一种新型三维操控检测机构的结构设计

范 明

（北京长城电子装备有限责任公司，北京 100082）

0 引言

随着GIS的广泛应用，累积于GIS中高压、中高压母线绝缘子上的表面电荷逐渐得到电气领域各国研究者的重视。大量研究表明，GIS母线上的残余电荷可以造成母线段绝缘子表面积聚大量电荷，表面电荷的存在不仅使绝缘材料的工作电场发生畸变，更为沿面放电的发展过程提供了所需电荷，是造成固体表面绝缘强度降低，引发沿面闪络，导致电气设备故障的重要原因。因此，考察表面电荷累积与消散的机理对合理使用聚合物绝缘材料，深入认识沿面闪络的本质，保障电力设备的安全运行具有重要的理论意义和实用价值。那么研究聚合物表面电荷，设计一套能客观、准确地反映聚合物表面电荷的测量系统是基础也是关键的工作。 目前SF6 中绝缘子表面电荷的积聚问题逐渐引起人们的关注， 因气体绝缘开关装置GIS中绝缘子的表面电阻率很高， 使积聚起来的电荷非常难泄漏掉。电力设备的设计是按照Laplace场考虑绝缘尺寸的，表面电荷将改变绝缘子原有的电场分布并可能引起沿面闪络。

直流电压作用下表面电荷积聚的研究始于20世纪80年代，近十几年的研究表明冲击电压作用下绝缘子表面也会积聚电荷。目前关于表面电荷的来源、积聚途径及影响因素等尚未达成共识，冲击电压作用下表面电荷积聚研究可参考的资料更少。国内该项研究不足十年且主要集中在理论分析方面。

要在实际GIS中测量表面电荷的分布，就需要探头指向绝缘子附近的任意一点，而大部分绝缘子表面是异型旋转体表面，这不是一套平面操控机构所能实现的，它实际上是对空间点的测量，需要设计一套适用于密封腔体内部的特殊的三维空间立体操控检测机构来完成，从而达到探头对绝缘子附近电荷情况的测量，这是进一步研究表面电荷对GIS沿面闪络影响的前提，也是一项具有挑战性的工作。

1 三维操控检测机构功能

当今聚合物绝缘材料凭借其优异的物理性能、机械性能和热性能，广泛应用于电气电子设备中，其绝缘性能的好坏直接关系到设备能否安全稳定的运行。在由固体-气体组成的复合绝缘系统中，当在绝缘系统上施加一定电压时，放电总是先发生在固-气界面上，即沿面放电。随着电压进一步升高，沿面放电可发展为贯穿性的击穿，称为沿面闪络。当沿面闪络发生时，系统的绝缘失效，常常导致事故发生。目前国内外均有关于聚合物绝缘材料沿面闪络引起电气设备破坏或导致大面积停电事故的报道。近年来，研究者发现在外施电场作用下自由电荷会累积在固体-气体交界面形成表面电荷，其存在对固体介质的沿面闪络特性有着重要的影响。

下面介绍这种新型的三维操控检测机构即可实现控制探头指向绝缘子表面及附近各点，进一步研究表面电荷对GIS沿面闪络的影响。

这种新型的三维操控检测机构可以分别实现探头的提升、绕圆周作360°旋转和沿绝缘子所在旋转体表面母线作径向移动的三方面的功能，实现探头在密封腔体内对绝缘子表面及附近相应点处电荷的测量，并获得相应位置的读数。

