可模拟直流GIL内部温升的绝缘子表面电荷测量平台的制作方法

本发明属于高压直流固体绝缘材料表面电荷积聚测量技术领域，尤其涉及一种可模拟直流GIL内部温升的绝缘子表面电荷测量平台。

背景技术：

气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)具有传输容量大、损耗小、电容小、占地少、可靠性高、适用于恶劣环境的特点，在海拔落差大，地形、气象条件恶劣或者输电容量大的场合得到了广泛应用。但目前，实现商业运行的均为交流GIL，直流GIL却没能在实际工程中得到规模化应用。主要原因是在直流电压作用下，直流GIL中支撑绝缘子的表面电荷积聚严重，畸变了沿面电场分布，降低了绝缘子的耐受电压。特别是在直流高压设备电压极性反转时，所带来的的电场畸变影响尤为突出。

为抑制直流GIL绝缘子表面电荷积聚，提高直流GIL绝缘性能，首先需要掌握电荷积聚机理。20世纪80年代以来，各国学者从表面电荷分布特性入手展开了广泛的试验研究，并取得了一定的成果。目前，研究人员一致认为直流GIL绝缘子表面存在如下三种电荷积聚方式：(1)通过绝缘子内的体积电流积聚；(2)通过绝缘子表面电流积聚；(3)通过绝缘气体体积电流积聚。但这些研究存在的问题是：在实验测量中，均未考虑温度对电荷积聚的影响。实际上，直流输电系统中运行电流很大，输电通道会出现明显的发热现象。由于直流GIL绝缘子电荷积聚与绝缘材料电导特性关系密切，而材料特性又受温度影响很大，因此在恒定室温下开展直流GIL电荷积聚研究并不能获得真实的直流GIL电荷分布特性与积聚机理。

为了解决上述问题，有研究通过加热缠绕在直流GIL接地电极上的电阻丝来模拟直流GIL温升，开展了温度对直流GIL绝缘子沿面电场分布以及闪络特性影响的实验研究。但存在的问题是：实际运行中的GIL的热源位于中心导杆，温度分布是由中心导杆向接地外壳递减，而该试验平台的热源位于接地电极，其所模拟的直流GIL温度分布恰好与实际的相反，其测试结果并不能说明真实GIL在运行状态下的电荷积特性。由于在实验室研究中，受供电功率限制，无法对直流GIL中心导杆施加大电流以模拟温升，故目前尚未有实际温度分布情况下的直流GIL电荷积聚特性相关研究，从而无法为直流GIL绝缘优化设计提供正确的理论指导。因此急需发明一种可模拟直流GIL内部温升的绝缘子表面电荷测量试验平台。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种可模拟直流GIL内部温升的绝缘子表面电荷测量试验平台，其特征在于，该试验平台包括金属腔体1、直流GIL缩比试验装置、电荷测量装置、油循环加热装置及直流电源18；

所述金属腔体1为密封腔体，通过两个绝缘子2分隔为三个腔室，其中左侧腔室通过法兰3与外部套管4相连；右侧上方的腔室内安装有直流GIL缩比试验装置和电荷测量装置；右侧下方的腔室内安装有油循环加热装置；三个腔室上分别安装第一阀门20、第二阀门21和第三阀门22，各腔室上分别安装气压表；

所述直流GIL缩比试验装置包括试验绝缘子5、两个屏蔽罩6和两个中心电极7；试验绝缘子5为圆柱状，其中心安装有铜嵌件，试验绝缘子5通过法兰横置于上下两个屏蔽罩6之间，两个屏蔽罩6为圆柱形状；中心电极7下部为带螺纹圆柱，中部为圆柱状，顶部为球状；两个中心电极7分别通过螺纹安装于试验绝缘子5中心铜嵌件两侧；

所述电荷测量装置位于直流GIL缩比试验装置的上部，包括三轴导轨9的z轴竖直固定于金属腔体1的内壁上，静电容探头8安装于三轴导轨9上，电荷测量装置配合电机完成静电容探头8对试验绝缘子5表面电荷的测量；

