CN102043094A - 一种超高温高压粉尘比电阻测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超高温高压粉尘比电阻测量装置，它包括电加热器、高压直流电源、高温电炉、低压电极、盘状高压电极、低压电极吊挂机构、高压电极支架，所述低压电极与盘状高压电极均位于高温电炉内，低压电极位于盘状高压电极的上方，二者之间放置粉尘试样，低压电极通过低压电极吊挂机构和微电流检测仪表接高压直流电源负极，所述高压电极支架固定在高温电炉的下方并与高压直流电源的正极连接，其上端穿过高温电炉底板上的通孔顶在盘状高压电极的底部，高压电极支架与高温电炉底板之间相隔离。本发明有效解决了传统测量装置因固体绝缘材料在高温条件下绝缘性能下降而不能对高压电极采取有效绝缘的问题，可在1000℃超高温条件下准确测量粉尘的比电阻、击穿电压和漏泄电流。

Description

一种超高温高压粉尘比电阻测量装置

技术领域

本发明涉及一种能在超高温条件下准确测量粉尘比电阻的装置，属测量技术领域。

背景技术

所谓粉尘的“比电阻”亦即电阻率，即单位厚度（cm）、单位面积（cm2）灰层所具有的电阻值。粉尘比电阻特性在静电除尘技术领域以及其它粉体静电应用领域具有重要意义。

粉尘“比电阻”的测量一般是在温度可调的电极箱内进行的，测量时把粉尘试样放于电极箱内的高低压电极之间，并将直流高压电源的高压输出端与电极箱内的高压极链接，低压极则与电流测量仪表连接，然后在设定的温度和电压下进行测量。

传统粉尘比电阻测量装置的高压电极部分与电极箱箱体之间的绝缘采用常规的绝缘方法，即两者之间利用一些绝缘材料（如聚四氟乙烯、瓷套管等）实施绝缘。研究表明，绝大多数固体材料具有负的温度比电阻系数，即温度越高其比电阻越低，这主要是由于材料本身的离子、电子的运动在高温下越趋活跃的原因。当温度达到200-300℃时，其绝缘性开始降低，而且其下降幅度将随温度的升高而增大，即使是高温陶瓷、石英玻璃、氟晶云母等这样的特殊高温绝缘材料也不例外。因此，目前国内外粉尘比电阻测量设备的最高工作温度仅限于200-300℃。当温度达到1000℃以上时，许多绝缘材料即使机械性能没被破坏，但其电气性能不可避免地大幅度下降，甚至有可能成为半导体。因此，现有测量装置所采用的绝缘方法显然不可能满足上千摄氏度超高温条件下的测量要求。

要能够可靠地测量出一种材料在上千摄氏度高温下的比电阻，首先要解决高压测量电极在高温条件下的绝缘问题。通常的方法是选择一种“固体”绝缘材料作为高温、高压测量装置的绝缘构件。这种“固体”绝缘构件至少要满足两个条件：1.在高温下其绝缘性能（包括其电阻率、漏泄电流和高压击穿特性）是已知的；2.在同样的高温条件下这种构件的绝缘性能应大于被测材料。要满足这两个条件显然是不可能的。首先，我们不可能预知任何材料的高温绝缘性质，否则就失去了测量的意义。其次，粉尘比电阻测量装置的应用对象是任何高电阻率材料，当然包括任何优质“绝缘构件”的制造材料。因此，如何在超高温条件下准确测量粉尘比电阻一直是一个难题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足、提供一种在温度高达上千摄氏度时仍能满足测量要求的超高温高压粉尘比电阻测量装置。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种超高温高压粉尘比电阻测量装置，构成中包括电加热器、高压直流电源、高温电、低压电极、盘状高压电极、低压电极吊挂机构、高压电极支架。所述低压电极与盘状高压电极均位于高温电炉内，低压电极位于盘状高压电极的正上方，二者之间放置粉尘试样。低压电极通过低压电极吊挂机构和微电流检测仪表连接高压直流电源的低压端（接地端），所述高压电极支架固定在高温电炉的下方并与高压直流电源的高压输出端连接，其上端穿过高温电炉底板上的通孔顶在盘状高压电极的底部，高压电极支架与高温电炉底板之间相隔离。

上述超高温高压粉尘比电阻测量装置，所述高压电极支架包括高温合金套管、顶杆和绝缘板，所述绝缘板水平固定于高温电炉的下方，所述高温合金套管的上端松套在盘状高压电极底部的竖直导柱上，下端穿过高温电炉底板与炉外绝缘板固定安装并与直流高压电源的高压输出端连接，在高温合金套管与高温电炉底板之间设置有高温瓷套管，所述高温瓷套管的内壁与高温合金套管之间设置有绝缘间隙，所述顶杆位于高温合金套管内部，并由设置在高温合金套管下端的螺旋顶丝驱动。

