一种空气间隙击穿试验台及空气间隙击穿试验方法

摘要

本发明属于电气设备中空气间隙的绝缘水平测试领域，具体涉及一种空气间隙击穿试验台及空气间隙击穿试验方法。空气间隙击穿试验台的绝缘支架和升降台固定在底座上；绝缘支架的表面呈螺纹状；升降台上安装电动伸缩杆或板电极，电动伸缩杆的上部与多种电极连接；电动伸缩杆正上方的绝缘支架上所开的螺纹孔连接棒多种电极；绝缘支架的横梁上固定有红外测距仪，红外测距仪的外层由绝缘材料包裹；试验控制台控制升降台和电动伸缩杆动作。本发明通过改变电极类型，可以分别完成球隙、棒-棒与棒-板三种典型空气间隙的击穿试验，试验台结构简单，操作方便，能够安全、准确、快捷的完成空气间隙击穿试验，提高了试验效率。

说明书

技术领域

本发明属于电气设备中空气间隙的绝缘水平测试领域，具体涉及一种空气间 隙击穿试验台及空气间隙击穿试验方法。

背景技术

随着我国工业的快速发展，局部地区空气污染日益严重，20世纪90年代 以来灾难性的电网大面积污闪事件在全国较大范围内频频发生，对电气设备的外 绝缘造成了较大的影响，严重威胁电力系统的安全运行。电气设备的外绝缘包含 绝缘子与空气间隙，故空气间隙的放电特性是决定电气设备外绝缘水平的重要因 素之一。

为了确保电气设备在投运之后的安全性与经济性，在设备试验阶段都要对其 存在的空气间隙的绝缘水平进行试验。电气设备中很少有均匀电场的情况，但对 高压设备绝缘结构中的不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和 极不均匀电场，这两种不均匀电场的放电特点是不同的。例如，全封闭组合电器 (GIS)的母线筒即为典型的稍不均匀电场，稍不均匀电场的空气间隙可以用球 隙模拟。高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端和墙的空气 绝缘则是极不均匀电场的典型实例，极不均匀电场的空气间隙一般用棒-板。除 此之外，可以用棒-棒空气间隙来模拟均匀电场中的空气间隙。

目前，空气间隙击穿试验已经取得了一定的成果。其中，用于模拟稍不均匀 电场的测量球隙装置比较成熟，可以利用电动伸缩杆来精确地调整球隙间的距 离，同时对球间隙距离与球直径的比值以及球杆、操作机构、绝缘支撑、支撑构 架连接到被测电压点的引线的尺寸与位置做出了规定。但是，现阶段所用的测量 球隙也存在一些不足之处。例如现有的测量球隙所用的球电极直径都是固定，究 其原因主要是现有装置只利用电动伸缩杆来调节空气间隙，行程较短，如改变球 电极的直径，可能会造成直径与球隙的比值不满足规定。目前为止，并没有成熟 的绝缘支撑装置用于模拟极不均匀电场的棒-板空气间隙以及模拟均匀电场棒- 棒空气间隙。实验中只是简单的将棒-板或棒-棒两级固定在某个位置使其保持一 定的空气间隙距离，因此增大了棒-板或棒-棒空气间隙击穿试验的不确定性，同 时也使试验操作更为繁杂，延长了试验周期。

发明内容

本发明的目的在于提高空气间隙击穿实验的适用性和稳定性，将实验操作简 单化，缩短试验周期，提供了一种空气间隙击穿试验台及空气间隙击穿试验方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

空气间隙击穿试验台的绝缘支架和升降台固定在底座上。绝缘支架的表面呈 螺纹状，这样一方面可以减小绝缘支架的尺寸，节省了绝缘材料，降低了成本； 另一方面也可以增大绝缘支架表面的泄漏距离，减小绝缘支架的泄漏电流，使 得试验结果更为准确。升降台上安装电动伸缩杆或板电极。电动伸缩杆的上部与 棒电极或多种尺寸的球电极连接。电动伸缩杆正上方的绝缘支架上开有螺纹孔， 所述螺纹孔连接棒电极或多种尺寸的球电极。测量球的标准球径D为：2cm、 5cm、6.25cm、10cm、12.5cm、15cm、25cm、50cm、75cm、100cm、150cm及200cm。 绝缘支架的横梁上固定有红外测距仪，垂直向下发射红外线。红外测距仪的外层 由绝缘材料包裹，防止其对支架泄漏距离造成影响。