所述油循环加热装置包括储油罐10、导热油、加热器23、热电偶、温度继电器、油泵11、两个绝缘导油管、第四阀门16、第五阀门17、密封法兰及导热金属杆13；其中储油罐10为圆柱状，固定安装于金属腔体1的右侧下方的腔室外的支架上，用于盛装和加热导热油；储油罐10中内置加热器23，储油罐10出口处安装热电偶和温度继电器，热电偶与温度继电器相连共同组成温度信号反馈系统，控制加热器23的开启和关闭，监测油温，保证储油罐内油温时刻处于预设的温度；储油罐10出口接第四阀门16后通过密封法兰接入金属腔体1的右侧下方的腔室中与第一绝缘导油管12的一端相连；两个绝缘导油管皆为圆柱状；导热金属杆13竖直放置在金属腔体1的右侧下方的腔室中，为中空结构，在两侧开有进油孔和出油孔，进油孔与出油孔在同一水平线上；第一绝缘导油管12的另一端密闭接入的导热金属杆13的进油孔，导热金属杆13内焊接一个长方形隔板；第二绝缘导油管15的一端与导热金属杆13出油孔相连，第二绝缘导油管15的另一端与金属腔体1内壁相连，经金属腔体1外部的密闭法兰和第五阀门17接入循环油泵11的进油孔；循环油泵11的出油孔与储油罐10的进油孔由镀锌管相连，以便于导热油的循环换热；直流GIL缩比试验装置的中心电极7与导热金属杆13间由铜电极14连接，将导热金属杆上的热量传递至直流GIL缩比试验装置中，达到模拟直流GIL内部温升的效果；

所述直流电源18通过法兰3和外部套管4与金属腔体1左侧腔室内的高压导杆19的一端连接，高压导杆19的另一端连接到导热金属杆13上，直流电源18施加高压直流电，因高压导杆19到导热金属杆13，再到铜电极14，故实现高压直流电施加到直流GIL缩比试验装置中心电极7上。

所述金属腔体1采用304不锈钢制成，腔体壁厚5mm，能耐受0.6Mpa的气压。

所述试验绝缘子5采用环氧树脂制成，高度为20mm，外径为122mm；所述铜嵌件外径32mm，内螺纹孔直径20mm。

所述屏蔽罩6采用304不锈钢制成，高度为75mm，外径为112mm。

所述中心电极7采用铝制成，其下部螺纹部分高度为10mm，外径20mm；中部圆柱状部分高度为50mm，外径为32mm，顶部球状部分直径为35mm；将中心电极顶部制成球状是为了避免尖端放电；上述屏蔽罩和中心电极尺寸保证该直流GIL缩比试验装置中电场不均匀系数为1.83。

所述储油罐10采用304不锈钢制成，直径为150mm，高度为200mm；6、根据权利要求1所述一种可模拟直流GIL内部温升的绝缘子表面电荷测量试验平台，其特征在于，所述加热器的加热功率为400W；所述导热油最高加热温度达200℃。

所述绝缘导油管采用聚四氟乙烯制成，外径40mm，壁厚10mm，高度190为mm。

所述导热金属杆13材质与高压导杆19一致，外径60mm，内径45mm，高度为350mm；所述长方形隔板的高度为320mm。

所述直流电源18为一台数字式直流电压发生器，最大输出电压200kV，长期稳定地提供纹波系数<0.3％的高压直流电。

有益效果

本发明利用金属良好的导热性，通过加热、循环导热油实现直流GIL缩比试验装置中心电极温度的升高，实现了直流GIL内部温升的模拟，设计易于实现，操作简单。基于本发明可开展不同温度分布情况下的绝缘子表面电荷积聚特性实验研究，为直流GIL的绝缘优化设计奠定基础。

附图说明

图1为本发明提供的一种可模拟直流GIL内部温升的绝缘子表面电荷测量试验平台示意图；

1-金属腔体；2-绝缘子；3-法兰；4-外部套管；5-试验绝缘子；6-屏蔽罩；7-中心电极；8-静电容探头；9-三轴导轨；10-储油罐；11-油泵；12-第一绝缘导油管；；13-导热金属杆；14-铜电极；15-第二绝缘导油管；16-第四阀门；17-第五阀门；18-直流电源；19-高压导杆；20-第一阀门；21-第二阀门；22-第三阀门；23-加热器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。图1为本发明提供的一种可模拟直流GIL内部温升的绝缘子表面电荷测量试验平台示意图；该试验平台包括金属腔体1、直流GIL缩比试验装置、电荷测量装置、油循环加热装置及直流电源18；

所述金属腔体1为密封腔体，通过两个绝缘子2分隔为三个腔室，其中左侧腔室通过法兰3与外部套管4相连；右侧上方的腔室内安装有直流GIL缩比试验装置和电荷测量装置；右侧下方的腔室内安装有油循环加热装置；各腔室上分别安装有第一阀门20、第二阀门21、第三阀门22和气压表；

