CN103954850B - 一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是解决高压SF₆环境下，复杂形状的绝缘子等部件的表面电荷难以测量的难题，公开一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统和测量方法。该系统主要包括主壳体、侧向壳体、上平行板电极、下平行板电极、静电测量探头和高速高压静电电位计。本发明提出的表面电荷测量装置，利用多功能运动控制器和步进电机等设备，可以同时实现静电测量探头和绝缘子的一种转动和一种平动，保证静电测量探头可以逐步扫描测量到待测绝缘子表面的每一个部位。

Description

一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统和测量方法

技术领域

本发明属于高电压设备与电子技术领域，具体涉及一种应用于高压SF₆环境下的运动控制机构外置的表面电荷测量系统和使用方法。

背景技术

随着我国电力系统电压等级的不断提高，气体绝缘设备得到了较为广泛的应用，如气体绝缘封闭开关设备(GIS)，气体绝缘变压器(GIT)以及气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)，三者多以SF₆作为主要绝缘介质。与传统敞开式配电装置相比，气体绝缘设备具有体积小、占地面积少、不受外界环境影响、绝缘强度高、可听噪音低、无火灾危险、检修周期长和维护量少等优势，是高可靠性、高安全性、低维护、甚至免维护的象征。我国幅员辽阔，能源储备和电力负荷的分布极不均衡，急需能源和电力的跨区域大规模流动，而直流输电方式是目前世界上实现大容量、高电压、远距离输电中最为经济的手段之一。高压直流的快速发展已经成为我国电网发展的重要趋势，气体绝缘设备在高压直流中的应用需求也日益扩大。但是不同于在交流系统中的应用，气体绝缘设备应用在直流系统中仍然存在一些亟待解决的问题。

在交流系统中，气体绝缘设备绝缘子沿面闪络是设备最常见的故障。引起气体绝缘设备绝缘子沿面闪络的原因很多，其中大多数可以通过设备制造、安装工艺的改善得以很大程度上的减小，甚至最终消除，但是由绝缘子表面电荷聚积引起的沿面闪络却很难在设备的设计、制造环节上进行消除。在气体绝缘设备运行期间，其内部绝缘子会因长期高电压的作用而在表面聚积大量的电荷，这些电荷会畸变绝缘子沿面原有的电场分布，导致绝缘子沿面闪络电压的下降。然而，此类现象在直流系统中，不但没有得到改善反而更加严重，成为了阻碍气体绝缘设备在高压直流系统中应用的关键问题。

目前国内外针对绝缘子表面电荷聚积现象的研究，多数还停留在：利用简化的绝缘子模型进行大量的表面电荷聚积实验，然后借助相关理论或假说解释其中的实验现象。在国内外学者所进行的大量实验中，仍然存在许多不足：(1)绝缘子模型多采用便于测量的薄片圆柱形，实验多在低压大气中进行，而这些与气体绝缘设备内部实际的绝缘情况严重不符；(2)在高压SF₆环境下进行的为数不多的绝缘子表面电荷聚积实验中，国内外学者多将电荷测量装置安装在实验罐体内部，这大大的增长了实验罐体所需的尺寸，耗费了大量的气体，增加了每次实验的成本；(3)表面电荷测量系统只能扫描测量特定形状的绝缘子模型，不便于开展大量的实验研究。为了深入地研究绝缘子表面电荷聚集现象，缩短直流气体绝缘设备的研制周期，促进直流绝缘子的实用化，很有必要对现有的表面电荷测量系统进行多方面的改进，使其能够在高压SF₆环境下更加安全、更加经济地对绝缘子表面电荷进行测量。

发明内容

本发明的目的是解决高压SF₆环境下，复杂形状的绝缘子等部件的表面电荷难以测量的难题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统，主要包括主壳体、侧向壳体、上平行板电极、下平行板电极、静电测量探头和高速高压静电电位计。

所述主壳体是上、下端均敞口的中空圆柱筒，所述侧向壳体是一端敞口、另一端封闭的中空圆柱筒。所述侧向壳体的敞口端连接在主壳体的筒壁上。所述主壳体的筒壁开有通孔，所述侧向壳体的敞口端与所述主壳体筒壁上的通孔连通。

所述主壳体的上端敞口通过上盖板密封。所述上盖板嵌入高压套管。所述高压套管是一个上下端均封闭的中空的圆柱筒，其筒体上开有上进出气口。所述高压套管的上、下端开有供高压导电杆穿过的通孔。所述高压导电杆上端连接高压电源、下端穿过高压套管进入所述主壳体的内腔。所述上平行板电极位于主壳体的内腔之中。上平行板电极的下表面水平、上表面与所述高压导电杆的下端连接连接。

所述主壳体的下端敞口通过下盖板密封。所述下盖板上开有下进出气口。

所述下盖板上开有供纵向旋转轴穿过的通孔、供第一纵向光杆穿过的通孔和供第二纵向光杆穿过的通孔。

所述纵向旋转轴、第一纵向光杆和第二纵向光杆均垂直于水平面，纵向旋转轴位于第一纵向光杆和第二纵向光杆之间。所述第三步进电机、第四步进电机和第五步进电机安装在所述下盖板的下方。

所述下平行板电极位于主壳体的内腔之中，且位于所述上平行板电极的下方。被测试件位于所述下平行板电极的上表面与上平行板电极的下表面之间。所述下平行板电极接地。

所述下平行板电极具有贯穿其上下表面的通孔。所述纵向旋转轴的上端先穿过下盖板并伸入到主壳体的内腔之中，再穿过所述下平行板电极上的通孔后，与所述被测试件的下端固定连接。所述纵向旋转轴的下端与第五步进电机的转轴连接，通过第五步进电机带动所述纵向旋转轴及其所述被测试件旋转。所述第五步进电机和纵向旋转轴，及连接在纵向旋转轴上端的被测试件，由第六步进电机带动升降。

