面实施扫描测量；

还包括铁铸手轮（4）、轴封装配（5）、导电杆（18）、导体支撑（20）、传动机构（19）、绝缘拉杆（7）；铁铸手轮（4）与轴封装配（5）连接，绝缘拉杆（7）一端与轴封装配（5）连接，绝缘拉杆（7）另一端与传动机构（19）连接，导电杆（18）一端与传动机构（19）连接，导电杆（18）另一端与被测盆子装配（9）连接，导体支撑（20）内部中空；

还包括盆式绝缘盖（1）、过渡筒体（2）、试验专用筒体（3）、盖板装配（6）、盖板（8）、端部盖板（10）、侧面附腔（15）、安装板（16），所述过渡筒体（2）一端与所述盆式绝缘盖（1）连接，另一端与所述试验专用筒体（3）焊接，所述盖板装配（6）、所述盖板（8）安装于所述试验专用筒体（3）中部；所述端部盖板（10）安装于所述试验专用筒体（3）的底部，所述侧面附腔（15）一端与所述试验专用筒体（3）焊接，所述安装板（16）安装于所述侧面附腔（15）的另一端；通过该方式形成密闭的试验环境，以保持腔体内部的气体环境稳定；

还包括静电探头运动测量机构（17）；静电探头运动测量机构（17）安装于侧面腹腔（15）内并固定于安装板（16）上。

所述静电探头运动测量机构还包括光电开关一（21）、旋转电机一（22）、滑杆（23）、静电探头（24）、夹具（25）、丝杆（26）、筒壳（27）、旋转轴（28）、光电开关二（29）、支架（30）、旋转电机二（31）、大丝杆（32）、滑块单元（33）、滑块连接板（34）、旋转电机三（35）、光电开关三（36）；所述光电开关一（21）安装于所述筒壳（27）上，所述旋转电机一（22）安装于所述支架（30）外侧，所述旋转轴（30）一端与所述支架（30）内侧连接，另一端与所述夹具（25）相连，所述静电探头被所述夹具（25）所夹持，所述旋转轴（28）的运动从而能带动静电探头的旋转；所述滑杆（23）套在丝杆（26）外部，二者均封装与所述筒壳内，所述滑杆（23）能在垂直平面内运动，从而带动所述静电探头在垂直方向上运动；所述滑块单元（33）水平放置在所述安装板（16）上，并套在所述大丝杆（32）外部，所述滑块单元（33）通过所述滑块连接板连接，所述滑块单元（33）能在水平方向上运动，从而带动所述静电探头在水平方向上运动。

所述旋转电机一（22）、所述旋转电机二（31）、所述旋转电机三（35）驱动所述静电探头旋转，水平方向，垂直方向的运动；所述光电开关一（21）、所述光电开关二（29）、所述光电开关三（36）用于校正所述静电探头在三个方向上运动的初始位置，保证每次测量开始前所述静电探头均处于同一位置。

还包括控制组件，所述控制组件包括采集显示终端（37）、控制配电柜（38）、人机接口（39）；所述采集显示终端（37）用于采集被测信号，所述控制配电柜（38）用于控制所述被测盆子装配的旋转运动方向，旋转速度以及旋转角度，此外，所述控制配电柜也用于控制所述运动机构的上升、下降以及所述静电探头的旋转；人机接口（39）为用户提供开始，停止，复位三种指令。

旋转所述铁铸手轮（4）通过所述传动机构（19）可使所述导电杆（18）端部运动至距离绝缘子表面250mm处。

所述被测盆子装配（9）还包括支撑组件，所述支撑组件安装于所述试验专用筒体（3）的内壁，用于所述被测盆子装配的滚动支撑。

所述的被测盆子装配（9）属于可拆卸结构，适用于不同的盆子结构。

所述传动组件（12）还包括密封件，所述传动组件还包括导向套，所述导向套设有凹槽，所述密封件设置于所述凹槽内。

还包括外部支撑架，所述支撑架用于支撑由盆式绝缘盖（1）、过渡筒体（2）、试验专用筒体（3）、盖板装配（6）、盖板（8）、端部盖板（10）、侧面附腔（15）、安装板（16）所形成的密封罐体，并可调节所述密封罐体的对地高度。

