本发明涉及固体绝缘材料放电及电荷测量技术领域，具体涉及一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置及方法。
背景技术：
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随着我国特高压直流输电网络的快速发展，以气体绝缘输电线路(gil)和气体绝缘金属封闭电器(gis)为代表的气体绝缘电气设备因其绝缘强度高、环境兼容性好、易于运行和维护等多方面的优势，在现代复杂的输电网络中被广泛应用。然而，在交流电压、直流电压、冲击电压作用下，固体聚合物电介质制成的固体盆式绝缘子表面会逐步积累电荷，当积聚在绝缘子表面的电荷达到一定程度时，会对原电场造成畸变，导致绝缘子沿面闪络电压的下降，严重时还会造成绝缘子的沿面闪络，导致气体绝缘设备运行可靠性降低。因此，研究直流高压下绝缘子表面电荷的积聚和消散特性，对于提高气体绝缘电气设备运行的可靠性具有重要的意义。
目前，国内外学者针对聚合物表面电荷积聚现象的研究，还停留在实验阶段，测量绝缘子表面电荷的装置也存在许多不足之处，例如：(1)实验所用的绝缘子模型大多采用的是便于测量的薄片圆柱形，并且实验多在低压大气中进行，这些情况与气体绝缘设备中的实际绝缘情况严重不符，不利于模拟出真实的工况；(2)绝缘子表面电荷测量系统只能扫描测量形状固定单一的绝缘子模型，不利于开展大量的实验研究；(3)绝缘子表面电荷测量系统只能扫描测量盆式绝缘子模型外表面积聚的电荷，无法测量模型内表面积聚的电荷。为了能够更加深入的研究绝缘子表面电荷积聚现象，完善气体绝缘电气设备运行的稳定性，促进气体绝缘电气设备的实用化，十分有必要对现有的表面电荷测量系统进行改进和完善，使其能够在高压绝缘气体环境下更加安全的、可靠的对盆式绝缘子进行表面电荷测量。
技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置及方法，以对绝缘子的内外表面进行电荷测量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，包括：筒状主罐体，所述筒状主罐体下端固接有下盖板，其上端搭接有第一盆式绝缘子，所述下盖板上开设有两个第一通孔，两个所述第一通孔中分别插设支撑杆，两个所述支撑杆上端固接有金属圆筒，其中一个所述支撑杆下端连接有第一驱动装置，所述第一驱动装置带动所述支撑杆上下运动，在所述下盖板上还开设有第二通孔，所述第二通孔位于两个所述第一通孔之间，所述第二通孔中插设有第一导杆，所述第一导杆下端外接第二驱动装置或者第三驱动装置，所述第二驱动装置带动所述第一导杆沿竖直方向上下运动，所述第三驱动装置带动所述第一导杆旋转运动，所述第一导杆上端固接有绝缘块，所述绝缘块上插设有第一电极，所述第一电极上方吊设有第二电极，所述第二电极下端设置有上均压罩，所述第一电极上端设置有下均压罩，在所述上、下均压罩之间设置有第二盆式绝缘子，所述第二盆式绝缘子的外缘搭接于所述金属圆筒的内壁，所述第二电极与所述支撑杆之间通过导线连通，且所述导线上安装有电阻和电源，所述筒状主罐体一侧设置有第二导杆，所述第二导杆一端穿过所述筒状主罐体的侧壁延伸至其内部，且所述第二导杆位于所述筒状罐体内部的一端端部设置有探头，所述探头可绕所述第二导杆转动，其另一端外接第四驱动装置，所述第四驱动装置带动所述第二导杆沿水平方向左右运动，所述探头通过数据线顺次连接静电位计、单片机及计算机。
所述上均压罩上开设有凹槽，所述第二电极下端凸设有凸台，所述凸台嵌装于所述凹槽中，且在所述凸台和凹槽之间设置有弹簧销。
所述探头通过连接轴铰接于所述第二导杆的端部。