所述第一纵向光杆和第二纵向光杆的上端穿过下盖板并伸入到主壳体的内腔之中后，固定连接在所述下平行板电极的下表面。所述第一纵向光杆由第三步进电机带动升降。所述第二纵向光杆由第四步进电机带动升降。

所述静电测量探头位于侧向壳体的内腔之中。所述静电测量探头通过信号传输线与高速高压静电电位计连接。通过第一步进电机控制静电测量探头与水平面的夹角。通过第二步进电机控制静电测量探头与所述被测试件之间的距离。所述第一步进电机和第二步进电机安装在侧向壳体的外部。

进一步，所述高压套管的上端位于所述上盖板的上方，所述高压套管的下端伸入主壳体的内腔之中。所述高压套管的上、下端开有供高压导电杆穿过的通孔。所述高压套管上、下端的通孔中分别嵌入第一静密封座圈和第二静密封座圈。所述高压导电杆的下端先穿过第一静密封座圈、再穿过第二静密封座圈后，伸入到所述主壳体的内腔之中。

进一步，还包括一个位于侧向壳体内腔中的转轴固定架。

所述第二步进电机驱动横向滑块在水平方向上运动。所述横向滑块连接横向光杆的一端。所述横向光杆的另一端穿入侧向壳体中后，与转轴固定架连接。

所述第一步进电机固定在所述横向滑块上。所述第一步进电机的转轴连接横向旋转轴的一端。所述横向旋转轴的另一端穿入侧向壳体中后，连接主动圆锥齿轮。所述横向光杆和横向旋转轴均平行于侧向壳体的轴向。

所述转轴固定架上安装齿轮转轴。所述齿轮转轴垂直于所述横向旋转轴。所述齿轮转轴上安装有与所述主动圆锥齿轮相啮合的从动圆锥齿轮。所述齿轮转轴的一端固定连接所述静电测量探头。

进一步，所述第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、第四步进电机和第五步进电机均通过多功能运动控制器控制。

本发明还提供一种采用1～4上述系统测量绝缘子表面电荷的方法，包括以下步骤：

1〕将作为被测试件的绝缘子固定在所述纵向旋转轴的上端。

安装好所述高压套管、主壳体和侧向壳体。检查所述高压套管、主壳体和侧向壳体的气密性。通过上进出气口向所述高压套管内充入气体。通过下进出气口向所述主壳体和侧向壳体内充入气体。

2〕通过调节各个步进电机，使得绝缘子上端与上平行板电极接触、下端与所述下平行板电极接触。

3〕对绝缘子两端施加电压。经过时间t后，撤去绝缘子两端的电压，通过调节各个步进电机，使上平行板电极和下平行板电极与被测绝缘子分离。之后，所述上平行板电极和下平行板电极均接地。

4〕通过第二步进电机将所述静电测量探头推入到主壳体中。

5〕通过所述纵向旋转轴带动绝缘子旋转。所述静电测量探头测量绝缘子表面静电荷密度分布。

进一步，步骤4〕中，通过第二步进电机带动静电测量探头进入主壳体内部，并慢慢接近待测绝缘子侧面到一定的距离。通过第六步进电机带动绝缘子的升降，使静电测量探头到达绝缘子侧面的上边缘位置，即起始测量位置。通过第一步进电机调整静电测量探头的测量角度，使其与绝缘子表面垂直，并保持一定的距离。

进一步，步骤5〕中，根据被测绝缘子侧面的曲线方程和所需的测量圈数，计算出静电测量探头和绝缘子的运动轨迹，并在多功能运动控制器上编写相关的运动程序，用于控制步进电机完成整个测量动作。

通过第五步进电机带动所述绝缘子旋转，并利用静电测量探头完成对绝缘子侧面一圈的扫描测量。

本发明采用上述技术方案，主要有以下效果：

1、本发明公开的运动控制机构外置的表面电荷测量系统，将主要运动控制机构置于实验罐体的外部，利用外置的多功能运动控制器和步进电机等设备控制位于实验罐体内部的静电测量探头对绝缘子表面电荷进行扫描测量。这极大地减小了实验罐体的尺寸，减少了实验所需的SF₆量，降低了每次实验的成本，同时增大了实验高压回路和电荷测量低压回路的安全距离。

2、本发明提出的表面电荷测量装置，利用多功能运动控制器和步进电机等设备，可以同时实现静电测量探头和绝缘子的一种转动和一种平动，保证静电测量探头可以逐步扫描测量到待测绝缘子表面的每一个部位。

3、可以由待测绝缘子的外形曲线方程和所要求的测量圈数在多功能运动控制器上编写相关运动控制程序，并按照预设程序控制测量探头对绝缘子表面电荷进行测量，使本发明装置适用于各种外形规则的绝缘子的测量。

4、本发明的测量装置中，利用多功能运动控制器通过多台步进电机对测量探头和绝缘子进行控制，控制精度达0.1mm左右，保障了测量结果的高空间分辨率。

5、本发明装置的主壳体均采用有机玻璃材料，同时将高压导电杆封装在有机玻璃制成的高压套管中，充以高气压的SF₆进行填充，这极大地抑制了高压导电杆及高压接线点处悬浮电位放电对实验结果的影响。

