基于電機(jī)控制的三維四軸表面電荷在線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 康,張周勝,潘文珂

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,上海 200090;2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司,上海 200090)

0 引言

氣體絕緣輸電線路(gas insulated transmission line,GIL)中心導(dǎo)體長(zhǎng)時(shí)間通有直流高壓,導(dǎo)致內(nèi)部盆式絕緣子表面產(chǎn)生電荷積聚現(xiàn)象且難以消散,積聚的表面電荷改變了GIL內(nèi)部電場(chǎng)分布,影響了輸電管道正常運(yùn)行[1-3]。研究表明,電荷積聚到一定程度時(shí),可使110 kV三相共箱式絕緣子閃絡(luò)電壓下降為原來(lái)的76.6%[4]。當(dāng)前,很多專家學(xué)者都將研究重點(diǎn)放在了表面電荷測(cè)量上,而一個(gè)良好的測(cè)量平臺(tái)是完成這項(xiàng)研究的前提。楊為等設(shè)計(jì)了一套表面電荷測(cè)量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)GIL縮小模型絕緣子的電荷測(cè)量[5],測(cè)量期間固定靜電探頭不動(dòng),通過(guò)可旋轉(zhuǎn)操作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)絕緣子進(jìn)行表面電荷測(cè)量,但對(duì)于實(shí)際GIL罐體尺寸較大,很難通過(guò)旋轉(zhuǎn)罐體來(lái)完成測(cè)量工作。張博雅等研制的測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子進(jìn)行離線測(cè)量[6],即加壓一段時(shí)間待電荷積聚后撤去電壓再進(jìn)行測(cè)量,雖然表面電荷積聚后消散過(guò)程緩慢,但這也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差,且無(wú)法表征表面電荷的動(dòng)態(tài)積聚過(guò)程。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)使用的是尺寸為70 mm×70 mm的方形絕緣子試樣,測(cè)量140個(gè)點(diǎn)位就需用時(shí)5 min,若要針對(duì)實(shí)際大尺寸的GIL盆式絕緣子,則需要更長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間,由于探頭由金屬材料制成,測(cè)量過(guò)程中需要始終位于絕緣子表面上方,此時(shí)相當(dāng)于絕緣子表面長(zhǎng)期存在一個(gè)金屬器件,很有可能會(huì)引起空間離子流場(chǎng)發(fā)生變化,影響到測(cè)量結(jié)果。

針對(duì)以上不足,本文以DSP為核心控制芯片,搭建了一套可通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制三維操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì),最終可實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確自動(dòng)測(cè)量GIL不同加壓時(shí)間下的盆式絕緣子表面電荷積聚情況。文中還參照實(shí)際GIL盆式絕緣子結(jié)構(gòu)搭建了二維仿真模型進(jìn)行仿真,并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比,給出了兩者的誤差大小。

1 表面電荷在線測(cè)量系統(tǒng)

1.1 有源靜電探頭原理

對(duì)于表面電荷測(cè)量研究,靜電探頭法已成為主流測(cè)量方法,靜電探頭分為有源和無(wú)源2種,相較于無(wú)源靜電探頭,有源靜電探頭測(cè)量精度更高,其工作原理簡(jiǎn)述如下:有源靜電探頭中感應(yīng)電極受振蕩器控制而產(chǎn)生垂直于被測(cè)表面的高頻正弦振蕩,使得探頭與被測(cè)表面組成的等效電容C發(fā)生改變,當(dāng)探頭電壓U1與被測(cè)點(diǎn)電壓U2不相等時(shí),即ΔU=U1-U2≠0,根據(jù)Q=CΔU,則探測(cè)電路檢測(cè)到感應(yīng)電流i,感應(yīng)電流i經(jīng)放大器放大后通過(guò)靜電電壓表中的相敏解調(diào)器轉(zhuǎn)換成直流信號(hào),之后根據(jù)該直流信號(hào)的大小來(lái)控制探頭電壓U1的數(shù)值,直至U1=U2,此時(shí)感應(yīng)電流i為0,電壓源的輸出電壓即為被測(cè)表面電位。文中后續(xù)試驗(yàn)采用的探頭是Trek MODEL347配套的6300-7型有源靜電探頭,當(dāng)探頭距離絕緣子表面較遠(yuǎn)時(shí),測(cè)量結(jié)果依然準(zhǔn)確[7]。