所述探头与所述第二导杆连接处设置有传动装置，所述传动装置包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述第二导杆端部设置有u形支架，所述第二导杆穿过所述u形支架的底板的一端端部套设所述第一锥齿轮，所述u形支架的两侧板上设置有传动轴，所述第二锥齿轮套装于所述u形支架的两侧板之间的传动轴上，且所述第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合，所述传动轴延伸至所述u形支架外部的一端端部固接所述探头。
所述第一、第二、第三及第四驱动装置均为步进电机。
所述第一驱动装置、第二驱动装置和第四驱动装置的输出轴上分别套设有齿轮，所述支撑杆、第一导杆和第二导杆的杆身上分别设置有齿条，所述齿轮和齿条相啮合，所述齿轮带动所述齿条运动，进而驱动所述支撑杆、第一导杆和第二导杆直线运动；所述第三驱动装置的输出轴通过联轴器与所述第一导杆连接。
所述第三驱动装置均为步进电机，所述第一、第二及第四驱动装置均为液压缸或者气缸，所述第三驱动装置的输出轴通过联轴器与所述第一导杆连接，所述液压缸或者气缸的活塞杆分别与所述支撑杆、第一导杆和第二导杆连接。
所述筒状主罐体内壁不同高度处设置有第一超声波传感器和第二超声波传感器，且所述第二超声波传感器与筒状主罐体下盖板的距离为l1，所述第一超声波传感器与筒状主罐体下盖板的距离为l2，当所述第二盆式绝缘子与所述第二电极下端的下均压罩接触时，所述第二盆式绝缘子上缘到探头下端部的距离为l3，所述第二盆式绝缘子下缘到金属圆筒上端面的距离为l4，所述l1小于等于l3，所述l2小于等于l3和l4之和。
所述筒状主罐体的侧壁上开设有石英视窗。
采用上述一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置对盆式绝缘子表面电荷进行测量的方法，具体步骤如下：
步骤一：将所述第二盆式绝缘子内外表面由上至下划分为m个测量圆圈，并将每个测量圆圈按照角度划分为n个测量角度，得到mxn个测量点，其中m和n均为大于等于1的自然数；
步骤二：检查所述筒状主罐体的气密性，然后将第二盆式绝缘子置于所述筒状主罐体内部；
步骤三：向所述筒状主罐体中充气，供入绝缘气体，至其内部达到所需压强后，停止充气；
步骤四：将所述电源接通，对第二盆式绝缘子两端施加电压，在所述第二盆式绝缘子两端施加10～30分钟电压之后，关闭所述电源，撤去第二盆式绝缘子两端电压；
步骤五：启动所述第一驱动装置，带动所述支撑杆向下运动，使所述第二盆式绝缘子的外缘与所述金属圆筒脱离，抑制电荷从低压侧消散，关闭所述第一驱动装置；
步骤六：将所述第一导杆与所述第二驱动装置连接，启动所述第二驱动装置，带动所述第一导杆向下运动，使所述第二盆式绝缘子与所述第二电极脱离，抑制电荷从高压侧消散，关闭所述第二驱动装置；
步骤七：将所述第二导杆与所述第四驱动装置连接，启动所述第四驱动装置，带动所述第二导杆朝向第二盆式绝缘子运动，运动至所述第二盆式绝缘子上方，使所述探头对正所述第二盆式绝缘子，关闭所述第四驱动装置；
步骤八：将所述探头置于所述第二盆式绝缘子内表面的底部，将所述第一导杆与所述第三驱动装置连接，通过所述第三驱动装置带动所述第二盆式绝缘子旋转，对所述第二盆式绝缘子开始逐圈进行测量；
步骤九：将所述第二盆式绝缘子的内表面测量完毕之后，将装置所有部件复位，将所述第二盆式绝缘子翻转180°，重复上述步骤二至步骤八，完成对所述第二盆式绝缘子的外表面的测量；
步骤十：在完成测量之后，需重新对第二盆式绝缘子表面进行处理，去除掉测量过程中在第二盆式绝缘子表面积聚的电荷，以排除残余电荷对下次测量的影响。
本发明一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置及方法的有益效果：
1、本发明提出的小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，将电荷测量探头置于筒状主罐体的内部，运动控制系统外置，利用驱动装置实现小型化盆式绝缘子的上下运动和电荷测量探头的水平运动，来实现小型化盆式绝缘子的表面电荷测量，极大地减少了实验罐体的尺寸，进而减少了绝缘气体的使用，大大减少了实验的成本；