一种基于上述静电探头控制机构实现的测量复杂绝缘结构表面电位的方法，包括以下内容：

对被测盆子装配（9）表面进行处理，用无水乙醇进行擦拭并自然干燥以确保其表面不存在电荷；

将电连接部分（14）、导电杆（18）上接入外接电路，实验前，需检测该绝缘子表面电荷测量系统的气密性良好，对盆式绝缘盖（1）、过渡筒体（2）、试验专用筒体（3）、盖板装配（6）、盖板（8）、端部盖板（10）、侧面附腔（15）、安装板（16）所形成的密闭空间抽真空，并用干燥气体进行洗气，最后充入0.3MPa的干燥绝缘气体；

对电路施加电压，被测盆子装配（9）两端电压的正负性由外接电路决定；加压时，导电杆（18）保持与被测盆子装配（9）表面接触，按压人机接口（39）的复位接口，使各运动轴保持在初始位置，此时静电探头运动测量机构（17）保持静电探头（24）缩至腹腔内，防止被高压击穿损坏；

加压完成后，旋转铁铸手轮（4）使导电杆（18）缩至导体支撑（20）内，保持导电杆（18）前段距离被测盆子装配（9）表面250mm；

按压人机接口（39）上的开始按钮，被测盆子装配（9）以及静电探头运动测量机构（17）按照程序设定的运动轨迹运动，所测信号被采集显示终端（37）所采集；

信号提取时，高电平参考信号所对应的测量信号为所需要的测量信号；

测量中，若遇任何突发情况，可按压人机接口（39）上的停止按钮，随时停止测量过程，按压人机接口（39）上的复位按钮，静电探头运动测量机构（17）即可回到初始位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

现有的表面电荷研究对象一般是对缩比的绝缘子模型（如圆柱型、圆台型绝缘子，平板绝缘子，绝缘材料薄膜），对真实的盆式绝缘子研究较为缺乏。由于盆式绝缘子结构复杂，也缺乏对盆式绝缘子有效的测量的结构，现有的测量设备只能对盆式绝缘子单面进行测量，由于电荷积聚会对电场产生畸变，因此对绝缘子表面电荷进行全覆盖测量有利于厘清电荷积聚的机理及工程实际应用，并对绝缘子的结构进行优化。

本装置能同时对盆式绝缘子的凹面及凸面同时进行测量，所设计的测量机构通过探头运动机构的三维运动以及绝缘子旋转机构的配合可实现对盆式绝缘子全覆盖测量，所有的测量过程通过设计的控制电路实现自动测量。

为保证凹面测探头的运动空间，本装置使用机械结构使得凹面侧电极可拉伸至离绝缘子底部250mm处。

所设计的罐体能够模拟真实GIS的（气体组合绝缘开关）运行环境，提供与真实GIS的对接接口，保证实验环境更贴合工程实际。

被测盆式绝缘子可拆卸，可对不同形状的盆式绝缘子进行测量。

附图说明

图1为本发明实施例所述的测量复杂绝缘结构表面电位的静电探头控制机构的剖面示意图；

图2为静电探头运动测量机构示意图；

图3为静电探头运动测量机构控制系统功能示意图；

1、盆式绝缘盖，2、过渡筒体，3、试验专用筒体，4、铸铁手轮，5、轴封装配，6、盖板装配，7、直流绝缘拉杆，8、盖板，9、被测盆子装配，10、端部盖板，11、绝缘连接杆，12、传动组件，13、驱动组件，14、电连接部分，15、侧面附腔，16、安装板，17、静电探头运动测量机构，18、导电杆，19、传动机构，20、导体支撑，21、光电开关一，22、旋转电机一，23、滑杆，24、静电探头，25、夹具，26、丝杆，27、筒壳，28、旋转轴，29、光电开关二，30、支架，31、旋转电机二，32、大丝杆，33、滑块，34、滑块连接板，35、旋转电机三，36、光电开关三，37、采集显示终端、38、控制配电柜、39、人机接口。

具体实施方式

本发明实施例提供了测量复杂绝缘结构表面电位的静电探头控制机构，用于测量GIS盆式绝缘子表面电荷的分布。为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。