1.2 控制測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

表面電荷在線測(cè)量系統(tǒng)主要由表面電荷測(cè)量系統(tǒng)和電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。其中,電荷測(cè)量系統(tǒng)由靜電探頭、靜電電壓表、盆式絕緣子、直流電源、示波器組成。直流電源用于對(duì)GIL中心導(dǎo)體施加直流高壓,靜電探頭用于測(cè)量絕緣子表面電位,靜電電壓表與靜電探頭連接用于顯示電位信息,示波器用于測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取和保存。

電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由一套三維操縱機(jī)構(gòu)和4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)組成,分別為仰角電機(jī)、軸向電機(jī)、徑向電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。其中仰角電機(jī)型號(hào)為GM15BY永磁步進(jìn)電機(jī),用于固定靜電探頭,保持探頭與絕緣子表面垂直;軸向電機(jī)可控制探頭x軸方向運(yùn)動(dòng),精度為0.05 mm;徑向電機(jī)可控制探頭y軸方向運(yùn)動(dòng),精度為0.05 mm;旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制探頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作,輸出扭矩為12 N·m。該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行操控,帶動(dòng)探頭運(yùn)動(dòng)到待測(cè)絕緣子表面,完成測(cè)量工作,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

2 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,主要由DSP微控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和上位機(jī)等組成。其中,DSP微控制器與上位機(jī)之間通過(guò)SP232串口通訊芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信,從而接收和發(fā)送對(duì)電機(jī)的控制指令。通過(guò)總線控制器和步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制[8]。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

DSP微控制器通過(guò)串口接收上位機(jī)發(fā)送的電機(jī)控制指令,并對(duì)指令進(jìn)行解析,將解析后的控制信號(hào)經(jīng)8路總線控制器分別發(fā)送給4個(gè)步進(jìn)電機(jī),控制相應(yīng)電機(jī)動(dòng)作。其中,通過(guò)L297D步進(jìn)專用控制器和L298N驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行處理和功率放大,從而驅(qū)動(dòng)徑向電機(jī)和仰角電機(jī);通過(guò)專門的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(型號(hào)分別為2DM860H和MA860C)對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行處理,從而控制軸向電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 DSP芯片模塊

本文步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)核心處理器型號(hào)為TMS320F2812的DSP芯片,芯片內(nèi)部集成了大量外設(shè),具有UART、RS485、CAN、PWM等總線接口。其串口通訊穩(wěn)定快速,丟包率低,有效提高了本系統(tǒng)設(shè)備間的通訊穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)單片機(jī)相比,它可同時(shí)訪問(wèn)程序、數(shù)據(jù),具有更高集成度和更快的執(zhí)行速度。

2.1.2 串口通訊模塊

由于步進(jìn)電機(jī)控制電路板和計(jì)算機(jī)之間使用不同類型的信號(hào)電平進(jìn)行通信,其中電路板使用TTL電平信號(hào),而計(jì)算機(jī)的串口使用標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平信號(hào),因此需要通過(guò)SP232EEN芯片將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232電平以實(shí)現(xiàn)兩者之間的正常通信。此外,SP232EEN芯片還具有保護(hù)功能,可以防止?jié)撛诘碾姎飧蓴_和過(guò)電壓損壞電路板和計(jì)算機(jī)。具體通訊電路如圖3所示。

2.1.3 電機(jī)八路總線控制器

SN74HCT245PWR 8路總線收發(fā)器專為數(shù)據(jù)總線之間的異步雙向通信而設(shè)計(jì),可控制多個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,文中通過(guò)2個(gè)8路總線控制器就可實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

控制系統(tǒng)中軸向電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)配備專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)使能端口ENA、脈沖端口PUL和轉(zhuǎn)向端口DIR對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制;徑向電機(jī)和仰角電機(jī)通過(guò)L297D和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制,需要使能端ENABLE、半/全波控制HALF/FULL、時(shí)鐘CLOCK、正反轉(zhuǎn)CW/CCW和控制CONTROL 5個(gè)IO端口控制。

八路總線控制模塊如圖4所示。以軸向電機(jī)和徑向電機(jī)為例,DSP接收到上位機(jī)發(fā)送的脈沖指令,通過(guò)數(shù)據(jù)處理,提取出軸向電機(jī)和徑向電機(jī)的運(yùn)行脈沖個(gè)數(shù)和方向?？刂戚S向電機(jī)的ENA1、PUL1和DIR1信號(hào)經(jīng)過(guò)總線控制器輸出,經(jīng)過(guò)信號(hào)電平變換,最終輸出至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(2DM860H);控制徑向電機(jī)的5路信號(hào)經(jīng)過(guò)總線控制器輸出后,輸出至L297D專用步進(jìn)電機(jī)控制器輸出4路脈沖信號(hào),再通過(guò)L298N對(duì)輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大,最終完成徑向電機(jī)的控制。