试验控制台包含手动控制单元和电脑控制单元；手动控制单元与升降台和电 动伸缩杆连接，手动控制单元设有钥匙开关、电源按钮、红外测距电源按钮、报 警灯和停止按钮；电脑控制单元与红外测距仪连接并计算空气间隙距离，电脑控 制单元上设有交互界面。

红外测距仪所测距离为环氧树脂支架横梁下表面到升降台的距离，所测数据 通过数据线输入到电脑控制单元中。在电脑控制单元中，输入上、下电极的长度， 由红外测距仪测得的距离减去上、下球电极的直径或上、下棒电极的长度，电动 伸缩杆上升的距离，得到当前的空气间隙距离。手动控制单元控制升降台与电动 伸缩杆的动作，配合红外测距仪，能够实现空气间隙距离的粗、细调节，保证了 间隙距离的准确性。

本发明所述绝缘支架的制作材料为环氧树脂。

本发明所述底座上还固定有肋板，肋板与绝缘支架固定。

本发明所述底座下方设有滑轮，方便空气间隙击穿试验台的整体移动。

本发明所述球电极的表面光滑、曲率均匀，材料为紫铜或黄铜。所述棒电极 为圆柱型，放电端部呈圆锥状。

本发明所述电动伸缩杆的底部为法兰结构，电动伸缩杆通过所述法兰结构固 定于升降台上，如需对电动伸缩杆拆卸，操作方便。

基于所述空气间隙击穿试验台的空气间隙击穿实验方法，由以下步骤完成：

1)将所述空气间隙击穿试验台移动到开阔区域，根据所加电压的等级保证 安全距离；

2)将绝缘支架的底座以及试验控制台接地；

3)根据以下情况选择电极：

模拟不均匀电场时，使用球隙空气间隙模型，根据要试验的空气间隙距离的 范围，确定球球电极的半径；在升降台上安装电动伸缩杆，电动伸缩杆和绝缘支 架上均安装球电极；

球隙空气间隙模型的实际试验条件下的击穿电压为：

$U_b=\frac{K_{\delta }}{K_h}·U_0=\frac{K_{\delta }}{K_h}·\frac{28.5d}{f}\mathrm{kV};$

模拟对称电场时，使用棒-棒空气间隙模型，在升降台上安装电动伸缩杆， 电动伸缩杆和绝缘支架上均安装棒电极；

模拟极不对称电场时，使用棒-板空气间隙模型，在升降台上安装板电极， 绝缘支架上安装棒电极；

棒-棒空气间隙模型的实际试验条件下的击穿电压为：

$U_b=\frac{K_{\delta }}{K_h}·U_0=\frac{K_{\delta }}{K_h}·3.76\mathrm{d><mo>;</mo>}$

棒-板空气间隙模型的实际试验条件下的击穿电压为：

$U_b=\frac{K_{\delta }}{K_h}·U_0=\frac{K_{\delta }}{K_h}·3.29\mathrm{d><mo>;</mo><mo>,</mo>}$

其中，$K_{\delta }={\left(\frac{p}{p_0}\right)}^m\times {\left(\frac{273+{\theta }_0}{273+\theta }\right)}^n,$K_h＝k^w，$f=\frac{\frac{1.989d}{r}}{\ln (1+\frac{2.01d}{r})};$

各式中，U₀为标准大气条件下的击穿电压，kV；K_δ为空气密度校正系数； p为实际大气压，kPa，p₀＝101.3kPa；θ为实际温度，℃，θ₀＝20℃；m、n 与电极形状、间隙大小以及电压形式和极性有关，其值在0.4～1.0范围内变化， 具体数值参照GB311.1-2012《高压输变电设备的绝缘配合》；