6、本发明测量装置的传动部分多采用双层O型密封圈进行动态密封，保证了实验罐体良好的密封性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为静电测量探头驱动部分的示意图；

图3为被测试件驱动部分的示意图。

图中：高压套管1、上进出气口2、第一静密封座圈3、高压导电杆4、上盖板5、第二静密封座圈6、上平行板电极7、主壳体8、侧向壳体9、下盖板10、第一动密封座圈11、横向旋转轴12、第一减速器13、第一步进电机14、横向滑块15、第二步进电机16、横向滚珠丝杆17、横向导轨18、横向光杆19、静电测量探头20、底部支架21、信号传输线22、第三静密封座圈23、绝缘子24、下平行板电极25、纵向旋转轴26、第一纵向光杆27、第二纵向光杆28、底座29、下进出气口30、第一角座31、第二动密封座圈32、第三动密封座圈33、第四动密封座圈34、第二角座35、第一纵向滑轨36、第二纵向滑轨37、第一纵向滑块38、第二纵向滑块39、第一纵向滚珠丝杆40、第二纵向滚珠丝杆41、第三步进电机42、第四步进电机43、第五步进电机44、第二减速器45、多功能运动控制器46、高速高压静电电位计47、交流电源模块48、直流电源模块49、转轴固定架50、主动圆锥齿轮51、从动圆锥齿轮52、齿轮转轴53、探头架54、第三角座55、第六步进电机56、第三纵向滚珠丝杆57、第三纵向滑轨58、第三纵向滑块59。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统，其特征在于：主要包括主壳体8、侧向壳体9、上平行板电极7、下平行板电极25、静电测量探头20和高速高压静电电位计47。

所述主壳体8是上下端均敞口的中空圆柱筒，其具有一个中空的内腔。所述侧向壳体9是一端敞口、另一端封闭的中空圆柱筒，其同样具有一个中空的内腔。

所述主壳体8的轴向垂直于水平面，所述侧向壳体9轴向平行于水平面。所述侧向壳体9的敞口端连接在主壳体8的筒壁上。所述主壳体8的筒壁开有通孔，所述侧向壳体9的敞口端与所述主壳体8筒壁上的通孔连通。即上述侧向壳体9罩在主壳体8侧壁上的开口，其结合处具有气密性，使得侧向壳体9的内腔与主壳体8的内腔连通。实施例中，所述主壳体8的形状为圆筒形，外径300mm，厚度5mm，高度500mm，材料采用透明效果良好的有机玻璃，便于观察内部的实验情况。所述侧向壳体9为圆筒形有机玻璃，外径150mm，厚度5mm，长度100mm，横向放置并利用有机玻璃粘连工艺与主壳体8侧边紧密贴合在一起，二者的内部连通，气密性良好。所述主壳体8和侧向壳体9共同构成实验罐体。所述实验罐体机构内部能够承受-0.2～+0.4MPa的气压。

所述主壳体8的上端敞口通过上盖板5密封。所述上盖板5嵌入高压套管1。所述高压套管1是一个上下端均封闭的中空的圆柱筒，其筒体上开有上进出气口2。所述高压套管1的上、下端开有供高压导电杆4穿过的通孔。所述高压导电杆4上端连接高压电源、下端穿过高压套管1进入所述主壳体8的内腔。所述上平行板电极7位于主壳体8的内腔之中。优选地，所述上盖板5中心位置处嵌入所述高压套管1，通过有机玻璃粘连工艺进行紧密粘合，保证高压套管1的外壁与上盖板5的接触处具有很好的气密性。所述高压套管1为圆柱形有机玻璃，中心位置嵌入所述高压导电杆4，高压导电杆4和高压套管1接触处采用第一静密封座圈3和所述第一静密封座圈6进行密封，以保证高压导电杆4穿过高压套管1后，不影响高压套管1的密封性。所述第一静密封座圈3和所述第一静密封座圈6内部可以采用单层O型密封圈技术，使高压套管1能够承受3-4个大气压的高压而不泄漏，所述高压套管1外径100mm，厚度5mm，高度1000mm，实验时，其内部冲入一定压力的SF₆气体等绝缘气体，进一步防止高压导电杆4与上盖板5螺栓之间的悬浮电位放电。所述上进出气口2位于高压套管1的上端面，用于高压套管1内部的换取气，所述下进出气口30位于实验罐体的底部，穿过上盖板5和底座29，用于实验罐体内部的换取气。

上平行板电极7的下表面水平、上表面与所述高压导电杆4的下端连接连接。实施例中，所述高压导电杆4为一长度为1300mm，直径为7mm的圆柱形黄铜导电杆。所述上平行板电极7采用黄铜制成，厚度11mm，直径100mm，在所述上平行板电极7上表面的中心位置设置有深度为5mm，直径为6.5mm的圆柱形螺孔，用于实现上平行板电极7上表面与高压导电杆4下端之间的连接。

所述主壳体8的下端敞口通过下盖板10密封。所述下盖板10上开有下进出气口30。实施例中，所述上盖板5外径300mm，厚度5mm，材料为有机玻璃。所述下盖板10外形尺寸和材料与上盖板5一样。上盖板5、下盖板10和主壳体8连接处具有气密性。实施例中，是通过螺栓实现上、下盖板10与主壳体8的紧固，所述螺孔直径为8mm，通过常用的镶嵌方式或静密封技术来保证接触部位的气密性。进一步，还包括一个不锈钢材料制成底座29，其外径450mm，厚度8mm，放置在整个实验装置的底部，并通过螺栓与主壳体8和下盖板10紧密相连，起着支撑和接地的作用。