上述超高温高压粉尘比电阻测量装置，所述低压电极吊挂机构包括高温合金悬臂梁、吊杆和吊母，所述高温合金悬臂梁位于高温电炉内，其一端设置有吊杆孔，另一端穿过炉壁并通过安装在高温电炉外壁上的护套式绝缘子与炉壁固接，高温合金悬臂梁与高温电炉的炉壁之间设置有绝缘套管，所述绝缘套管的内壁与高温合金悬臂梁之间设置有绝缘间隙；所述吊杆的下端与低压电极中部固接，上端穿过高温合金悬臂梁端部的吊杆孔并旋入吊母内，高温合金悬臂梁通过微电流检测仪表接高压直流电源的低压端（接地端）。

上述超高温高压粉尘比电阻测量装置，构成中还包括环形电极，所述环形电极套在低压电极的外部，两者之间有2mm环形间隙，环形电极与高压直流电源的低压端连接。

上述超高温高压粉尘比电阻测量装置，所述高温瓷套管的内壁与高温合金套管之间的绝缘间隙为5～8mm，所述绝缘套管的内壁与高温合金悬臂梁之间的绝缘间隙为2mm。

上述超高温高压粉尘比电阻测量装置，在高温瓷套管的下端设置有聚四氟乙烯遮热板，所述遮热板通过其中部通孔套装在高温合金套管的外部，其与高温瓷套管的下端的间距约为5mm。

上述超高温高压粉尘比电阻测量装置，所述绝缘板与高温电炉内壁之间的距离不小于250mm。

本发明利用空气替代固体绝缘材料实现高压电极部分与高温电炉的炉壁之间的绝缘，由于气体的击穿场强是随温度的升高而升高的，有效解决了传统比电阻测量装置的固体绝缘材料在高温条件下绝缘性能下降的问题，从而使高温工况下测量粉尘的比电阻、击穿电压和漏泄电流成为可能。环形电极的作用是消除由于边缘效应而在低压电极周边产生的杂散电流，遮热板既提高了炉内温度场的稳定性，又有效降低了炉膛内高温对炉外的高压电极支架的辐射传热，从而提高了比电阻测量的精确度。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图。

图中各符号为：1、高温合金悬臂梁；2、绝缘套管；3、护套式绝缘子；4、环形电极；5、粉尘试样；6、热电偶；7、高温合金套管；8、高温瓷套管；9、法兰盘；10、绝缘板；11、螺旋顶丝；12、吊母；13、吊杆；14、顶杆；15、遮热板；16、高压接线端子；17、低压电极；18、盘状高压电极；19、炉门；20、高温电炉；H-DC、直流高压电源；R、电加热器；TC、温度控制器；μA、微电流检测仪表。

具体实施方式

本发明采用了一种“高温端（炉内）气体绝缘、低温端（炉外）固体材料绝缘”的高压电极设计结构，有效地解决了高温工况下固体材料绝缘性能下降的难题。经过对样机的热态检测，绝缘效果理想。

测量装置的基本结构

如图1所示：在高温电炉20的炉底开一通孔。盛有粉尘试样5的盘状高压电极18借助穿越该通孔的高压支架与直流高压电源H-DC连接。高压支架由高温合金套管7、高温合金顶杆14、螺旋顶丝11和冷端绝缘板10等构成。盘状高压电极18安插于高温合金套管7的顶端，高温合金顶杆14穿于高温合金套管7内，顶丝11旋于高温合金套管7的底端。高温电炉20升温前通过旋拧顶丝11将顶杆14、盘状高压电极18和灰样5一同顶起，直至上电极组被完全托起。上电极组包括低压电极17、环形电极4、吊杆13和吊母12等。高温合金套管7穿于高温瓷套管8内。考虑到在上千度高温下瓷套管的绝缘性能会大幅度降低，因此高温合金套管7与高温瓷套管8之间应保持一定间隙，利用空气作为高压绝缘体。由于气体的击穿场强是随温度的升高而升高的，用空气替代固体绝缘材料是适宜的，这也正是本发明的技术关键。实际测试表明，5～8mm间距是最佳间距，间距过小难以满足耐击穿要求，太大则会影响炉底电加热器的均匀敷设，从而对炉内温度场的均匀性产生不利。

在炉体背壁相应位置安装一个绝缘套管2，绝缘套管2内穿有一根高温合金悬臂梁1。同样考虑到高温条件下绝缘套管2性能的降低，因此高温合金悬臂梁1与绝缘套管2内壁也应保持一定间距。由于低压电极17承受的电压很低（即与接地端的电压差不大），因此2mm的间距是合适的。高温合金悬臂梁1的固定借助于安装于炉体背部的绝缘子护套式绝缘子3，由于安装点的温度很低（接近于环境温度），故有效避免了高温对绝缘材料性能的影响。

在高温合金悬臂梁1的炉内端部有一扁平状孔鼻（吊杆孔）。将吊杆13穿于高温合金悬臂梁1的端孔内，将上电极组（低压电极和环状电极4）自由吊起。电极悬吊的高度是可调的，以电极接近灰面为好。测量前通过旋拧顶丝11将电极组轻轻顶起，直至吊母12脱离高温合金悬臂梁1的孔鼻，此时上电极组的重量完全压在灰面之上，产生10g/cm2的恒定压强。高温合金悬臂梁1孔鼻的中心与盘状高压电极18的中心处于同一垂线上，从而保证了上电极组与盘状高压电极18之间具有良好的同轴度。环形电极4直接与炉体外的接地端子相连，其作用是消除由于边缘效应产生在低压电极17周边的杂散电流。