K_h为湿度校正系数；k为与绝对湿度及电压形式有关的常数，具体数值参见 GB311.1-2012《高压输变电设备的绝缘配合》；w为与电报形状、极间距离以及 电压形式和极性有关的常数，具体数值参见GB311.1-2012《高压输变电设备的绝 缘配合》；

f为电场不均匀系数；d为空气间隙距离，cm；r为球电极半径，cm；

4)打开手动控制单元的钥匙开关，点击电源按钮；点击红外测距电源按钮， 红外测距仪开始工作；

5)在电脑控制单元的交互界面上选择电极类型，依次输入球电极的直径或 棒电极的长度，此时交互界面显示空气间隙的推荐距离范围，空气间隙距离，红 外测量距离以及电动伸缩杆的上升距离；

球隙空气间隙模型的所述推荐范围为球间隙距离与球电极半径之比小于等 于0.5；

棒-棒空气间隙模型的空气间隙距离为整个绝缘支架高度的0.02至0.4倍， 且不大于1.5m；

棒-板空气间隙模型的空气间隙距离为整个绝缘支架高度的0.02至0.7倍， 且不大于1.5m；

6)利用手动控制单元，控制升降台对空气间隙进行粗调节，控制电动伸缩 杆对空气间隙进行微调节，达到准确的空气间隙距离；

7)调节过程中空气间隙距离超过推荐范围时，报警灯变亮，实验员停止当 前动作，并控制升降台与电动伸缩杆向下运动；

8)当空气间隙距离小于0.5cm时触发停止按钮，升降台与电动伸缩杆停止 动作，报警灯闪烁；5s后，升降台与电动伸缩杆向下运动，恢复到位移为0的初 始位置，电源关闭；重新开启试验控制台的电源按钮，继续进行调节；

9)空气间隙调整到需要的距离后，给绝缘支架上的电极通电，完成实验。

本发明的有益效果为：

1)通过改变电极类型，可以分别完成球隙、棒-棒与棒-板三种典型空气间隙 的击穿试验；

2)绝缘支架表面呈螺纹状，增大了绝缘支架表面的泄露距离；

3)实现了对空气间隙距离进行粗、细调节，根据电极的形状及尺寸给出空 气间隙的推荐范围；

4)红外测距仪的外层由绝缘材料包裹，保护红外测距仪不受损坏，并防止 红外测距仪对支架泄露距离造成影响，保证实验的准确性。

5)结构简单，操作方便，能够安全、准确、快捷的完成空气间隙击穿试验， 提高了试验效率。

附图说明

图1：空气间隙击穿试验台的结构示意图；

图2：空气间隙击穿试验台使用球隙空气间隙模型的结构示意图；

图3：空气间隙击穿试验台使用棒-棒空气间隙模型的结构示意图；

图4：空气间隙击穿试验台使用棒-板空气间隙模型的结构示意图；

图5：试验控制台的示意图；

图中标号：

1-绝缘支架，2-电动伸缩杆，3-升降台，4-滑轮，5-底座，6-肋板，7-红外 测距仪，8-球电极，9-棒电极，10-板电极，11-试验控制台，12-手动操作单元， 13-电脑操作单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种空气间隙击穿试验台，绝缘支架1和升降台3固定在底座 5上。绝缘支架1的表面呈螺纹状。升降台3上安装电动伸缩杆2或板电极，电 动伸缩杆2的上部与棒电极或多种尺寸的球电极连接。电动伸缩杆2正上方的绝 缘支架1上开有螺纹孔，所述螺纹孔连接棒电极或多种尺寸的球电极。绝缘支架 1的横梁上固定有红外测距仪7，红外测距仪7的外层由绝缘材料包裹。

如图5所示，试验控制台11包含手动控制单元12和电脑控制单元13。手动 控制单元12与升降台3和电动伸缩杆2连接，手动控制单元12设有钥匙开关、 电源按钮、红外测距电源按钮、报警灯和停止按钮。电脑控制单元13与红外测 距仪7连接并计算空气间隙距离，电脑控制单元13上设有交互界面。

