一种平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置及方法与流程

本发明涉及高压输电线路和绝缘技术领域，特别是涉及一种平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置及方法。

背景技术：

近年来，气体绝缘金属封闭输电线路(gasinsulatedtransmissionline,gil)以其不受环境因素影响、载流量高、可靠度高、输送容量大等优势，在我国特高压直流输电技术研究中得到了广泛关注。然而gis/gil设备在生产、装配、运输以及开关动作等过程中会不可避免地在设备内部产生金属颗粒，在均匀电场条件下，这些金属颗粒的自由运动能够急剧降低绝缘气体的绝缘水平，进而引发管道内的局部放电。金属颗粒如游离到绝缘子的表面，在某些条件下被固定下来时，表面局部电场将被集中，绝缘子表面的闪络电压将显著降低；因此金属颗粒引起的绝缘故障可以分为金属颗粒引起的绝缘气体介质击穿和金属颗粒附着在绝缘子表面形成的绝缘子沿面放电而导致的闪络。

金属微粒的运动行为是其影响gis/gil绝缘强度的主要方式，而微粒的运动特性与外施电压类型有密切联系。其中，直流gil内部的自由金属微粒在直流电场作用下会发生运动，从而导致电场局部畸变，进而引发气隙放电，显著降低gil的绝缘性能。研究发现由于线形微粒本身结构的不均匀性导致其在电场作用下自身电荷分布存在极性特点，因而线形微粒引起电场畸变的能力最强，因而其降低设备绝缘强度的作用也最大。国内外采用在高压电极或地电极表面覆绝缘膜的方法，以有效降低直流gil中金属微粒的活性。电极表面覆绝缘膜提高绝缘强度的作用主要体现在：①绝缘膜的高阻性可阻碍绝缘气体中的预放电发展，提高气隙击穿电压；②绝缘薄膜与金属微粒的相互作用可抑制库仑力作用，提高金属微粒的启举电压；③绝缘膜的低电荷传导特性可减小微粒碰撞荷电量，减弱局部放电。

现有技术中通过搭建平板电极结构平台来模拟试验工程gis/gil中均匀电场下正常运行时所存在的由于金属微粒运动所造成的绝缘事件。因此研究在均匀电场条件下，通过在高压电极以及地电极表面覆膜来评估对金属微粒运动的抑制程度是gis/gil中金属微粒无害化研究的重要内容。然而，目前对于平板电极下利用绝缘薄膜来抑制金属微粒运动活性的试验观测，只是在单一平面内的二维跳动观测，与实际情况中金属微粒在三维平面内的运动行为并不符合，缺少金属微粒三维运动形态的观测来更精确地分析绝缘薄膜对金属微粒运动的抑制程度，无实际参考价值。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置及方法，能够准确模拟gis/gil设备在实际运行时的均匀电场，能够对多种形态的金属微粒尤其是对闪络电压影响比较严重的线形金属微粒在不同气体环境以及不同电压形态下的三维运动形态进行观测，既能减少同步图像采集触发设备的投入从而节约成本、又能避免同步图像采集带来的测量误差，且图像处理速度较快、对图像处理设备性能要求较低、试验结果可靠性高。

本发明的技术方案为：

一种平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置，其特征在于：包括试验组件和拍摄组件；

所述试验组件包括封闭透明腔体、四根支撑杆、上平板电极、下平板电极、上绝缘板、下绝缘板、第一连接导杆、第二连接导杆、绝缘薄膜、金属微粒；

所述封闭透明腔体上设有充气阀；所述上平板电极通过绝缘螺栓固定在上绝缘板的下表面，所述下平板电极通过绝缘螺栓固定在下绝缘板的上表面，所述上绝缘板、下绝缘板均由所述四根支撑杆贯穿固定于整个封闭透明腔体内部；

所述上绝缘板、下绝缘板在中心处均开设有通孔，所述上平板电极为高压电极，所述第一连接导杆的一端插入上绝缘板的通孔并与上平板电极接触、另一端穿出封闭透明腔体的上部后依次连接有保护电阻、高压电源；所述下平板电极为地电极，所述第二连接导杆的一端插入下绝缘板的通孔并与下平板电极接触、另一端穿出封闭透明腔体的下部后接地；所述高压电源接地后与所述试验组件、保护电阻形成试验回路；