2、本发明提出的小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，可以实现对小型化盆式绝缘子凹面的表面电荷测量，改善了现阶段多数实验装置不能够测量小型化绝缘子凹面表面电荷的问题，且同时本测量装置也可以进行小型化盆式绝缘子凸面的表面电荷测量；
3、本发明提出的小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，提出了一种可以模拟gis/gil外壳的三电极机构，更加贴近实际；
4、本发明提出的小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，可以准确的控制第一导杆和第二导杆的运动距离，为保险起见，还在筒状主罐体内部安装了第一超声波传感器和第二超声波传感器，分别用以控制第一导杆和第二导杆运动的距离；
5、本发明提出的小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，高压侧第二电极与上均压罩连接处弹簧销装置，可以使第二盆式绝缘子样件与上、下均压罩有良好的接触，并且可以有效地控制各器件之间的碰撞，保护了绝缘子样件的安全；
6、本发明提出的小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，所有的运动都是由单片机控制各个驱动装置完成，其可以通过更改单片机的程序，对不同形状的绝缘子进行表面电荷的测量；
7、本发明提出的小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，可以在不同绝缘气体介质(如：sf6、cf4、n4等气体)、不同气体压强(0.1～0.6mpa)下进行表面电荷测量实验，适用范围更加宽泛，实用性强。
附图说明：
图1为本发明一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置的结构示意图；
图2为采用一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置对盆式绝缘子内表面电荷进行测量的方法时步骤五～步骤六的运动状态示意图；
图3为采用一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置对盆式绝缘子内表面电荷进行测量的方法时步骤七～步骤八的运动状态示意图；
图4为采用一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置对盆式绝缘子外表面电荷进行测量的方法时步骤五～步骤六的运动状态示意图；
图5为采用一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置对盆式绝缘子外表面电荷进行测量的方法时步骤七～步骤八的运动状态示意图；
图6为传动装置的结构示意图；
图中：1-筒状主罐体，2-下盖板，3-第一盆式绝缘子，4-支撑杆，5-金属圆筒，6-第一驱动装置，7-第一导杆，8-第二驱动装置，9-第三驱动装置，10-绝缘块，11-第一电极，12-第二电极，13-上均压罩，14-下均压罩，15-弹簧销，16-第二盆式绝缘子，17-导线，18-电阻，19-电源，20-第二导杆，21-探头，22-第四驱动装置，23-连接轴，24-静电位计，25-数据线，26-单片机，27-计算机，28-第一超声波传感器，29-第二超声波传感器，30-u形支架，31-底板，32-侧板，33-传动轴，34-第一锥齿轮，35-第二锥齿轮，36-第五驱动装置。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