绝缘支架1的制作材料为环氧树脂。

底座5上还固定有肋板6，肋板6与绝缘支架1固定。

底座5下方设有滑轮4。

球电极的表面光滑、曲率均匀，材料为紫铜或黄铜。所述棒电极为圆柱型， 放电端部呈圆锥状。

电动伸缩杆2的底部为法兰结构，电动伸缩杆2通过所述法兰结构固定于升 降台3上。

实施例1

当其余条件相同时，球隙模型在大气中的击穿电压决定于球电极之间的距 离，故球电极之间的距离的准确控制是试验要解决的关键问题之一。对一定球 径，间隙中的电场随距离的增长而越来越不均匀。

模拟不均匀电场，进行空气间隙击穿实验，由以下步骤完成：

1)将所述空气间隙击穿试验台移动到开阔区域，根据所加电压的等级保证 安全距离；

2)将绝缘支架1的底座5以及试验控制台11接地；

3)使用球隙空气间隙模型，根据要试验的空气间隙距离的范围，确定球电 极8的半径；在升降台3上安装电动伸缩杆2，电动伸缩杆2和绝缘支架1上的 螺纹孔均与球电极8连接；如图2所示；

4)打开手动控制单元的钥匙开关，点击电源按钮；点击红外测距电源按钮， 红外测距仪7开始工作；

5)在电脑控制单元13的交互界面上选择电极类型，依次输入球电极8的半 径，此时交互界面显示空气间隙的推荐距离范围，空气间隙距离，红外测量距离 以及电动伸缩杆2的上升距离；

6)利用手动控制单元12，控制升降台3对空气间隙进行粗调节，控制电动 伸缩杆2对空气间隙进行微调节，达到准确的空气间隙距离；

7)调节过程中空气间隙距离超过推荐范围时，报警灯变亮，实验员停止当 前动作，并控制升降台3与电动伸缩杆2向下运动；

当球间隙距离d与铜球直径r之比大于0.5时，所测得击穿电压数值的准确 性较差，当d/r大于0.75时，准确性更差，间隙距离越大，要求球径也越大， 这样才能保持稍不均匀电场；因此球隙空气间隙模型的所述推荐范围为球间隙距 离d与铜球直径r之比小于等于0.5；

8)当空气间隙距离小于0.5cm时触发停止按钮，升降台3与电动伸缩杆2 停止动作，报警灯闪烁；5s后，升降台3与电动伸缩杆2向下运动，恢复到位移 为0的初始位置，电源关闭；重新开启试验控制台11的电源按钮，继续进行调 节；

9)空气间隙调整到需要的距离后，给绝缘支架1上的球电极8通电，完成 实验。

球隙空气间隙模型的实际试验条件下的击穿电压为：

$U_b=\frac{K_{\delta }}{K_h}·U_0=\frac{K_{\delta }}{K_h}·\frac{28.5d}{f}\mathrm{kV};$

其中，$K_{\delta }={\left(\frac{p}{p_0}\right)}^m\times {\left(\frac{273+{\theta }_0}{273+\theta }\right)}^n,$K_h＝k^w，$f=\frac{\frac{1.989d}{r}}{\ln (1+\frac{2.01d}{r})};$

各式中，U₀为标准大气条件下的击穿电压，kV；K_δ为空气密度校正系数； p为实际大气压，kPa，p₀＝101.3kPa；θ为实际温度，℃，θ₀＝20℃；m、n 与电极形状、间隙大小以及电压形式和极性有关，其值在0.4～1.0范围内变化， 具体数值参照GB311.1-2012《高压输变电设备的绝缘配合》；