所述绝缘薄膜覆着于下平板电极的上表面，所述金属微粒放置在所述绝缘薄膜的上表面；

所述拍摄组件包括高速摄像机和直角棱镜组；所述高速摄像机连接有计算机，所述高速摄像机正对封闭透明腔体的前面，所述高速摄像机的焦点对正金属微粒；所述直角棱镜组包括三块直角棱镜，第一块直角棱镜正对封闭透明腔体的侧面，第二块直角棱镜位于第一块直角棱镜的出射光路上，第三块直角棱镜位于第二块直角棱镜的出射光路上；所述金属微粒、第三块直角棱镜的出射光均位于高速摄像机的拍摄范围内。

所述封闭透明腔体采用pmma透明材质，所述充气阀可连接外部气体设备。

所述支撑杆与封闭透明腔体、上绝缘板、下绝缘板均采用螺纹连接。

所述上平板电极、下平板电极、第一连接导杆、第二连接导杆均采用铝合金材质，所述上绝缘板、下绝缘板、支撑杆均采用环氧树脂材质，所述绝缘薄膜采用聚酰亚胺或聚乙烯或聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯材质。

所述高压电源的电压类型为直流电压或交流电压或冲击电压，所述高压电源的电压大小可调。

所述金属微粒在表面分两部分并在这两部分分别涂覆不同颜色的导电漆。

所述高速摄像机采用广角镜头，所述直角棱镜的斜面采用镀光学金属膜。

一种使用所述平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置进行金属微粒运动观测的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将所述金属微粒、上平板电极、下平板电极、绝缘薄膜均用无水乙醇擦拭并置于60℃干燥箱中干燥后，组装所述平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置，在所述绝缘薄膜上放置金属微粒；

步骤2：检查所述平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置的各部分是否完好，并检查封闭透明腔体的气密性是否良好；

步骤3：将充气阀与抽真空装置连接，打开充气阀后对封闭透明腔体抽真空，然后关闭充气阀，再将充气阀与外部气体设备连接，再次打开充气阀后向封闭透明腔体内充入绝缘气体至需要的压强，关闭充气阀，并检查试验回路是否连接良好；

步骤4：启动高速摄像机，接通高压电源并以0.25kv/s的速率逐渐增加电压至金属微粒启举后，保持电压恒定；入射光通过第一块直角棱镜后反射到第二块直角棱镜上，然后通过第二块直角棱镜反射到第三块直角棱镜上，第三块直角棱镜的反射光将金属微粒的侧视图图像转向至高速摄像机的屏幕范围内，高速摄像机对金属微粒的正视图图像与侧视图图像进行实时捕获并将捕获到的图像传递给计算机，当观测到金属微粒的周期性运动后，关闭高速摄像机、断开高压电源；

步骤5：通过计算机对高速摄像机捕获的侧视图图像进行超分辨率图像重建，然后对高速摄像机捕获的多个正视图图像和经过超分辨率图像重建后的多个侧视图图像进行三维处理，建立x轴、y轴和z轴构成的坐标系，x-z面为正视图、y-z面为侧视图，最终获得平板电极覆膜条件下金属微粒的三维运动轨迹。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的封闭透明腔体采用透明材质、上平板电极通过第一连接导杆依次连接保护电阻和高压电源从而构成高压电极、下平板电极在上表面覆着绝缘薄膜并通过第二连接导杆接地后形成地电极，能够准确模拟gis/gil设备在实际运行时的均匀电场，能够更好地对金属微粒的三维运动形态进行全方位观测。

(2)本发明通过在地电极表面覆绝缘薄膜来抑制金属微粒的运动活性，通过直角棱镜组和高速摄像机的配合以及对观测图像的后处理来分析绝缘薄膜对金属微粒运动的抑制程度；其中，绝缘薄膜可以有多种，如聚酰亚胺、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，从而能够对不同绝缘薄膜对金属微粒运动的抑制程度进行分析。