所述下平行板电极25位于主壳体8的内腔之中，且位于所述上平行板电极7的下方。被测试件位于所述下平行板电极25的上表面与上平行板电极7的下表面之间。所述下平行板电极25连接高压电源。实施例中，所述下平行板电极25厚度为11mm，直径为100mm，材料为黄铜，在所述下平行板电极25中心处有一直径8mm的通孔，以便于所述纵向旋转轴26的通过。所述被测试件是绝缘子24，其是由无填充材料的环氧树脂制成，形状为圆台型，上端面直径55mm，下端面直径80mm，高度50mm，在所述绝缘子24下端面中心位置处设有一深度5mm，直径6.5mm的螺孔，用于和纵向旋转轴26连接，所述纵向旋转轴26材料为黄铜，直径6mm，长度300mm，用于带动绝缘子24做旋转和纵向运动。在所述下平行板电极25的外径边缘处有两个深度5mm，直径6.5mm的螺孔，用于连接所述第一纵向光杆27和所述第二纵向光杆28，所述第一纵向光杆27和所述第二纵向光杆28均采用黄铜制成，直径6mm，长度300mm，用于支撑和带动下平行板电极25。

实施例中，所述下盖板10上开有供纵向旋转轴26穿过的通孔、供第一纵向光杆27穿过的通孔和供第二纵向光杆28穿过的通孔。这些通孔与杆体的接触部位具有气密性。

所述纵向旋转轴26、第一纵向光杆27和第二纵向光杆28均垂直于水平面，纵向旋转轴26位于第一纵向光杆27和第二纵向光杆28之间。所述第三步进电机42、第四步进电机43和第五步进电机44安装在所述下盖板10的下方。这样就使得各个步进电机位于主壳体8外部，提高了整个实验装置的安全性。

所述下平行板电极25位于主壳体8的内腔之中，且位于所述上平行板电极7的下方。被测试件位于所述下平行板电极25的上表面与上平行板电极7的下表面之间。实验时，所述下平行板电极25接地，即所述纵向旋转轴26、第一纵向光杆27和/或第二纵向光杆28连接接地线。

所述下平行板电极25具有贯穿其上下表面的通孔。所述纵向旋转轴26的上端先穿过下盖板10并伸入到主壳体8的内腔之中，再穿过所述下平行板电极25上的通孔后，与所述被测试件的下端固定连接。所述纵向旋转轴26的下端与第五步进电机44的转轴连接，通过第五步进电机44带动所述纵向旋转轴26及其所述被测试件旋转。所述第五步进电机44和纵向旋转轴26，及连接在纵向旋转轴26上端的被测试件，由第六步进电机56带动升降。

所述第一纵向光杆27和第二纵向光杆28的上端穿过下盖板10并伸入到主壳体8的内腔之中后，固定连接在所述下平行板电极25的下表面。所述第一纵向光杆27由第三步进电机42带动升降。所述第二纵向光杆28由第四步进电机43带动升降。实施例中，第一纵向光杆27的下端连接第一纵向滑块38，所述第一纵向滑块38通过第三步进电机42推动或拉动，使其发生纵向位移。所述第二纵向光杆28的下端连接第二纵向滑块39，所述第四步进电机43驱动所述第二纵向滑块39在竖直方向上运动，使其发生纵向位移。即使得与第一纵向光杆27和第二纵向光杆28的上端相连的所述下平行板电极25，由第三步进电机42和第四步进电机43带动升降。

所述被测试件通过第五步进电机44带动旋转。所述下平行板电极25通过第三步进电机42和/或第四步进电机43带动升降。所述第三步进电机42、第四步进电机43和第五步进电机44安装在所述主壳体8的外部。

所述静电测量探头20位于侧向壳体9的内腔之中。所述静电测量探头20通过信号传输线22与高速高压静电电位计47连接。通过第一步进电机14控制静电测量探头20与水平面的夹角。通过第二步进电机16控制静电测量探头20与所述被测试件之间的距离。所述第一步进电机14和第二步进电机16安装在侧向壳体9的外部。所述静电测量探头20为开尔文震荡静电探头，美国Trek公司生产，型号为3453ST，能够在高温、高气压、高湿度(最高温度达100℃，最高气压达0.4MPa，最高湿度达95％)的环境下工作。所述静电测量探头20形状为长方体，长76.2mm，宽11.1mm，高11.8mm，通过所述信号传输线22将采集的电荷信息传递给所述高速高压静电电位计47做进一步数据分析和计算，所述信号传输线22经所述第三静密封座圈23穿入实验罐体中，以保证整个罐体的密封性。所述第三静密封座圈23与第一静密封座圈3相同。所述高速高压静电电位计47为美国Trek公司生产，型号341B，能够测量的直流或者交流高压，测量速度快达200us/kV，灵敏度高至0.1％，所述交流电源模块48以380kV/50Hz的市电电压为所述高速高压静电电位计47供能。

实施例2

本实施例主要结构同实施例1。进一步地，所述高压套管1的上端位于所述上盖板5的上方，即所述高压套管1的上端露在所述上盖板5的上方。所述高压套管1的下端伸入主壳体8的内腔之中。所述高压套管1具有中空的内腔，其轴向垂直于水平面。

所述高压套管1的上、下端开有供高压导电杆4穿过的通孔。所述高压套管1上、下端的通孔中分别嵌入第一静密封座圈3和第二静密封座圈6。所述高压导电杆4的下端先穿过第一静密封座圈3、再穿过第二静密封座圈6后，伸入到所述主壳体8的内腔之中，以保证高压导电杆4的穿入不影响高压套管1的内腔和主壳体8的内腔的气密性。