所述直流GIL缩比试验装置包括试验绝缘子5、两个屏蔽罩6和两个中心电极7；试验绝缘子5为圆柱状，其中心安装有铜嵌件，试验绝缘子5通过法兰横置于上下两个屏蔽罩6之间，两个屏蔽罩6为圆柱形状；中心电极7下部为带螺纹圆柱，中部为圆柱状，顶部为球状；两个中心电极7分别通过螺纹安装于试验绝缘子5中心铜嵌件两侧；

所述电荷测量装置位于直流GIL缩比试验装置的上部，包括三轴导轨9的z轴竖直固定于金属腔体1的内壁上，静电容探头8安装于三轴导轨9上，电荷测量装置配合电机完成静电容探头8对试验绝缘子5表面电荷的测量；

所述油循环加热装置包括储油罐10、导热油、加热器23、热电偶、温度继电器、油泵11、两个绝缘导油管、第四阀门16、第五阀门17、密封法兰及导热金属杆13；其中储油罐10为圆柱状，固定安装于金属腔体1的右侧下方的腔室外的支架上，用于盛装和加热导热油；储油罐10中内置加热器23，储油罐10出口处安装热电偶和温度继电器，热电偶与温度继电器相连共同组成温度信号反馈系统，控制加热器23的开启和关闭，监测油温，保证储油罐内油温时刻处于预设的温度；储油罐10的顶部有密闭盖板，以避免导热油在加热时大量挥发；密闭盖板上开有出气孔，以释放储油罐10中因受热逸出的含油分子气体；出气孔外接一薄橡胶套，用于收集从小孔逸出的油分子，避免污染试验环境；储油罐10出口接第四阀门16后通过密封法兰接入金属腔体1的右侧下方的腔室中与第一绝缘导油管12的一端相连；两个绝缘导油管皆为圆柱状；导热金属杆13竖直放置在金属腔体1的右侧下方的腔室中，为中空结构，在两侧开有进油孔和出油孔，进油孔与出油孔在同一水平线上；第一绝缘导油管12的另一端密闭接入的导热金属杆13的进油孔，导热金属杆13内焊接一个长方形隔板，以便于导热油进入导热金属杆后先向上流动，到达顶部后再向下流动，从出油孔流出导热金属杆13，从而增大换热面积；第二绝缘导油管15的一端与导热金属杆13出油孔相连，第二绝缘导油管15的另一端与金属腔体1内壁相连，经金属腔体1外部的密闭法兰和第五阀门17接入循环油泵11的进油孔；循环油泵11的出油孔与储油罐10的进油孔由镀锌管相连，以便于导热油的循环换热；直流GIL缩比试验装置的中心电极7与导热金属杆13间由铜电极14连接，将导热金属杆上的热量传递至直流GIL缩比试验装置中，达到模拟直流GIL内部温升的效果；

所述直流电源18通过法兰3和外部套管4与金属腔体1左侧腔室内的高压导杆19的一端连接，将高压直流电安全引入金属腔体1内的高压导杆19上，高压导杆19的另一端连接到导热金属杆13上，直流电源18施加高压直流电，因高压导杆19到导热金属杆13，再到铜电极14，故实现高压直流电施加到直流GIL缩比试验装置中心电极7上。

所述直流电源18为一台数字式直流电压发生器，最大输出电压200kV，长期稳定地提供纹波系数<0.3％的高压直流电。

本发明所提供的试验平台具体操作步骤如下：

1、在不施加直流电压的条件下，将真空泵分别连于第一阀门20、第二阀门21、第三阀门22上，对三个腔室分别抽真空至真空度达-50Kpa。而后往腔室中分别充入0.45Mpa的SF6。

2、开启第四阀门16、第五阀门17，向储油罐10中添加导热油，至液面没过加热器后启动加热器23和油泵11，对导热油进行加热、循环，通过调节加热器23的功率和油泵11的档位能改变加热速度。

3、打开直流电源18，升高输出电压至+60kV，直至绝缘子表面电荷积聚饱和时间。

4、断开直流电源18。

5、启动三轴导轨9，带动静电容探头8靠近试验绝缘子5表面2mm处，对表面电荷密度进行测量，并记录、保存测量数据。

6、关闭加热器23和油泵11，并关闭第四阀门16和第五阀门17。