K_h为湿度校正系数；k为与绝对湿度及电压形式有关的常数，具体数值参见 GB311.1-2012《高压输变电设备的绝缘配合》；w为与电报形状、极间距离以及 电压形式和极性有关的常数，具体数值参见GB311.1-2012《高压输变电设备的绝 缘配合》；

f为电场不均匀系数；d为空气间隙距离，cm；r为球电极半径，cm；

实施例2

模拟对称电场时，进行空气间隙击穿实验方法，由以下步骤完成：

1)将所述空气间隙击穿试验台移动到开阔区域，根据所加电压的等级保证 安全距离；

2)将绝缘支架1的底座5以及试验控制台11接地；

3)使用棒-棒空气间隙模型，在升降台2上安装电动伸缩杆3，电动伸缩杆 3和绝缘支架1上的螺纹孔均与棒电极9连接；如图3所示；

4)打开手动控制单元12的钥匙开关，点击电源按钮；点击红外测距电源按 钮，红外测距仪7开始工作；

5)在电脑控制单元13的交互界面上选择电极类型，依次输入棒电极9的长 度，此时交互界面显示空气间隙的推荐距离范围，空气间隙距离，红外测量距离 以及电动伸缩杆2的上升距离；

棒-棒空气间隙模型的所述推荐范围为整个绝缘支架高度的0.02至0.4倍；

6)利用手动控制单元12，控制升降台3对空气间隙进行粗调节，控制电动 伸缩杆2对空气间隙进行微调节，达到准确的空气间隙距离；

7)调节过程中空气间隙距离超过推荐范围时，报警灯变亮，实验员停止当 前动作，并控制升降台3与电动伸缩杆2向下运动；

8)当空气间隙距离小于0.5cm时触发停止按钮，升降台3与电动伸缩杆2 停止动作，报警灯闪烁；5s后，升降台3与电动伸缩杆2向下运动，恢复到位移 为0的初始位置，电源关闭；重新开启试验控制台11的电源按钮，继续进行调 节；

9)空气间隙调整到需要的距离后，给绝缘支架1上的棒电极9通电，完成 实验。

棒-棒空气间隙模型的实际试验条件下的击穿电压为：

$U_b=\frac{K_{\delta }}{K_h}·U_0=\frac{K_{\delta }}{K_h}·3.76\mathrm{d><mo>;</mo>}$

式中各参数含义与算法与实施例一相同。

实施例3

模拟极不对称电场，进行空气间隙击穿实验方法，由以下步骤完成：

1)将所述空气间隙击穿试验台移动到开阔区域，根据所加电压的等级保证 安全距离；

2)将绝缘支架1的底座5以及试验控制台11接地；

3)使用棒-板空气间隙模型，在升降台3上安装板电极10，绝缘支架1上的 螺纹孔与棒电极连接；

4)打开手动控制单元12的钥匙开关，点击电源按钮；点击红外测距电源按 钮，红外测距仪7开始工作；

5)在电脑控制单元13的交互界面上选择电极类型，依次输入棒电极9的长 度，此时交互界面显示空气间隙的推荐距离范围，空气间隙距离，红外测量距离 以及电动伸缩杆2的上升距离；

棒-板空气间隙模型的所述推荐范围为整个绝缘支架高度的0.02至0.7倍；

6)利用手动控制单元12，控制升降台3对空气间隙进行粗调节，当空气间 隙距离较为接近目标值时，需小心操作，达到准确的空气间隙距离；

7)调节过程中空气间隙距离超过推荐范围时，报警灯变亮，实验员停止当 前动作，并控制升降台3与电动伸缩杆2向下运动；

8)当空气间隙距离小于0.5cm时触发停止按钮，升降台3与电动伸缩杆2 停止动作，报警灯闪烁；5s后，升降台3与电动伸缩杆2向下运动，恢复到位移 为0的初始位置，电源关闭；重新开启试验控制台11的电源按钮，继续进行调 节；

9)空气间隙调整到需要的距离后，给绝缘支架1上的棒电极9通电，完成 实验。

棒-板空气间隙模型的实际试验条件下的击穿电压为：

$U_b=\frac{K_{\delta }}{K_h}·U_0=\frac{K_{\delta }}{K_h}·3.29\mathrm{d><mo>;</mo><mo>,</mo>}$

式中各参数含义与算法与实施例一相同。