(3)本发明的充气阀通过连接外部气体设备向封闭腔体内充入绝缘气体，本发明能够在多种气体如sf6、cf4、n2以及环保气体等环境下工作。

(4)本发明能够通过高压电源来控制上平板电极电压的大小及形态，电压的形态可以是多种，如交流电压、直流电压、冲击电压等，从而能够观测到多种电压形态下金属微粒的运动。

(5)本发明能够更好地观测对闪络电压影响比较严重的线形金属微粒，还能够对球形金属微粒和片形金属微粒的三维运动进行观测，从而适用范围广。

(6)本发明将金属微粒在表面分两部分并在这两部分分别涂覆不同颜色的导电漆，不同的颜色可以是色差较大的红色和蓝色，能够较好地反应金属微粒在水平面及垂直面的转动情况，保证图像处理时可以识别金属微粒的转动特性。

(7)本发明采用一台高速摄像机和直角棱镜组的配合进行金属微粒运动的三维观测，不仅减少了使用高速摄像机的数量从而节约了成本，而且避免了两个方向图像信号采集的同步问题，从而既减少了同步图像采集触发设备的投入又避免了对应带来的测量误差。

(8)本发明的高速摄像机采用广角镜头，能够捕获大范围图像；本发明的直角棱镜的斜面采用镀光学金属膜，能够防止其他杂光入射到直角棱镜中从而导致混乱成像并进一步影响摄像机采取的图像的质量。

(9)本发明能够观测到金属微粒的方向及位置，且图像处理时间较快，对图像处理设备性能要求较低。

附图说明

图1为本发明平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置的试验回路示意图。

图2为本发明平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置的结构示意图。

图3为本发明平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置的拍摄原理示意图。

图4为本发明平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置的高速摄像机所捕获到的图像示意图。

图中，1－平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置，2－保护电阻，3－高压电源，4－第一连接导杆，5－充气阀，6－封闭透明腔体，7-1－上绝缘板，7-2－下绝缘板，8-1－上平板电极，8-2－下平板电极，9－第二连接导杆，10－绝缘薄膜，11－金属微粒，12－支撑杆，13－直角棱镜组，14－高速摄像机。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

如图1、图2所示，分别为本发明平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置的试验回路示意图、结构示意图。本发明的平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置，其特征在于：包括试验组件和拍摄组件；

所述试验组件包括封闭透明腔体6、四根支撑杆12、上平板电极8-1、下平板电极8-2、上绝缘板7-1、下绝缘板7-2、第一连接导杆4、第二连接导杆9、绝缘薄膜10、金属微粒11；

所述封闭透明腔体6上设有充气阀5；所述上平板电极8-1通过绝缘螺栓固定在上绝缘板7-1的下表面，所述下平板电极8-2通过绝缘螺栓固定在下绝缘板7-2的上表面，所述上绝缘板7-1、下绝缘板7-2均由所述四根支撑杆12贯穿固定于整个封闭透明腔体6内部；

所述上绝缘板7-1、下绝缘板7-2在中心处均开设有通孔，所述上平板电极8-1为高压电极，所述第一连接导杆4的一端插入上绝缘板7-1的通孔并与上平板电极8-1接触、另一端穿出封闭透明腔体6的上部后依次连接有保护电阻2、高压电源3；所述下平板电极8-2为地电极，所述第二连接导杆9的一端插入下绝缘板7-2的通孔并与下平板电极8-2接触、另一端穿出封闭透明腔体6的下部后接地；所述高压电源3接地后与所述试验组件、保护电阻2形成试验回路；

所述绝缘薄膜10覆着于下平板电极8-2的上表面，所述金属微粒11放置在所述绝缘薄膜10的上表面；

所述拍摄组件包括高速摄像机14和直角棱镜组13；所述高速摄像机14连接有计算机，所述高速摄像机14正对封闭透明腔体6的前面，所述高速摄像机14的焦点对正金属微粒11；所述直角棱镜组13包括三块直角棱镜，第一块直角棱镜正对封闭透明腔体6的侧面，第二块直角棱镜位于第一块直角棱镜的出射光路上，第三块直角棱镜位于第二块直角棱镜的出射光路上；所述金属微粒11、第三块直角棱镜的出射光均位于高速摄像机14的拍摄范围内。

