阅读说明：本技术 一种基于静电探头的gil绝缘子表面电荷在线监测系统 (GIL insulator surface charge on-line monitoring system based on electrostatic probe ) 是由 汪沨 梁芳蔚 陈赦 钟理鹏 谭阳红 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于静电探头的GIL绝缘子表面电荷在线监测系统,包括静电探头,静电探头包括三个沿静电探头周向均匀分布有的扇环形紫铜电极,扇环形紫铜电极之间固定有扇环形的环氧绝缘体,环氧绝缘体与绝缘子固定连接；扇环形紫铜电极均连接有电阻分压臂,电阻分压臂电连接有运算放大器,运算放大器电连接有用于检测各扇环形紫铜电极的感应电势数据采集装置。本发明的静电探头预安装于GIL绝缘子地电极附近,通过数据采集系统实时存储探头感应电压,可实时监测表面电荷积聚情况；静电探头测量表面电荷为非接触式测量,不会破坏原有表面电荷分布,再次探头采用圆环设计,能有效降低探头对原有电场的畸变。(The invention discloses a GIL insulator surface charge online monitoring system based on an electrostatic probe, which comprises the electrostatic probe, wherein the electrostatic probe comprises three fan-shaped red copper electrodes uniformly distributed along the circumferential direction of the electrostatic probe, fan-shaped epoxy insulators are fixed between the fan-shaped red copper electrodes, and the epoxy insulators are fixedly connected with the insulators; the fan-shaped annular red copper electrodes are connected with resistance voltage dividing arms, the resistance voltage dividing arms are electrically connected with operational amplifiers, and the operational amplifiers are electrically connected with induction potential data acquisition devices for detecting the fan-shaped annular red copper electrodes. The electrostatic probe is pre-installed near a GIL insulator ground electrode, and the induced voltage of the probe is stored in real time through a data acquisition system, so that the surface charge accumulation condition can be monitored in real time; the electrostatic probe is used for measuring the surface charge in a non-contact mode, the original surface charge distribution cannot be damaged, and the probe is designed in a circular ring mode again, so that the distortion of the probe to an original electric field can be effectively reduced.)

一种基于静电探头的GIL绝缘子表面电荷在线监测系统

技术领域

本发明属于电学领域，特别涉及了一种基于静电探头的GIL绝缘子表面电荷在线监测系统。

背景技术

气体绝缘管道输电(gas-insulated transmission line,GIL)具有传输容量大、可靠性高、占地面积小和环境友好等优点，得到了研究人员的广泛关注。然而，目前投运的GIL基本以交流方式运行，尚未投运直流GIL。这主要是由于长期运行在直流电压下的GIL绝缘子表面容易积聚电荷，表面电荷的积聚会畸变原有电场，降低闪络电压。绝缘子表面电荷积聚是除金属微粒之外，制约直流GIL广泛应用的关键因素之一。因此，有必要研究绝缘子表面电荷积聚机理，降低闪络事故的发生。准确地测量绝缘子表面电荷分布，是研究其积聚机理的先决条件。

目前，电容式静电探头结构简单、成本低廉，是表面电荷较为理想的测量方法。电容式静电探头于1967年由Davies提出，探头结构如图1所示。其探头内部导体由于静电感应带有一定的电势，外部导体接地处理可屏蔽被测表面周围电荷的影响。内外导体之间采用较大的沿面泄漏距离，抑制感应电荷的沿面泄露。此外，通过运算放大器组成的电压跟随电路，实现感应电势的实时采集。由于运放具有较高的输入阻抗，能有效减小由运放本身造成的电荷泄漏，从而确保测量的准确性。测量的表面电势经反演算法(如：函数法)，计算表面电荷分布。