实施例3

本实施例的主要结构同实施例1。

进一步地，还包括一个位于侧向壳体9内腔中的转轴固定架50。由第一动密封座圈11、横向旋转轴12、第一减速器13、第一步进电机14、第二步进电机16、横向滑块15、横向导轨18、横向滚珠丝杆17、主动圆锥齿轮51、从动圆锥齿轮52、探头架54、齿轮转轴53、转轴固定架50、横向光杆19以及底部支架21等组成控制测量探头运动的机构。

所述第二步进电机16驱动横向滑块15在水平方向上运动。所述横向滑块15连接横向光杆19的一端。所述横向光杆19的另一端穿入侧向壳体9中后，与转轴固定架50连接。实施例中，所述侧向壳体9上嵌入第一动密封座圈11，横向光杆19和横向旋转轴12均是穿过第一动密封座圈11后进入侧向壳体9的内腔之中的。实施例中，所述第一动密封座圈11镶嵌入侧向壳体9一端面的中心，内部采用双层O型密封圈设计，用以保证所述横向旋转轴12和所述横向光杆19发生旋转和横向运动时实验罐体的动态密封性，所述第一动密封座圈11形状为长方体，长为80mm，宽为50mm，高为175mm。

所述第一步进电机14固定在所述横向滑块15上。所述第一步进电机14的转轴连接横向旋转轴12的一端。所述横向旋转轴12的另一端穿入侧向壳体9中后，连接主动圆锥齿轮51。所述横向光杆19和横向旋转轴12均平行于侧向壳体9的轴向。

所述转轴固定架50上安装齿轮转轴53。所述齿轮转轴53垂直于所述横向旋转轴12，即齿轮转轴53能够旋转。所述齿轮转轴53上安装有与所述主动圆锥齿轮51相啮合的从动圆锥齿轮52。所述齿轮转轴53的一端固定连接所述静电测量探头20。

实施例中，所述横向旋转轴12采用不锈钢材料制成，直径8mm，长度300mm。优选地，所述横向旋转轴12通过焊接与所述主动圆锥齿轮51紧密相连，另一端经所述第一减速器13与所述第一步进电机14相连。所述第一步进电机14为多普康公司生产的两相步进电机，后附带两相步进驱动器(用于驱动步进电机)。所述第一步进电机14形状为正方体，边长40mm，转轴长度24mm，转轴直径5mm。所述第一减速器13为一边长30mm的正方体，与第一步进电机14转轴相连，用以减小第一步进电机14的步长，以便对横向旋转轴12的转速进行精确控制。所述主动圆锥齿轮51与所述从动圆锥齿轮52相互咬合，用以改变传动方向。所述从动圆锥齿轮52通过其中心位置的通孔嵌套在所述齿轮转轴53上，所述齿轮转轴53一端固定在所述转轴固定架上，另一端通过所述转轴固定架中心位置处的通孔与探头架54相连，所述探头架54用于夹持静电测量探头20。所述第一步进电机14带动横向旋转轴12转动时，将通过从动圆锥齿轮52使静电测量探头20在竖直方向上做0～180°的转动，便于测量时不断调整静电测量探头20的朝向使其始终垂直于绝缘子24表面的被测部分。所述主动圆锥齿轮51和所述从动圆锥齿轮52均采用不锈钢材料制成，外径22mm，内径8.5mm，高15mm。所述探头架54采用聚四氟乙烯材料制成，能耐受几十kV的高压，用于静电测量探头20与运动控制机构之间的绝缘，防止静电测量探头20测量时外表皮产生的高电压对低压运动控制机构中的器件造成破坏。

优选地，所述底部支架21材料为不锈钢，其下端通过螺栓与底座29相连，起着支撑第一步进电机14和第二步进电机16等控制测量探头运动的机构的作用。所述第二步进电机16与所述第一步进电机14相同，并与所述横向滚珠丝杆17相连，所述横向滑块15的上端与所述第一步进电机14相连，侧面与所述横向光杆19相连，并整个嵌套在所述横向滚珠丝杆17和所述横向导轨18上，所述横向光杆19一端通过所述第一动密封座圈11进入罐体内部与所述转轴固定架相连，所述横向光杆19直径为8mm，长度为300mm，材料为不锈钢，所述第二步进电机16带动滚珠丝杆转动时，滚珠丝杆上嵌套的横向滑块15会在横向导轨18上做横向运动，使得与横向滑块15相连的第一步进电机14和横向光杆19也随之做横向运动，进而实现所述静电测量探头20的横向运动，便于调节所述绝缘子24与所述静电测量探头20之间的空间距离。

实施例4

本实施例的主要结构同实施例1。

进一步地，所述第三步进电机42、第四步进电机43、第五步进电机44、第六步进电机56、第二减速器45、第二动密封座圈32、第三动密封座圈33、第四动密封座圈34、第一纵向滑块38、第二纵向滑块39、第三纵向滑块59、第一纵向滑轨36、第二纵向滑轨37、第三纵向滑轨58、第一角座31、第二角座35、第三角座55、第一纵向滚珠丝杆40、第二纵向滚珠丝杆41、第三纵向滚珠丝杆57部件共同组成作为被测试件的绝缘子24的运动控制机构。本实施例中，与所述测量探头运动机构中所使用的步进电机、减速器、动密封座圈、滑块、滑轨、滚珠丝杆等相同，除了所述第二动密封座圈32，所述第三动密封座圈33以及所述第四动密封座圈34的外形变为了的长方体。