根据图1所示，本发明提供的一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置，包括：上下端均开口的中空筒状主罐体1，所述筒状主罐体1的侧壁上开设有石英视窗，所述筒状主罐体1下端固接有下盖板2，其上端搭接有第一盆式绝缘子3，所述下盖板2上开设有两个第一通孔，在下盖板2上还开设有供绝缘气体进出的进出气孔，两个所述第一通孔中分别插设支撑杆4，两个所述支撑杆4上端固接有金属圆筒5，其中一个所述支撑杆4下端连接有第一驱动装置6，所述第一驱动装置6带动所述支撑杆4沿竖直方向上下运动，在所述下盖板2上还开设有第二通孔，所述第二通孔位于两个所述第一通孔之间，所述第二通孔中插设有第一导杆7，所述第一导杆7下端外接第二驱动装置8或者第三驱动装置9，所述第二驱动装置8带动所述第一导杆7上下运动，所述第三驱动装置9带动所述第一导杆7旋转运动，所述第一导杆7上端固接有绝缘块10，所述绝缘块10由ptfe绝缘材料制成，保证可靠绝缘，所述绝缘块10上插设有第一电极11，所述第一电极11上方吊设有第二电极12，所述第二电极12下端设置有上均压罩13，所述第一电极11上端设置有下均压罩14，在本实施例中，是在所述上均压罩13上开设有凹槽，所述第二电极12下端凸设有凸台，所述凸台嵌装于所述凹槽中，且在所述凸台和凹槽之间设置有弹簧销15，在所述上、下均压罩之间设置有第二盆式绝缘子16，通过所述弹簧销15为第二盆式绝缘子16与上、下均压罩的良好接触提供了保证，所述第二盆式绝缘子16的外缘搭接于所述金属圆筒5的内壁，所述第二电极12与所述支撑杆4之间通过导线17连通，且所述导线17上安装有电阻18和电源19，并将导线17接地，所述筒状主罐体1一侧设置有第二导杆20，所述第二导杆20一端穿过所述筒状主罐体1的侧壁延伸至其内部，且所述第二导杆20位于所述筒状罐体内部的一端端部设置有探头21，所述探头21为kelvin电荷测量探头，其另一端外接第四驱动装置22，所述第四驱动装置22带动所述第二导杆20沿水平方向左右运动，所述探头21通过数据线25连接静电位计24，所述探头21将采集的数据通过数据线25传输至所述静电位计24，所述静电位计24的输出端与单片机26的的输入端相连接，将采集到的数据通过数据线25传输到单片机26中，由单片机26将模拟信号转化为数字信号，所述单片机26的输出端与计算机27相连接，将转化的数字信号储存到计算机27中，方便数据的后期处理。
进一步地，在一实施例中，所述探头21通过连接轴23铰接于所述第二导杆20的端部，使所述探头21可绕所述第二导杆20转动，以测量第二盆式绝缘子的不同位置，在另一实施例中，是在所述探头21与所述第二导杆20连接处设置有传动装置，如图6所示，所述传动装置包括第一锥齿轮34和第二锥齿轮35，所述第二导杆20端部设置有u形支架30，所述第二导杆20穿过所述u形支架30的底板31的一端端部套设所述第一锥齿轮34，所述u形支架30的两侧板32上设置有传动轴33，所述第二锥齿轮35套装于所述u形支架30的两侧板32之间的传动轴33上，且所述第一锥齿轮34和第二锥齿轮35相啮合，所述传动轴33延伸至所述u形支架30外部的一端端部固接所述探头21，并将所述第二导杆20与第五驱动装置36连接，所述第五驱动装置36为步进电机，驱动所述第二导杆旋转，在测量过程中，能够使探头21始终与第二盆式绝缘子16上的测量点保持垂直，使测量的数据具有准确性。
进一步地，在一实施例中，所述第一、第二、第三及第四驱动装置均可采用步进电机，并且在所述第一驱动装置6、第二驱动装置8和第四驱动装置22的输出轴上分别套设有齿轮，所述支撑杆4、第一导杆7和第二导杆20的杆身上分别设置有齿条，所述齿轮和齿条相啮合，所述齿轮带动所述齿条运动，进而驱动所述支撑杆4、第一导杆7和第二导杆20直线运动；所述第三驱动装置9的输出轴通过联轴器与所述第一导杆7连接，通过第一、第二及第四驱动装置实现直线方向的驱动，通过所述第三驱动装置9实现旋转方向的驱动。
