一種新型三維操控檢測機構的結構設計

范 明

（北京長城電子裝備有限責任公司，北京 100082）

0 引言

隨著GIS的廣泛應用，累積于GIS中高壓、中高壓母線絕緣子上的表面電荷逐漸得到電氣領域各國研究者的重視。大量研究表明，GIS母線上的殘余電荷可以造成母線段絕緣子表面積聚大量電荷，表面電荷的存在不僅使絕緣材料的工作電場發生畸變，更為沿面放電的發展過程提供了所需電荷，是造成固體表面絕緣強度降低，引發沿面閃絡，導致電氣設備故障的重要原因。因此，考察表面電荷累積與消散的機理對合理使用聚合物絕緣材料，深入認識沿面閃絡的本質，保障電力設備的安全運行具有重要的理論意義和實用價值。那么研究聚合物表面電荷，設計一套能客觀、準確地反映聚合物表面電荷的測量系統是基礎也是關鍵的工作。 目前SF6 中絕緣子表面電荷的積聚問題逐漸引起人們的關注， 因氣體絕緣開關裝置GIS中絕緣子的表面電阻率很高， 使積聚起來的電荷非常難泄漏掉。電力設備的設計是按照Laplace場考慮絕緣尺寸的，表面電荷將改變絕緣子原有的電場分布并可能引起沿面閃絡。

直流電壓作用下表面電荷積聚的研究始于20世紀80年代，近十幾年的研究表明沖擊電壓作用下絕緣子表面也會積聚電荷。目前關于表面電荷的來源、積聚途徑及影響因素等尚未達成共識，沖擊電壓作用下表面電荷積聚研究可參考的資料更少。國內該項研究不足十年且主要集中在理論分析方面。

要在實際GIS中測量表面電荷的分布，就需要探頭指向絕緣子附近的任意一點，而大部分絕緣子表面是異型旋轉體表面，這不是一套平面操控機構所能實現的，它實際上是對空間點的測量，需要設計一套適用于密封腔體內部的特殊的三維空間立體操控檢測機構來完成，從而達到探頭對絕緣子附近電荷情況的測量，這是進一步研究表面電荷對GIS沿面閃絡影響的前提，也是一項具有挑戰性的工作。

1 三維操控檢測機構功能

當今聚合物絕緣材料憑借其優異的物理性能、機械性能和熱性能，廣泛應用于電氣電子設備中，其絕緣性能的好壞直接關系到設備能否安全穩定的運行。在由固體-氣體組成的復合絕緣系統中，當在絕緣系統上施加一定電壓時，放電總是先發生在固-氣界面上，即沿面放電。隨著電壓進一步升高，沿面放電可發展為貫穿性的擊穿，稱為沿面閃絡。當沿面閃絡發生時，系統的絕緣失效，常常導致事故發生。目前國內外均有關于聚合物絕緣材料沿面閃絡引起電氣設備破壞或導致大面積停電事故的報道。近年來，研究者發現在外施電場作用下自由電荷會累積在固體-氣體交界面形成表面電荷，其存在對固體介質的沿面閃絡特性有著重要的影響。

下面介紹這種新型的三維操控檢測機構即可實現控制探頭指向絕緣子表面及附近各點，進一步研究表面電荷對GIS沿面閃絡的影響。

這種新型的三維操控檢測機構可以分別實現探頭的提升、繞圓周作360°旋轉和沿絕緣子所在旋轉體表面母線作徑向移動的三方面的功能，實現探頭在密封腔體內對絕緣子表面及附近相應點處電荷的測量，并獲得相應位置的讀數。

具體功能如下：

1）提升功能：測量時探針端部距絕緣子表面的距離2 mm，精度0.1mm，通過提升功能實現探針距離在2mm 5mm范圍內可調；

2）旋轉功能：測量時導軌可繞絕緣子表面做360°旋轉，實現探頭隨導軌的旋轉繞絕緣子截面圓做圓周運動；

3）徑向移動功能：測量時探頭可沿導軌作徑向移動，實現探頭沿絕緣子表面母線作弧線或直線運動；

4）讀數功能：通過豎直標尺、弧線或斜線標尺以及圓周標尺可獲得空間點M的坐標（γ，ρ，θ），實現探頭對絕緣子表面及其附近空間點位置的確定；

5）防止誤操作功能：通過雙向制動裝置可實現單向制動或雙向制動。

2 三維操控檢測機構結構設計

2.1 提升功能的設計

這里運用了螺母與螺桿的相對運動原理，通過手輪旋轉螺母來實現螺桿的無轉動提升，從而達到探針提升的目的。

2.2 徑向移動功能的設計

由于此類絕緣子表面是一旋轉體表面，母線（徑向）由弧線與直線兩部分組成，為了使探頭可沿絕緣子表面母線徑向作弧線與直線運動，且探頭在運動過程中，測量每一點時探針方向要與該點的法線方向一致。這就出現了測量的不統一性，增加了測量的復雜性，如果采用單軌道、單探頭運行體系必然要增加測量盲區，降低測量精度，因此需采用分段測量法。這里設計了雙軌道、雙探頭的兩套獨立運行體系，完成探針可沿不同曲線進行測量，從而實現了提高測量精度、減少測量盲區的最優化設計。