本实施例中，所述下盖板10上开有供纵向旋转轴26穿过的通孔、供第一纵向光杆27穿过的通孔和供第二纵向光杆28穿过的通孔。所述纵向旋转轴26、第一纵向光杆27和第二纵向光杆28与下盖板10接触处安装有第二动密封座圈32、第三动密封座圈33、第四动密封座圈34，以保证其穿入主壳体8后，不影响主壳体8内腔的气密性。

所述纵向旋转轴26、第一纵向光杆27和第二纵向光杆28均垂直于水平面，纵向旋转轴26位于第一纵向光杆27和第二纵向光杆28之间。所述第三步进电机42、第四步进电机43和第五步进电机44安装在所述主壳体8的下方。

所述下平行板电极25具有贯穿其上下表面的通孔。所述纵向旋转轴26的上端先穿过下盖板10并伸入到主壳体8的内腔之中，再穿过所述下平行板电极25上的通孔后，与所述被测试件固定连接。所述纵向旋转轴26的下端与第五步进电机44的转轴连接，优选第，该处还安装有第二减速器45。

所述第一纵向光杆27和第二纵向光杆28的上端穿过下盖板10并伸入到主壳体8的内腔之中后，固定连接在所述下平行板电极25的下表面。所述第一纵向光杆27的下端连接第一纵向滑块38，所述第一纵向滑块38通过第三步进电机42推动或拉动。所述第二纵向光杆28的上端连接、第二纵向滑块39，所述第四步进电机43驱动所述第二纵向滑块39在竖直方向上运动。进一步地，所述第一角座31、所述第二角座35以及所述第三角座55外形均为边长20mm的正方体，材料为不锈钢，与所述底座29焊接在一起，起着固定支撑所述第一纵向滑轨36，所述第二纵向滑轨37以及所述第三纵向滑轨58的作用。所述第三步进电机42、第一纵向滚珠丝杆40、第一纵向滑轨36、第一纵向滑块38、第五步进电机44、第二纵向滚珠丝杆41、第二纵向滑轨37、第二纵向滑块39组合成一个运动分系统，同时驱动所述第一纵向光杆27和所述第二纵向光杆28的运动，进而达到控制所述下平行板电极25纵向伸缩运动的目的，其运动原理和所述测量探头横向伸缩运动原理一样。同理，所述第四步进电机43、第六步进电机56、第二减速器45、第三纵向滚珠丝杆57、第三纵向滑轨58、第三纵向滑块59组合成另一个运动分系统，用于驱动所述纵向旋转轴26的纵向伸缩和旋转运动，进而达到控制所述绝缘子24空间位置的作用，便于配合所述静电测量探头20对所述绝缘子24的表面电荷进行测量，其运动原理和所述静电测量探头20竖直方向上的转动和横向的平动原理一样。

实施例5

本实施例的主要结构同实施例1。

所述第一步进电机14、第二步进电机16、第三步进电机42、第四步进电机43和第五步进电机44均通过多功能运动控制器46控制。

所述控制机构由多功能运动控制器46、直流电源模块49组成。所述多功能运动控制器46由多普康公司生产，型号TC5520，采用高性能32位CPU，配备液晶显示器，全封闭触摸式操作键盘，能够通过程序或者手动方式对步进电机的转速、转向、回零(回到初始原始状态停止)等进行控制。所述多功能运动控制器46通过信号线与所述第一到第六步进电机的步进驱动器相连，按照预设程序或手动控制第一到第六步进电机的运动，进而达到控制静电测量探头20扫描测量绝缘子24表面电荷的目的。所述直流电源模块49能够为所述多功能运动控制器46提供所需的+24V直流电压。

实施例6

本实施例采用1～5任一实施例所述系统测量绝缘子表面电荷的方法，包括以下步骤：

1〕将作为被测试件的绝缘子24固定在所述纵向旋转轴26的上端。

安装好所述高压套管1、主壳体8和侧向壳体9。检查所述高压套管1、主壳体8和侧向壳体9的气密性。通过上进出气口2向所述高压套管1内充入气体。通过下进出气口30向所述主壳体8和侧向壳体9内充入气体。实施例中，所述气体的成分根据实验要求确定，一般地，充入0.2～0.3MPa的SF₆等绝缘气体。

2〕通过调节各个步进电机，使得绝缘子24上端与上平行板电极7接触、下端与所述下平行板电极25接触。

3〕对绝缘子24两端施加电压，即所述高压导电杆4连接电源。该电压可以是直流、交流或冲击。经过时间t(20～30min)后，撤去绝缘子24两端的电压，通过调节各个步进电机，使上平行板电极7和下平行板电极25与被测绝缘子24分离。之后，所述上平行板电极7和下平行板电极25均接地。

4〕通过第二步进电机16将所述静电测量探头20推入到主壳体8中。

5〕通过所述纵向旋转轴26带动绝缘子24旋转。所述静电测量探头20测量绝缘子24表面静电荷密度分布。

进一步地，本实施例的步骤4〕中，通过第二步进电机16带动静电测量探头20进入主壳体8内部，并慢慢接近待测绝缘子24侧面到一定的距离。通过第六步进电机56带动绝缘子的升降，使静电测量探头20到达绝缘子24侧面的上边缘位置，即起始测量位置。通过第一步进电机14调整静电测量探头20的测量角度，使其与绝缘子24表面垂直，并保持一定的距离。