进一步地，在另一实施例中，所述第三驱动装置9均为步进电机，所述第一、第二及第四驱动装置均为液压缸或者气缸，所述第三驱动装置9的输出轴通过联轴器与所述第一导杆7连接，所述液压缸或者气缸的活塞杆分别与所述支撑杆4、第一导杆7和第二导杆20连接，通过第一、第二及第四驱动装置实现直线方向的驱动，通过所述第三驱动装置9实现旋转方向的驱动。
进一步地，在所述筒状主罐体1内壁不同高度处设置有第一超声波传感器28和第二超声波传感器29，且所述第二超声波传感器29与筒状主罐体1下盖板2的距离为l1，所述第一超声波传感器28与筒状主罐体1下盖板2的距离为l2，当所述第二盆式绝缘子16与所述第二电极12下端的下均压罩14接触时，所述第二盆式绝缘子16上缘到探头21下端部的距离为l3，所述第二盆式绝缘子16下缘到金属圆筒5上端面的距离为l4，所述l1小于等于l3，所述l2小于等于l3和l4之和，在测量过程中，设定当金属圆筒5的下端下降到与第二超声波传感器29水平位置一致时，第一驱动装置6停止运动，使支撑杆4停止下降运动，当第二盆式绝缘子16的上缘下降到与第一超声波传感器28水平位置一致时，第二驱动装置8停止运动，使第一导杆7停止下降运动。
采用上述一种小型化盆式绝缘子表面电荷三维测量装置对盆式绝缘子表面电荷进行测量的方法，具体步骤如下：
步骤一：将所述第二盆式绝缘子16内外表面由上至下划分为15个测量圆圈，并将每个测量圆圈按照角度划分为20个测量角度，得到300个测量点；
步骤二：检查所述筒状主罐体1的气密性，然后将第二盆式绝缘子16置于所述筒状主罐体1内部；
步骤三：向所述筒状主罐体1中充气，供入绝缘气体，至其内部达到所需压强后，停止充气；
步骤四：将所述电源19接通，对第二盆式绝缘子16两端施加电压，所述电压可以是直流、交流或者冲击电压，在所述第二盆式绝缘子16两端施加10～30分钟电压之后，关闭所述电源19，撤去第二盆式绝缘子16两端电压；
步骤五：如图2-图5所示，启动所述第一驱动装置6，带动所述支撑杆4向下运动，使所述第二盆式绝缘子16的外缘与所述金属圆筒5脱离，抑制电荷从低压侧消散，关闭所述第一驱动装置6；
步骤六：将所述第一导杆7与所述第二驱动装置8连接，启动所述第二驱动装置8，带动所述第一导杆7向下运动，使所述第二盆式绝缘子16与所述第二电极12脱离，抑制电荷从高压侧消散，关闭所述第二驱动装置8；
步骤七：将所述第二导杆20与所述第四驱动装置22连接，启动所述第四驱动装置22，带动所述第二导杆20朝向第二盆式绝缘子16运动，运动至所述第二盆式绝缘子16上方，使所述探头21与所述第二盆式绝缘子16对正，关闭所述第四驱动装置22，将所述第二导杆20与所述第五驱动装置36连接，启动所述第五驱动装置36，调整探头21垂直于所述第二盆式绝缘子16的内表面，关闭所述第五驱动装置36；
步骤八：将所述探头21置于所述第二盆式绝缘子16内表面的底部，将所述第一导杆7与所述第三驱动装置9连接，通过所述第三驱动装置9带动所述第二盆式绝缘子16旋转，对所述第二盆式绝缘子16开始逐圈进行测量，具体地，是在完成某一整圈测量后，将所述第一导杆7与所述第二驱动装置8连接，启动所述第二驱动装置8，带动所述第一导杆7向下运动，将所述第二导杆20与所述第五驱动装置36连接，启动所述第四驱动装置36，调整探头21垂直于所述第二盆式绝缘子16的内表面，关闭所述第四驱动装置22，将所述第一导杆7与所述第三驱动装置9连接，通过所述第三驱动装置9带动所述第二盆式绝缘子16旋转，对所述第二盆式绝缘子16的另一圈开始进行测量；
步骤九：在将所述第二盆式绝缘子16的内表面测量完毕之后，将装置所有部件复位，将所述第二盆式绝缘子16翻转180°，重复上述步骤二至步骤八，完成对所述第二盆式绝缘子16的外表面的测量；
步骤十：在完成测量之后，需重新对第二盆式绝缘子16内外表面进行处理，去除掉测量过程中在第二盆式绝缘子16内外表面积聚的电荷，以排除残余电荷对下次测量的影响。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。