所述封闭透明腔体6采用pmma透明材质，所述充气阀5可连接外部气体设备。

所述支撑杆12与封闭透明腔体6、上绝缘板7-1、下绝缘板7-2均采用螺纹连接。

所述上平板电极8-1、下平板电极8-2、第一连接导杆4、第二连接导杆9均采用铝合金材质，所述上绝缘板7-1、下绝缘板7-2、支撑杆12均采用环氧树脂材质，所述绝缘薄膜10采用聚酰亚胺或聚乙烯或聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯材质。

所述高压电源3的电压类型为直流电压或交流电压或冲击电压，所述高压电源3的电压大小可调。

所述金属微粒11在表面分两部分并在这两部分分别涂覆不同颜色的导电漆。

所述高速摄像机14采用广角镜头，所述直角棱镜的斜面采用镀光学金属膜。

如图3所示，为本发明平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置的拍摄原理示意图。

本发明的使用所述平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置进行金属微粒运动观测的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将所述金属微粒11、上平板电极8-1、下平板电极8-2、绝缘薄膜10均用无水乙醇擦拭并置于60℃干燥箱中干燥后，组装所述平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置1，在所述绝缘薄膜10上放置金属微粒11；

步骤2：检查所述平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置1的各部分是否完好，并检查封闭透明腔体6的气密性是否良好；

步骤3：将充气阀5与抽真空装置连接，打开充气阀5后对封闭透明腔体6抽真空，然后关闭充气阀5，再将充气阀5与外部气体设备连接，再次打开充气阀5后向封闭透明腔体6内充入绝缘气体至需要的压强，关闭充气阀5，并检查试验回路是否连接良好；

步骤4：启动高速摄像机14，接通高压电源3并以0.25kv/s的速率逐渐增加电压至金属微粒11启举后，保持电压恒定；入射光通过第一块直角棱镜后反射到第二块直角棱镜上，然后通过第二块直角棱镜反射到第三块直角棱镜上，第三块直角棱镜的反射光将金属微粒11的侧视图图像转向至高速摄像机14的屏幕范围内，高速摄像机14对金属微粒11的正视图图像与侧视图图像进行实时捕获并将捕获到的图像传递给计算机，当观测到金属微粒11的周期性运动后，关闭高速摄像机14、断开高压电源3；

步骤5：通过计算机对高速摄像机14捕获的侧视图图像进行超分辨率图像重建，然后对高速摄像机捕获的多个正视图图像和经过超分辨率图像重建后的多个侧视图图像进行三维处理，建立x轴、y轴和z轴构成的坐标系，x-z面为正视图、y-z面为侧视图，最终获得平板电极覆膜条件下金属微粒11的三维运动轨迹。

本实施例中，金属微粒11的类型为线形金属微粒，金属微粒11在表面上涂覆的不同颜色的导电漆分别为蓝色和红色。其中，蓝色和红色的色差较大，有利于识别金属微粒的转动特性。本实施例中，绝缘薄膜10采用聚酰亚胺材质，高压电源3的电压类型为直流电压，向封闭透明腔体6内充入的绝缘气体为sf6，光线在三块直角棱镜上的反射角均为45度。

如图4所示，为本发明的平板电极覆膜条件下金属微粒运动观测装置的高速摄像机所捕获到的图像示意图。其中，图4的左半部分为采集的正视图图像a、右半部分为经直角棱镜组反射后采集的模糊的侧视图图像b；在步骤5中，对侧视图图像b进行超分辨率图像重建后，对高速摄像机14捕获的多个正视图图像a和经过超分辨率图像重建后的多个侧视图图像b进行三维处理，建立x轴、y轴和z轴构成的坐标系，x-z面为正视图、y-z面为侧视图，最终获得平板电极覆膜条件下金属微粒11的三维运动轨迹。

显然，上述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。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。