如图1所示，测量复杂绝缘结构表面电位的静电探头控制机构包括：9被测盆子装配、11绝缘连接杆、12传动组件、13驱动组件、14电连接部分。13驱动组件具有旋转轴，旋转轴与12传动组件连接。11绝缘连接杆的一端用于与9被测盆子装配连接，另一端通过传动组件12与旋转轴连接，从而带动9被测盆子装配旋转，使得9被测盆子装配能够配合静电探头运动测量机构对其表面实施扫描测量。

进一步，9被测盆子装配采用可拆卸结构，因此该装置可用于测量不同的绝缘子结构。

具体的，13驱动组件包括旋转电机及其控制系统，从而使得13驱动组件能精确的控制9被测盆子装配的旋转方向，旋转角度以及旋转速度。

在前述的实施例中，上述的绝缘子表面电荷测量系统还包括4铁铸手轮、5轴封装配、18导电杆、19传动机构、20导体支撑、7绝缘拉杆。4铁铸手轮与5轴封装配连接，7绝缘拉杆一端与5轴封装配连接，7绝缘拉杆另一端与19传动机构连接，18导电杆一端与19传动机构连接，18导电杆另一端与9被测盆子装配连接，20导体支撑内部中空。

进一步，在前述实施例的基础上，上述的绝缘子表面电荷测量系统还包括1盆式绝缘盖、2过渡筒体、3试验专用筒体、6盖板装配、8盖板、10端部盖板、15侧面附腔、16安装板，2过渡筒体一端与1盆式绝缘盖连接，另一端与3试验专用筒体焊接，6盖板装配、8盖板安装于3试验专用筒体中部。10端部盖板安装于3试验专用筒体的底部，15侧面附腔一端与3试验专用筒体焊接，16安装板安装于15侧面附腔的另一端。2过渡筒体、3试验专用筒体、15、侧面附腔为气密金属罐体，能够承受一定的气压。1盆式绝缘盖、6盖板装配、8盖板、10端部盖板、16安装板对2过渡筒体、3试验专用筒体、15侧面附腔进行封装，以保持腔体内部的气体环境稳定，从而模拟真实的GIS运行环境。

进一步，在前述实施例的基础上，上述的绝缘子表面电荷测量系统还包括17静电探头运动测量机构，17静电探头运动测量机构安装于15侧面腹腔内并固定于16安装板上。

进一步，1盆式绝缘盖、6盖板装配、8盖板、10端部盖板、16安装板、2过渡筒体、3试验专用筒体、15侧面附腔所形成的密封罐体由外部一可移动的支架小车托举，小车车轮可锁住，支架高度可调节。

具体地，如图2所示，17静电探头运动测量机构具体由21光电开关一、22旋转电机一、23滑杆、24静电探头、25夹具、26丝杆、27筒壳、28旋转轴、29光电开关二、30支架、31旋转电机二、32大丝杆、33滑块单元、34滑块连接板、35旋转电机三、36光电开关三。21光电开关一安装于27筒壳上，22旋转电机一安装于30支架外侧，28旋转轴一端与29支架内侧连接，另一端与25夹具相连，24静电探头被25夹具所夹持，28旋转轴的运动从而能带动14静电探头的旋转。23滑杆套与26丝杆外部，二者均封装与27套筒内，23滑杆能在垂直平面内运动，从而带动24静电探头在垂直方向上运动。33滑块单元水平放置在16安装板上，并套在32大丝杆外部，33滑块单元通过34滑块连接板连接，33滑块单元能在水平方向上运动，从而带动24静电探头在水平方向上运动。22旋转电机一、31旋转电机二、33旋转电机三驱动24静电探头旋转，水平方向，垂直方向的运动。21光电开关一、29光电开关二、36光电开关三用于校正24静电探头运动在三个方向上的初始位置，以保证每次测量开始前24静电探头均处于同一位置。

在前述实施例上，如图1所示，为实现对绝缘子的凹面及凸面同时测量，旋转所述4铁铸手轮带动7直流绝缘拉杆旋转，通过19传动机构可使18导电杆运动至20导电杆内，并使18导电杆端部上升至距绝缘子表面250mm处，为静电探头运动测量机构提供足够的测量空间。