為了在密封腔體內實現雙軌道運行當中的獨立操作，這里特別設計了雙向旋轉控制器。當內軸順時針旋轉時A探頭可徑向沿母線作弧線運動，而B探頭不動；當內軸作逆時針旋轉時，B探頭可徑向沿母線作線性運動，而A探頭不動。從而實現了對雙軌道的靈活切換及獨立操作，使探針能夠分別按照既定的不同曲線進行移動，雙向旋轉控制器使同一軸按順逆雙向旋轉的作用得到充分利用，在一軸雙軌運行當中起到關鍵作用。

另外，兩導軌各自均可拆卸，且一個導軌的拆卸不影響探頭在另一個導軌上的移動控制。利用導軌的可變性，這套三維操控機構就可以通過根據腔體以及絕緣子形狀的變化來改變導軌形狀的形式以適應其它不同情況的測量。

2.3 旋轉功能的設計

為了更好的實現探頭既可隨導軌360°旋轉作圓周運動，又可沿導軌徑向對絕緣子表面作弧線與直線運動，達到對絕緣子整體環形面的測量。這里采用了軸套軸型的內外雙軸設計，當內、外雙軸鎖定為一體操作（兩軸之間無相對運動）時，利用外軸的旋轉帶動導軌在腔體內作360°旋轉，實現探頭隨導軌的旋轉在腔體內沿絕緣子截面圓作圓周運動，內軸隨外軸作同步旋轉，保證探頭在導軌上的相對位置不發生改變；當內、外雙軸各自獨立時，利用內軸的旋轉使探頭在腔體內沿導軌徑向移動，此時外軸不動，保證導軌在腔體內的位置不發生改變。

2.4 讀數功能的設計

利用同步運動原理，在操作平臺上安裝探頭徑向移動位置的讀數機構；在滾珠絲杠頂部安裝提升標尺；在360°旋轉機構上安裝圓周標尺，實現了探頭在三維運動中位置的可確定性。

2.5 防止誤操作功能的設計

在一軸雙軌運行當中，為了防止誤操作，達到測量的可靠性要求，另外安裝了雙向制動裝置，既可隨時單向制動，又可同時雙向制動。這樣就可以反復獨立的使探針沿某一曲線進行測量，而不會發生因誤操作使另一軌道運行而產生的不必要的麻煩。在測量過程中，如果需要探針固定在某一位置進行研究時，也可啟用此制動裝置，這樣就不會因為誤操作而使探針發生位移，使測量結果不可靠，影響研究效果。

3 三維操控檢測機構結構示意圖

三維操控檢測機構結構示意圖如圖1所示。

4 結論

圖1 三維操控檢測機構示意圖

在此三維操控檢測機構中，當探針與絕緣子表面距離一定時，探針端部位置是由徑向位移ρ與旋轉角度θ決定的，但它不同于平面極坐標系中的兩個變量，在平面極坐標系中（ρ，θ）確定的是平面中的一點，而這里（ρ，θ）確定的是旋轉面上的一點，它實際體現了一種對空間特殊點集中的點的測量，也可看成是平面坐標系中確定點的位置的方法在實際測量中的應用。本系統被測絕緣子表面是一旋轉體表面，其母線是由圓弧與直線兩部分組成，這就帶來了測量的不統一性與復雜性，所以這里采用分段測量法，通過雙軌道雙探頭兩套獨立操作系統來達到測量的準確性并減少測量盲區。它對異型旋轉體表面在實際測量中具有一定的指導意義。試驗表明，上面這種新型的三維操控檢測機構在測量異型旋轉體表面電荷方面存在著一定的優越性，它通過軸集三維運動于一體，實現了對絕緣子表面各點的電荷的測量，有效地利用了密封腔體內的狹小空間，使其在密封腔體內空間受到限制的情況下做到占用最小的空間來取得良好的測量效果。并且也可以拓展到其它的需要通過三維運動來實現測量的其它領域。

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