具体功能如下：

1）提升功能：测量时探针端部距绝缘子表面的距离2 mm，精度0.1mm，通过提升功能实现探针距离在2mm 5mm范围内可调；

2）旋转功能：测量时导轨可绕绝缘子表面做360°旋转，实现探头随导轨的旋转绕绝缘子截面圆做圆周运动；

3）径向移动功能：测量时探头可沿导轨作径向移动，实现探头沿绝缘子表面母线作弧线或直线运动；

4）读数功能：通过竖直标尺、弧线或斜线标尺以及圆周标尺可获得空间点M的坐标（γ，ρ，θ），实现探头对绝缘子表面及其附近空间点位置的确定；

5）防止误操作功能：通过双向制动装置可实现单向制动或双向制动。

2 三维操控检测机构结构设计

2.1 提升功能的设计

这里运用了螺母与螺杆的相对运动原理，通过手轮旋转螺母来实现螺杆的无转动提升，从而达到探针提升的目的。

2.2 径向移动功能的设计

由于此类绝缘子表面是一旋转体表面，母线（径向）由弧线与直线两部分组成，为了使探头可沿绝缘子表面母线径向作弧线与直线运动，且探头在运动过程中，测量每一点时探针方向要与该点的法线方向一致。这就出现了测量的不统一性，增加了测量的复杂性，如果采用单轨道、单探头运行体系必然要增加测量盲区，降低测量精度，因此需采用分段测量法。这里设计了双轨道、双探头的两套独立运行体系，完成探针可沿不同曲线进行测量，从而实现了提高测量精度、减少测量盲区的最优化设计。

为了在密封腔体内实现双轨道运行当中的独立操作，这里特别设计了双向旋转控制器。当内轴顺时针旋转时A探头可径向沿母线作弧线运动，而B探头不动；当内轴作逆时针旋转时，B探头可径向沿母线作线性运动，而A探头不动。从而实现了对双轨道的灵活切换及独立操作，使探针能够分别按照既定的不同曲线进行移动，双向旋转控制器使同一轴按顺逆双向旋转的作用得到充分利用，在一轴双轨运行当中起到关键作用。

另外，两导轨各自均可拆卸，且一个导轨的拆卸不影响探头在另一个导轨上的移动控制。利用导轨的可变性，这套三维操控机构就可以通过根据腔体以及绝缘子形状的变化来改变导轨形状的形式以适应其它不同情况的测量。

2.3 旋转功能的设计

为了更好的实现探头既可随导轨360°旋转作圆周运动，又可沿导轨径向对绝缘子表面作弧线与直线运动，达到对绝缘子整体环形面的测量。这里采用了轴套轴型的内外双轴设计，当内、外双轴锁定为一体操作（两轴之间无相对运动）时，利用外轴的旋转带动导轨在腔体内作360°旋转，实现探头随导轨的旋转在腔体内沿绝缘子截面圆作圆周运动，内轴随外轴作同步旋转，保证探头在导轨上的相对位置不发生改变；当内、外双轴各自独立时，利用内轴的旋转使探头在腔体内沿导轨径向移动，此时外轴不动，保证导轨在腔体内的位置不发生改变。

2.4 读数功能的设计

利用同步运动原理，在操作平台上安装探头径向移动位置的读数机构；在滚珠丝杠顶部安装提升标尺；在360°旋转机构上安装圆周标尺，实现了探头在三维运动中位置的可确定性。

2.5 防止误操作功能的设计

在一轴双轨运行当中，为了防止误操作，达到测量的可靠性要求，另外安装了双向制动装置，既可随时单向制动，又可同时双向制动。这样就可以反复独立的使探针沿某一曲线进行测量，而不会发生因误操作使另一轨道运行而产生的不必要的麻烦。在测量过程中，如果需要探针固定在某一位置进行研究时，也可启用此制动装置，这样就不会因为误操作而使探针发生位移，使测量结果不可靠，影响研究效果。

3 三维操控检测机构结构示意图

三维操控检测机构结构示意图如图1所示。

4 结论

图1 三维操控检测机构示意图

在此三维操控检测机构中，当探针与绝缘子表面距离一定时，探针端部位置是由径向位移ρ与旋转角度θ决定的，但它不同于平面极坐标系中的两个变量，在平面极坐标系中（ρ，θ）确定的是平面中的一点，而这里（ρ，θ）确定的是旋转面上的一点，它实际体现了一种对空间特殊点集中的点的测量，也可看成是平面坐标系中确定点的位置的方法在实际测量中的应用。本系统被测绝缘子表面是一旋转体表面，其母线是由圆弧与直线两部分组成，这就带来了测量的不统一性与复杂性，所以这里采用分段测量法，通过双轨道双探头两套独立操作系统来达到测量的准确性并减少测量盲区。它对异型旋转体表面在实际测量中具有一定的指导意义。试验表明，上面这种新型的三维操控检测机构在测量异型旋转体表面电荷方面存在着一定的优越性，它通过轴集三维运动于一体，实现了对绝缘子表面各点的电荷的测量，有效地利用了密封腔体内的狭小空间，使其在密封腔体内空间受到限制的情况下做到占用最小的空间来取得良好的测量效果。并且也可以拓展到其它的需要通过三维运动来实现测量的其它领域。

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