由于电容式静电探头的感应导体直径仅数毫米，探头具有较高的空间分辨率。为了实现整个绝缘子表面电势的测量，常采用多点测量方法。通过机械臂实时调整探头与绝缘子的位置(如：探头至绝缘子表面的距离，绝缘子旋转角度、垂直位置等)，保证测量的准确性。此外，运放的输出电压经示波器实时存储，用于后续的表面电荷反演计算。

但是电容式静电探头内部导体的感应电压采用运算放大器实时采集，而运放的电压输入量程往往较低(如：±20V)，远小于实际GIL绝缘子的运行电压。因此，电容式静电探头无法满足GIL绝缘子表面电荷的在线测量。此外，为了提高探头测量的空间分辨率，探头内部感应导体常采用圆柱形设计，探头的引入将畸变GIL内部初始的二维轴对称性电场。

发明内容

针对上述问题本发明公开了一种基于静电探头的GIL绝缘子表面电荷在线监测系统，本发明的静电探头预安装于GIL绝缘子地电极附近，通过数据采集系统实时存储探头感应电压，可实时监测表面电荷积聚情况；静电探头测量表面电荷为非接触式测量，不会破坏原有表面电荷分布，再次探头采用圆环设计，能有效降低探头对原有电场的畸变。圆环截面为圆形结构，可有效抑制电极表面的局部放电且可以根据实际GIL运行电压和绝缘子几何尺寸，优化设计静电探头特征参数，如：电极个数、环宽、弧长以及探头安装位置等。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于静电探头的GIL绝缘子表面电荷在线监测系统，包括静电探头5，静电探头5包括三个沿静电探头5周向均匀分布有的扇环形紫铜电极6，扇环形紫铜电极6之间固定有扇环形的环氧绝缘体7，环氧绝缘体7与接地外壳4固定连接；扇环形紫铜电极6通过导线均连接有电阻分压臂，电阻分压臂电连接有运算放大器，运算放大器电连接示波器。

进一步的改进，所述数据采集系统包括与扇环形紫铜电极6电连接的高压电阻，电阻分压臂电连接接地的低压电阻和运算放大器，运算放大器电连接示波器。

进一步的改进，所述扇环形紫铜电极6的弧宽为1mm，弧长为87mm，到绝缘子1表面的垂直距离为0.6mm；静电探头5距接地外壳4距离为0.4mm。

进一步的改进，所述绝缘子1安装在气体绝缘输电线路内；气体绝缘输电线路包括高压导体3和接地外壳4，绝缘子处于高压导体3和接地外壳4之间。

进一步的改进，所述高压电阻为电阻采用多级串联方式实现10¹⁵Ω数量级电阻的大电组。

进一步的改进，所述将扇环形紫铜电极6的个数、弧长、环宽、距绝缘子表面的垂直距离以及距接地外壳4的距离输入COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件，预测得到静电探头5电极6的感应电势的范围，根据静电探头5电极感应电势的范围，得到分压臂中低压电阻的阻值与表面电荷积聚的安全阈值。

进一步的改进，所述数据采集装置根据气体绝缘输电线路刚通电运行时的扇环形紫铜电极6的感应电势与气体绝缘输电线路正常输电时扇环形紫铜电极6的感应电势之间的差值，以实时监测绝缘子表面电荷积聚程度；以三个扇环形紫铜电极6的平均感应电势或最大的感应电势与安全阈值进行比较；当平均感应电势或最大的感应电势超过预设的安全阈值时示波器通过无线连接的报警器进行报警。

本发明的优点：

1)在线监测：电极感应电压通过分压臂降压处理，满足运放对电压输入量程的限制。此外，本发明静电探头预安装于GIL绝缘子地电极附近，通过数据采集系统实时存储探头感应电压，可实时监测表面电荷积聚情况。

2)无损检测：静电探头测量表面电荷为非接触式测量，不会破坏原有表面电荷分布。此外，探头采用圆环设计，能有效降低探头对原有电场的畸变。圆环截面为圆形结构，可有效抑制电极表面的局部放电。