进一步地，本实施例的步骤5〕中，根据被测绝缘子24侧面的曲线方程和所需的测量圈数，计算出静电测量探头20和绝缘子24的运动轨迹，并在多功能运动控制器46上编写相关的运动程序，用于控制步进电机完成整个测量动作。即通过第五步进电机44带动所述绝缘子24旋转，并利用静电测量探头20完成对绝缘子24侧面(表面)一圈的扫描测量。之后，通过调整步进电机让绝缘子24上升一定的高度，重新调整静电测量探头20，使其与准绝缘子24表面垂直，重复上面的动作完成绝缘子表面第二圈的扫描测量。以此类推，通过让绝缘子24逐渐上升和控制静电测量探头20，完成对绝缘子24的上边缘到其下边缘的扫描，即完成对绝缘子表面电荷的扫描测量。在整个测量过程中，静电测量探头20与绝缘子24侧面待测位置处始终保持垂直，且维持一定的距离。待完成整个测量过程后，读取高速高压静电电位计47中存储的测量信息，并通过相关的数学工具进行处理，得到所需的绝缘子表面聚积电荷密度分布图。

实施例7

本实施例采用实施例5所述系统测量绝缘子表面电荷的方法，包括以下步骤：

首先，根据绝缘子24的表面曲线方程和要求的测量圈数计算出静电测量探头20和绝缘子24的运动轨迹，接着由此计算出第一到第六步进电机的运动方式，并编写出相关的运动程序，输入到多功能运动控制器46中进行存储。测量时，被测绝缘子24的轴向方向设为纵向，半径方向设为横向。由第一步进电机14、第一步进电机16及其附属滑块、导轨、滚珠丝杆等组成的探头测量机构可实现静电测量探头20在一个二维方向上的转动和横向平动；而由第三到第六步进电机及其附属滑块、导轨、滚珠丝杆等组成的绝缘子运动机构则可实现绝缘子24的转动和纵向平动。各步进电机由高频脉冲信号进行控制，脉冲的数量和正负决定了步进电机的转数和方向，从而决定了静电测量探头20和绝缘子24的运动距离。利用多功能运动控制器46对第一到第六步进电机发出高频脉冲，控制协调绝缘子24和静电测量探头20的运动轨迹，使静电测量探头20逐步快速测量绝缘子24表面的每一个部位，并在测量期间保持静电测量探头20对绝缘子24被测部位垂直且距离不变。

接着，待绝缘子24表面电荷累积实验完成并停止对实验罐体加压后，按下多功能运动控制器46屏幕上的“开始”按钮。多功能运动控制器46将按照预设的程序，不断向第一到第六步进电机发出相应高频脉冲，首先将绝缘子24和下平行板电极25分别下降到预定的高度，使绝缘子24脱离上平行板电极7和下平行板电极25；接着控制静电测量探头20运动到绝缘子24的上端面边缘，调整静电测量探头20的朝向，使其与绝缘子24被测部分保持给定的垂直距离，同时控制第四步进电机43让绝缘子24按照预设的速度不断转动，完成对绝缘子24表面第一圈的扫描测量；之后，调整静电测量探头20和绝缘子24的位置，使静电测量探头20朝向绝缘子24表面下一圈待测部位，重复上面的过程，由上到下完成整个绝缘子24表面的测量，期间使静电测量探头20朝向与绝缘子24被测部分始终保持垂直。

最后，当测量结束时，按下多功能运动控制器46屏幕上的“结束”按钮，装置停止测量，并复位到原始的状态。将高速高压静电电位计47采集到的绝缘子24表面电位信息进行数据处理，进而得到实验所需的绝缘子24表面电荷分布、电荷量、电荷极性等信息。

Claims (7)

1.一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统，其特征在于：主要包括主壳体(8)、侧向壳体(9)、上平行板电极(7)、下平行板电极(25)、静电测量探头(20)和高速高压静电电位计(47)；

所述主壳体(8)是上、下端均敞口的中空圆柱筒，所述侧向壳体(9)是一端敞口、另一端封闭的中空圆柱筒；所述侧向壳体(9)的敞口端连接在主壳体(8)的筒壁上；所述主壳体(8)的筒壁开有通孔，所述侧向壳体(9)的敞口端与所述主壳体(8)筒壁上的通孔连通；

所述主壳体(8)的上端敞口通过上盖板(5)密封；所述上盖板(5)嵌入高压套管(1)；所述高压套管(1)是一个上下端均封闭的中空的圆柱筒，其筒体上开有上进出气口(2)；所述高压套管(1)的上、下端开有供高压导电杆(4)穿过的通孔；所述高压导电杆(4)上端连接高压电源、下端穿过高压套管(1)进入所述主壳体(8)的内腔；所述上平行板电极(7)位于主壳体(8)的内腔之中；上平行板电极(7)的下表面水平、上表面与所述高压导电杆(4)的下端连接连接；

所述主壳体(8)的下端敞口通过下盖板(10)密封；所述下盖板(10)上开有下进出气口(30)；

所述下盖板(10)上开有供纵向旋转轴(26)穿过的通孔、供第一纵向光杆(27)穿过的通孔和供第二纵向光杆(28)穿过的通孔；

所述纵向旋转轴(26)、第一纵向光杆(27)和第二纵向光杆(28)均垂直于水平面，纵向旋转轴(26)位于第一纵向光杆(27)和第二纵向光杆(28)之间；第三步进电机(42)、第四步进电机(43)和第五步进电机(44)安装在所述下盖板(10)的下方；

所述下平行板电极(25)位于主壳体(8)的内腔之中，且位于所述上平行板电极(7)的下方；被测试件位于所述下平行板电极(25)的上表面与上平行板电极(7)的下表面之间；所述下平行板电极(25)接地；