圖4 八路總線控制模塊原理圖

2.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由于八路總線輸出的脈沖信號(hào)功率很低,僅為70 mA,無(wú)法驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),所以需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大,其中軸向電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)配備專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)7.2 A。徑向電機(jī)和仰角電機(jī)通過(guò)L297D驅(qū)動(dòng)集成電路控制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制脈沖信號(hào),L298N對(duì)脈沖信號(hào)功率進(jìn)行放大,電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖5所示。八路總線控制器輸出的5路信號(hào)輸入到L297D專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,輸出4路脈沖信號(hào)A、B、C、D,通過(guò)L298N放大后的脈沖信號(hào)O_A、O_B、O_C、O_D再連接徑向電機(jī)或仰角電機(jī),進(jìn)而控制電機(jī)的步進(jìn)角度和步進(jìn)方向。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì),下位機(jī)程序采用Code Composer Studio 編程環(huán)境設(shè)計(jì),DSP作為TI公司產(chǎn)品線,公司為用戶提供了開(kāi)發(fā)調(diào)試DSP的集成開(kāi)發(fā)軟件,包括函數(shù)庫(kù)等,可大大提高編程效率。

上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊方式選為串口通訊,波特率為19 200,數(shù)據(jù)位為8位,采用的通訊協(xié)議具體形式為“#MOVE,a,b,c,d”。其中,“#MOVE”作為數(shù)據(jù)協(xié)議的幀頭,用來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否到達(dá)及防止數(shù)據(jù)亂碼導(dǎo)致電機(jī)誤動(dòng),“a,b,c,d”作為4個(gè)電機(jī)接收的數(shù)據(jù)大小。

通訊數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。由上位機(jī)發(fā)送指令,下位機(jī)接收到串口數(shù)據(jù)后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幀頭提取和判斷,如果幀頭形式為“#MOVE”,則數(shù)據(jù)正確;否則數(shù)據(jù)異常,不進(jìn)行處理,并對(duì)正常的數(shù)據(jù)進(jìn)一步提取。圖中,j=1代表軸向電機(jī),j=2代表徑向電機(jī),j=3代表旋轉(zhuǎn)電機(jī),j=4代表仰角電機(jī)。每次提取出對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行脈沖數(shù)后最后通過(guò)DSP微控制器進(jìn)行PWM脈沖輸出控制。

圖6 電機(jī)控制流程圖

2.3 盆式絕緣子測(cè)量路徑設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步方便絕緣子表面電荷測(cè)量以及提高系統(tǒng)的人機(jī)交互能力,文中設(shè)計(jì)了靜電探頭測(cè)量路徑算法,路徑算法將規(guī)劃好的路徑(線位移或角位移)以點(diǎn)的形式換算成一組脈沖值。測(cè)量時(shí)從絕緣子最外一圈開(kāi)始,按照設(shè)計(jì)好的各圈間距和圈數(shù),直至掃描到最后一圈,每一圈的測(cè)量方向均與上一圈方向相反,以免線路纏繞。測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)用測(cè)量點(diǎn)位置與中心導(dǎo)體的連線和中心導(dǎo)體鉛垂線之間的夾角α表示,測(cè)量路徑示意圖如圖7所示。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)位可設(shè)置停頓時(shí)間,最小為1 s,大大提高了測(cè)量速度。若遇突發(fā)情況,可緊急制動(dòng)。數(shù)據(jù)讀取保存方式為選取示波器采樣時(shí)刻波形上的100個(gè)數(shù)據(jù),最后取平均值并保存,可有效提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。測(cè)量結(jié)束后通過(guò)“復(fù)位”功能可將探頭返回至初始測(cè)量點(diǎn),便于后續(xù)試驗(yàn)。

圖7 絕緣子表面電荷測(cè)量示意圖

3 仿真分析與試驗(yàn)測(cè)量

3.1 表面電荷積聚仿真

針對(duì)絕緣子表面電荷積聚模型,仿真采用固體-氣體-表面電導(dǎo)綜合模型[9]。

固體側(cè)電導(dǎo)jb代表了固體電介質(zhì)中的電荷載流子對(duì)表面電荷積聚的貢獻(xiàn)程度,即固體側(cè)體電流密度,表達(dá)式為

jb=?tD+Kv·Eb

(1)