3)设计灵活：根据实际GIL运行电压和绝缘子几何尺寸，优化设计静电探头特征参数，如：电极个数、环宽、弧长以及探头安装位置等。

4)结构简单：静电探头采用圆环设计，圆环截面为圆形结构。

5)成本低廉：制作工艺成熟，材料价格便宜。

附图说明

图1为现有的静电探头结构示意图；

图2本发明的静电探头结构示意图；

图3数据采集系统图；

图4为本发明的静电探头安装方式示意图；

图5为不同表面电荷积聚情况下的感应电势分布。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明其技术方案。

实施例1

本发明提供了一种新型的GIL绝缘子表面电荷在线监测系统，采用电容式静电探头，对绝缘子的表面电荷积聚程度进行在线监测。

由于金属电极在电场内存在静电感应现象，带有一定的电势。电势的大小正比于场源(如：电极电压、表面电荷以及空间电荷)的强度，反比于至场源的距离。对于直流GIL，运行电压稳定，空间电荷忽略不计的情况下，仅气固界面积聚的表面电荷是唯一变化的场源。因此，可以通过监测金属电极上感应电势的变化，判断GIL绝缘子表面电荷积聚程度。

本发明设计的静电探头如图2所示。其中，静电探头由三个对称分布的扇环形紫铜电极组成，电极之间通过环氧树脂有效绝缘。本发明静电探头整体成圆环结构，能有效减小探头安装对GIL二维轴对称电场的影响。此外，圆环横截面采用圆形设计，从而避免紫铜电极的局部放电。

由于实际的GIL运行电压较高，紫铜电极的感应电势将远大于运放的输入量程，有必要采用电阻分压臂降压处理。其中，分压臂由高压大电阻与低压小电阻组成。参照运算放大器的输入阻抗，大电阻采用多级串联方式实现10¹⁵Ω数量级，从而减小沿分压臂的电荷泄露。低压电阻上的电压采用运算放大器(如：AD549LH)组成电压跟随器实时采集，如图3所示。

由于GIL内部电场采用二维轴对称设计，三个紫铜电极的感应电压大致相等。但实际GIL内部存在绝缘缺陷(如气体-电极-绝缘子三联结点、绝缘子表面金属微粒以及高压导体表面金属突出物等)，运行过程中必然存在局部放电。局放产生的带电粒子沿电场线迁移至绝缘子表面，导致表面电荷积聚，将畸变原有电场分布。因此，紫铜电极的感应电势必然存在波动。根据GIL刚接通运行时刻与正常运行时紫铜电极(6)的感应电势之间的差值，可实时监测绝缘子表面电荷积聚程度。

为了实现绝缘子表面电荷在线监测，根据实际GIL运行电压和绝缘子几何尺寸，基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件，计算紫铜电极的个数、弧长、环宽、距绝缘子表面的垂直距离以及距接地外壳(4)的距离等特征参数，评估电极感应电势的范围，进一步确定分压臂中低压电阻的阻值与表面电荷积聚的安全阈值。然后，将设计的静电探头预安装于绝缘子地电极附近，配合分压臂、电压跟随电路与示波器组成的数据采集系统，实现GIL绝缘子表面电荷积聚的在线监测。

新的静电探头的安装示意图如图4所示。

其中，紫铜电极个数为3，弧宽为1mm，弧长为87mm。电极距地电极距离为0.4mm，到环氧绝缘子表面的垂直距离为0.6mm。其中，高压导体运行电压为100kV。有无表面电荷积聚情况下的电极感应电压如表1所示。

表1表面电势分布

由表1可知，当绝缘子表面积聚电荷，感应电压随之改变。因此，可以通过监测感应电压的波动判断绝缘子表面有无电荷积聚。

不同表面电荷积聚情况下的电极感应电压如图5所示。从图可知，感应电压随表面电荷线性变化。因此，感应电压的大小可以实时反应绝缘子表面电荷的积聚情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。