在前述实施例上，如图3所示，上述的测量复杂绝缘结构表面电位的静电探头控制机构还包括13驱动装置以及17静电探头运动测量机构的控制系统。该控制系统包括37采集显示终端、38控制配电柜、39人机接口。37采集显示终端将24静电探头所测得的信号采集并显示，38控制配电柜由PLC、IO模块构成，用于编写静电探头运动测量机构的控制程序，39人机接口为用户提供开始，停止，复位三种指令。

在前述的实施例上，本发明设定9被测盆子装配的旋转速度为1rms，静电探头测量时能够在测量时能够始终保持距离9被测盆子装配表面3mm。在使用有源探头法测量表面电荷时，需保持探头垂直于绝缘子表面，由于实际绝缘子结构复杂，本发明设定24静电探头与9被测盆装配的角度能够保持在90°±30°。这样设定能够保证在5分钟内实现绝缘子表面的全覆盖测量。测量时，24静电探头运动至距9被测盆子装配表面3mm处，并保持垂直，绝缘子同时旋转360°，测取所需信号后，绝缘子停止旋转，17静电探头运动测量机构调整24静电探头姿态，之后9被测盆子装配再次旋转，重复该过程直至绝缘子表面全部测量。

进一步，在9被测盆子装配旋转时，37采集显示终端会接收到高电平参考信号，17静电探头运动测量机构在姿态调整期间，37采集显示终端会接收到低电平参考信号，这样有助于测量信号的提取，从而实现连续测量。

在前述的实施例上，本发明提供一种17静电探头运动测量机构运动轨迹的确定方法：

确定21光电开关一、29光电开关二、36光电开关三均在均在初始位置；

以24静电探头测量面的中心为原点建立直角坐标系，以7静电探头运动测量机构水平运动方向为x轴，竖直运动方向为y轴；

选取9被测盆子装配在由x轴及y轴构成的平面内的一条表面弧线，以2mm的间隔选取采样点，并根据17静电探头运动测量机构、3试验专用筒体、15侧面附腔的尺寸确定各采样点在所构建的坐标系中坐标；

根据测量时设定24静电探头运动至距9被测盆子装配表面3mm处，24静电探头与9被测盆子装配的角度能够保持在90°±30°的设定，推断出7静电探头测量每个采样点时的坐标，将每个测量点的坐标连接即为7静电探头的运动轨迹；

通过17静电探头运动测量机构的控制系统编写控制程序实现7静电探头的运动，待9被测盆子装配旋转360°后，17静电探头运动测量机构的控制系统调整7静电探头运动至下一个测量点。

一种测量复杂绝缘结构表面电位的方法，本发明提供如下的测量步骤：

对9被测盆子装配表面进行处理，用无水乙醇进行擦拭并自然干燥以确保其表面不存在电荷；

将14电连接部分、18导电杆上接入外接电路，实验前，需检测该绝缘子表面电荷测量系统的气密性良好，对1盆式绝缘盖、2过渡筒体、3试验专用筒体、6盖板装配、8盖板、10端部盖板、15侧面附腔、16安装板所形成的密闭空间抽真空，并用干燥气体进行洗气，最后充入0.3MPa的干燥绝缘气体；

对电路施加电压，9被测盆子装配两端电压的正负性由外接电路决定。加压时，18导电杆保持与9被测盆子表面接触，按压39人机接口的复位接口，使各运动轴保持在初始位置，此时17静电探头运动测量机构保持24静电探头缩至腹腔内，防止被高压击穿损坏；

加压完成后，旋转4铁铸手轮使18导电杆缩至20导体支撑内，保持18导电杆前段距离9被测盆子装配表面250mm；

按压39人机接口上的开始按钮，9被测盆子装配以及17静电探头运动测量机构按照程序设定的运动轨迹运动，所测信号被37采集显示终端所采集；

信号提取时，高电平参考信号所对应的测量信号为所需要的测量信号；

测量中，若遇任何突发情况，可按压39人机接口上的停止按钮，随时停止测量过程，按压39人机接口上的复位按钮，17静电探头运动测量机构即可回到初始位置。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使得描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。