式中:D為電通密度,C/m2;Kv為固體材料電導(dǎo)率,S/m;Eb為固體電介質(zhì)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng),N/C。

氣體側(cè)自由電荷來(lái)源有3類:自然電離、微放電及場(chǎng)致發(fā)射,其中微放電主要由電極表面缺陷引起,場(chǎng)致發(fā)射主要在高場(chǎng)強(qiáng)下才會(huì)發(fā)生,本試驗(yàn)所用絕緣子表面平滑幾乎無(wú)缺陷,且電壓施加幅值并不高,場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較低,故本仿真忽略上述2種因素,僅考慮氣體電離輻射過(guò)程。其中氣體分子熱電離溫度需1 000 K以上,因此忽略氣體分子碰撞影響,在低電場(chǎng)下,GIL盆式絕緣子表面電荷積聚來(lái)源主要是由中心導(dǎo)體電離氣體產(chǎn)生的?？杉僭O(shè)氣體側(cè)只發(fā)生電離輻射過(guò)程并認(rèn)為影響表面電荷積聚的主要因素是載流子的遷移、擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)程。最終,正負(fù)載流子密度可由傳遞函數(shù)方程表示為[10]:

(2)

(3)

式中:n+為正載流子密度,m-3;n-為負(fù)載流子密度,m-3;R為復(fù)合系數(shù),m3/s;μ+為正離子遷移率,m2/(V·s);μ-為負(fù)離子遷移率,m2/(V·s);D+為正離子擴(kuò)散系數(shù),m2/s;D-為負(fù)離子擴(kuò)散系數(shù),m2/s;nIp為離子對(duì)生成速率,mol/(m3·s)。

正負(fù)電荷密度與電位φ的關(guān)系,由泊松方程表示為:

(4)

(5)

式中:e為帶電電荷量;ε為氣體的相對(duì)介電常數(shù)。

由愛(ài)因斯坦方程式可得正負(fù)離子擴(kuò)散系數(shù)與正負(fù)離子遷移系數(shù)之間的關(guān)系:

(6)

式中:k為玻爾茲曼常數(shù);T為溫度,K。

聯(lián)立式(2)～式(6)最終可得氣體側(cè)電流密度表達(dá)式為

(7)

沿面電流密度取決于絕緣子表面電導(dǎo)率和電場(chǎng)強(qiáng)度切向分量,表達(dá)式為

js=div(κs·Eτ)

(8)

式中:κs為表面電導(dǎo)率,S/m;Eτ為氣固界面沿面電場(chǎng)切向分量。

當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下(較低的相對(duì)濕度)且絕緣子表面未經(jīng)特殊處理,表面電導(dǎo)率可以忽略[11]。

最終建立如下數(shù)學(xué)模型:

?tρs=n·jb-n·jg

(9)

其中:ρs為表面電荷密度;jb為固體側(cè)電流密度;jg為氣體側(cè)電流密度;n為氣固界面的電場(chǎng)法向分量。

利用上述數(shù)學(xué)模型,在有限元仿真軟件COMSOL中,搭建了與后續(xù)試驗(yàn)所用GIL完全相同的仿真模型?；谒褂肎IL罐體為三維對(duì)稱結(jié)構(gòu),仿真時(shí)將其簡(jiǎn)化為一個(gè)二維模型計(jì)算,可有效降低內(nèi)存和數(shù)學(xué)運(yùn)算,同時(shí)避免不收斂情況發(fā)生,同時(shí)假設(shè)以靠近中心導(dǎo)體位置為弧長(zhǎng)0 mm位置。高壓導(dǎo)體和接地外殼選用304不銹鋼材料。絕緣子采用Al2O3摻雜環(huán)氧樹(shù)脂材料,相對(duì)介電常數(shù)為4.9,罐體內(nèi)部介質(zhì)為空氣,仿真模型示意圖如圖8所示。

圖8 二維仿真模型示意圖

由于后續(xù)試驗(yàn)所用靜電電壓表量程范圍為±3.5 kV,為避免試驗(yàn)對(duì)儀器造成損害,首先在靜電場(chǎng)中仿真,不考慮粒子的微觀運(yùn)動(dòng)過(guò)程,加壓+30 kV,仿真結(jié)果如圖9所示,弧長(zhǎng)187.5 mm位置靜電場(chǎng)電勢(shì)已超過(guò)3 kV,故將后續(xù)試驗(yàn)待測(cè)量區(qū)域設(shè)置為弧長(zhǎng)188 mm位置至弧長(zhǎng)227 mm位置。