在炉底高温瓷套管8的外端口处安装一个遮热板15，其作用有二：一是阻挡炉膛高温对高压支架绝缘板10的热辐射，二是阻止外部冷空气的进入，减少散热，提高炉内温度场的稳定。注意：遮热板15与高温瓷套管8的外端口应留有5mm的间距，以作为炉内受热膨胀的空气或粉尘试样5内水汽释放之用。

实测表明，采用上述冷端绝缘设计方法，可将冷端温度降低到100℃以下。在这个温度下可供选择的高压绝缘材料很多，例如聚四氟乙烯、陶瓷、石英、云母等。

本发明的测量对象不仅仅限于粉体材料，更换相应的测量电极后，还可用于测量其它各类密实性固体绝缘材料（如陶瓷、玻璃、石英、云母等）的导电特性。 

本发明装置的高压电极采用了专用高温合金材料（专门冶炼）。实验表明，该材料电极在1200℃高温条件下不发生高温氧化和变形；

本发明样机的试验表明，在10kv直流高压下，高压极对地漏泄电流接近于零。事实上在上千度高温下绝缘材料的击穿电压远低于10kv。

Claims (7)

1.一种超高温高压粉尘比电阻测量装置，其特征是，它包括电加热器（R）、高压直流电源（H-DC）、高温电炉（20）、低压电极（17）、盘状高压电极（18）、低压电极吊挂机构和高压电极支架；所述低压电极（17）与盘状高压电极（18）均位于高温电炉（20）内，低压电极（17）位于盘状高压电极（18）的上方，二者之间放置被测粉尘试样（5），低压电极（17）通过低压电极吊挂机构和微电流检测仪表（μA）接高压直流电源（H-DC）低压端（接地端），所述高压电极支架固定在高温电炉（20）的下方并与高压直流电源（H-DC）的高压输出端连接，其上端穿过高温电炉（20）底板上的通孔顶在盘状高压电极（18）的底部，高压电极支架与高温电炉（20）底板之间相隔离。

2.根据权利要求1所述超高温高压粉尘比电阻测量装置，其特征是，所述高压电极支架包括高温合金套管（7）、顶杆（14）和绝缘板（10）；所述绝缘板（10）水平固定于高温电炉（20）的下方，所述高温合金套管（7）的上端松套在盘状高压电极（18）底部的竖直导柱上，下端穿过高温电炉（20）底板和绝缘板（10）、并通过与高压直流电源（H-DC）的高压输出端连接的法兰盘（9）与绝缘板（10）固接；在高温合金套管（7）与高温电炉（20）底板之间设置有高温瓷套管（8），所述高温瓷套管（8）的内壁与高温合金套管（7）之间设置有绝缘间隙；所述顶杆（14）位于高温合金套管（7）内部，并由设置在高温合金套管（7）下端的螺旋顶丝（11）驱动。

3.根据权利要求1或2所述超高温高压粉尘比电阻测量装置，其特征是，所述低压电极吊挂机构包括高温合金悬臂梁（1）、吊杆（13）和吊母（12）；所述高温合金悬臂梁（1）位于高温电炉（20）内，其一端设置有吊杆孔，另一端穿过炉壁及安装在高温电炉（20）外壁上的护套式绝缘子（3）后与微电流测量仪表连接，高温合金悬臂梁（1）与高温电炉（20）的炉壁之间设置有绝缘套管（2），所述绝缘套管（2）的内壁与高温合金悬臂梁（1）之间设置有绝缘间隙；所述吊杆（13）的下端与低压电极（17）中部固接，上端穿过高温合金悬臂梁（1）端部的吊杆孔并旋入吊母（12）内；微电流检测仪表（μA）接高压直流电源（H-DC）的低压端。

4.根据权利要求3所述超高温高压粉尘比电阻测量装置，其特征是，构成中还包括环形电极（4），所述环形电极（4）套在低压电极（17）的外部，两者之间有2mm环形间隙，环形电极（4）与高压直流电源（H-DC）的低压端连接。

5.根据权利要求4所述超高温高压粉尘比电阻测量装置，其特征是，所述高温瓷套管（8）的内壁与高温合金套管（7）之间的绝缘间隙为5～8mm，所述绝缘套管（2）的内壁与高温合金悬臂梁（1）之间的绝缘间隙为2mm。

6.根据权利要求5所述超高温高压粉尘比电阻测量装置，其特征是，在高温瓷套管（8）的下端设置有遮挡板（15），所述遮挡板（15）通过其中部通孔套装在高温合金套管（7）的外部，其与高温瓷套管（8）的下端口的间距为5mm。

7.根据权利要求6所述超高温高压粉尘比电阻测量装置，其特征是，所述绝缘板（10）与高温电炉（20）内壁之间的距离不小于250mm。