所述下平行板电极(25)具有贯穿其上下表面的通孔；所述纵向旋转轴(26)的上端先穿过下盖板(10)并伸入到主壳体(8)的内腔之中，再穿过所述下平行板电极(25)上的通孔后，与所述被测试件的下端固定连接；所述纵向旋转轴(26)的下端与第五步进电机(44)的转轴连接，通过第五步进电机(44)带动所述纵向旋转轴(26)及其所述被测试件旋转；所述第五步进电机(44)和纵向旋转轴(26)，及连接在纵向旋转轴(26)上端的被测试件，由第六步进电机(56)带动升降；

所述第一纵向光杆(27)和第二纵向光杆(28)的上端穿过下盖板(10)并伸入到主壳体(8)的内腔之中后，固定连接在所述下平行板电极(25)的下表面；所述第一纵向光杆(27)由第三步进电机(42)带动升降；所述第二纵向光杆(28)由第四步进电机(43)带动升降；

所述静电测量探头(20)位于侧向壳体(9)的内腔之中；所述静电测量探头(20)通过信号传输线(22)与高速高压静电电位计(47)连接；通过第一步进电机(14)控制静电测量探头(20)与水平面的夹角；通过第二步进电机(16)控制静电测量探头(20)与所述被测试件之间的距离；所述第一步进电机(14)和第二步进电机(16)安装在侧向壳体(9)的外部。

2.根据权利要求1所述的一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统，其特征在于：所述高压套管(1)的上端位于所述上盖板(5)的上方，所述高压套管(1)的下端伸入主壳体(8)的内腔之中；所述高压套管(1)的上、下端开有供高压导电杆(4)穿过的通孔；所述高压套管(1)上、下端的通孔中分别嵌入第一静密封座圈(3)和第二静密封座圈(6)；所述高压导电杆(4)的下端先穿过第一静密封座圈(3)、再穿过第二静密封座圈(6)后，伸入到所述主壳体(8)的内腔之中。

3.根据权利要求1所述的一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统，其特征在于：还包括一个位于侧向壳体(9)内腔中的转轴固定架(50)；

所述第二步进电机(16)驱动横向滑块(15)在水平方向上运动；所述横向滑块(15)连接横向光杆(19)的一端；所述横向光杆(19)的另一端穿入侧向壳体(9)中后，与转轴固定架(50)连接；

所述第一步进电机(14)固定在所述横向滑块(15)上；所述第一步进电机(14)的转轴连接横向旋转轴(12)的一端；所述横向旋转轴(12)的另一端穿入侧向壳体(9)中后，连接主动圆锥齿轮(51)；所述横向光杆(19)和横向旋转轴(12)均平行于侧向壳体(9)的轴向；

所述转轴固定架(50)上安装齿轮转轴(53)；所述齿轮转轴(53)垂直于所述横向旋转轴(12)；所述齿轮转轴(53)上安装有与所述主动圆锥齿轮(51)相啮合的从动圆锥齿轮(52)；所述齿轮转轴(53)的一端固定连接所述静电测量探头(20)。

4.根据权利要求1所述的一种运动控制机构外置的表面电荷测量系统，其特征在于：所述第一步进电机(14)、第二步进电机(16)、第三步进电机(42)、第四步进电机(43)和第五步进电机(44)均通过多功能运动控制器(46)控制。

5.采用1～4任一项权利要求所述系统测量绝缘子表面电荷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1〕将作为被测试件的绝缘子(24)固定在所述纵向旋转轴(26)的上端；

安装好所述高压套管(1)、主壳体(8)和侧向壳体(9)；检查所述高压套管(1)、主壳体(8)和侧向壳体(9)的气密性；通过上进出气口(2)向所述高压套管(1)内充入气体；通过下进出气口(30)向所述主壳体(8)和侧向壳体(9)内充入气体；

2〕通过调节各个步进电机，使得绝缘子(24)上端与上平行板电极(7)接触、下端与所述下平行板电极(25)接触；

3〕对绝缘子(24)两端施加电压；经过时间t后，撤去绝缘子(24)两端的电压，通过调节各个步进电机，使上平行板电极(7)和下平行板电极(25)与被测绝缘子(24)分离；之后，所述上平行板电极(7)和下平行板电极(25)均接地；

4〕通过第二步进电机(16)将所述静电测量探头(20)推入到主壳体(8)中；

5〕通过所述纵向旋转轴(26)带动绝缘子(24)旋转；所述静电测量探头(20)测量绝缘子(24)表面静电荷密度分布。

6.根据权利要求5所述系统测量绝缘子表面电荷的方法，其特征在于：

步骤4〕中，通过第二步进电机(16)带动静电测量探头(20)进入主壳体(8)内部，并慢慢接近待测绝缘子(24)侧面到一定的距离；通过第六步进电机(56)带动绝缘子的升降，使静电测量探头(20)到达绝缘子(24)侧面的上边缘位置，即起始测量位置；通过第一步进电机(14)调整静电测量探头(20)的测量角度，使其与绝缘子(24)表面垂直，并保持一定的距离。

7.根据权利要求5所述系统测量绝缘子表面电荷的方法，其特征在于：

步骤5〕中，根据被测绝缘子(24)侧面的曲线方程和所需的测量圈数，计算出静电测量探头(20)和绝缘子(24)的运动轨迹，并在多功能运动控制器(46)上编写相关的运动程序，用于控制步进电机完成整个测量动作；

通过第五步进电机(44)带动所述绝缘子(24)旋转，并利用静电测量探头(20)完成对绝缘子(24)侧面一圈的扫描测量。