圖9 +30 kV靜電場(chǎng)仿真結(jié)果

考慮粒子微觀運(yùn)動(dòng)過(guò)程后,各仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

對(duì)中心導(dǎo)體施加+30 kV電壓,得到各時(shí)間絕緣子表面電位分布情況,仿真結(jié)果如圖10所示。圖中顯示隨著加壓時(shí)間的增加,絕緣子表面各個(gè)點(diǎn)位的電勢(shì)都有所上升,表明絕緣子表面積聚的正電荷在不斷增加,同一測(cè)量時(shí)刻,弧長(zhǎng)位置沿中心導(dǎo)體處至接地外殼處電勢(shì)不斷下降,表明越靠近中心導(dǎo)體處積聚的正電荷越多。

圖10 +30 kV仿真結(jié)果

3.2 表面電荷在線測(cè)量試驗(yàn)與結(jié)果討論

為驗(yàn)證在線測(cè)量系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性,同時(shí)與上述仿真形成對(duì)比,在利用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí),同樣選擇一條弧長(zhǎng)作為測(cè)量區(qū)域,試驗(yàn)前先用沾有無(wú)水乙醇的靜電除塵紙按同一方向輕輕擦拭盆式絕緣子表面,待自然風(fēng)干后,通過(guò)探頭對(duì)表面進(jìn)行預(yù)測(cè)量,若靜電電壓表數(shù)值顯示在±5 V之間,則表明加壓前絕緣子表面基本無(wú)初始電荷,可認(rèn)為滿足后續(xù)測(cè)量要求,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

經(jīng)直流電源對(duì)GIL中心導(dǎo)體施加+30 kV電壓,加壓時(shí)間為8 h,每隔2 h利用上述測(cè)量系統(tǒng)對(duì)絕緣子進(jìn)行一次表面電位在線測(cè)量,測(cè)量方式為從弧長(zhǎng)227 mm位置至188 mm位置,每隔3 mm作為一個(gè)采樣點(diǎn),共測(cè)量14個(gè)點(diǎn)位,每個(gè)點(diǎn)位測(cè)量時(shí)間為1 s,一次完整測(cè)量結(jié)束后經(jīng)“復(fù)位”功能將探頭退出至罐體外。

對(duì)中心導(dǎo)體加壓2 h、4 h、6 h以及8 h的絕緣子表面電荷在線測(cè)量結(jié)果如圖12所示。隨著加壓時(shí)間的增加,各測(cè)量點(diǎn)位電勢(shì)總體趨勢(shì)是不斷增加的,除了在弧長(zhǎng)215 mm至弧長(zhǎng)227 mm位置8 h的電位值較6 h的電位值略微有所下降。

圖12 +30 kV在線測(cè)量結(jié)果

通過(guò)與上述仿真結(jié)果對(duì)比,兩者在大體形狀及趨勢(shì)上都是相同的,加壓時(shí)間越長(zhǎng),絕緣子表面測(cè)量到的電位值也越高,沿中心導(dǎo)體至接地外殼,同一時(shí)間測(cè)量值不斷下降。

為進(jìn)一步分析該控制系統(tǒng)在進(jìn)行在線測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確度及誤差大小,分別對(duì)比了2、4、6、8 h的測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果,如圖13所示。

(a)2 h

由圖13可以看出,不同加壓時(shí)間仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果貼合的都較為緊密,2、4、6、8 h仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果最大相對(duì)誤差分別為15%、10.04%、7.96%和5.84%?？紤]到試驗(yàn)條件與仿真條件不可能完全一致,存在很多不可控因素,造成兩者結(jié)果存在誤差,但總體誤差并不大,可認(rèn)為測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于有源靜電探頭法設(shè)計(jì)了一套可通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)GIL盆式絕緣子進(jìn)行表面電荷測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng),相較于傳統(tǒng)測(cè)量方法,該系統(tǒng)可以在加壓情況下自動(dòng)測(cè)量實(shí)際GIL盆式絕緣子表面電荷積聚情況,測(cè)量速度快,真實(shí)性和準(zhǔn)確度較高。同時(shí)根據(jù)表面電荷積聚機(jī)理對(duì)GIL絕緣子進(jìn)行建模仿真,并將測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比,兩者結(jié)果高度吻合,最大誤差為15%,認(rèn)為該測(cè)量系統(tǒng)可為后續(xù)絕緣子表面電荷在線測(cè)量研究提供參考。