CN102707204B - 低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台，测试实验平台主要包括三层实验杜瓦容器和高电压测试电极系统两个部分，三层实验杜瓦包括真空测试容器、液氦（或液氮）冷却筒和真空绝热外筒，高电压测试电极系统主要由阴阳电极、绝缘试样、上下绝缘支撑环氧板、聚酰亚胺绝缘层、导热铜支撑板等组成。阴极铜板上用来接出低电位导线和漏电流测试导线，漏电流测试导线外接测试系统，以严格检测绝缘样件的击穿放电规律。阳极铜板用来接出高电位导线。本发明能够在满足不同低温温度、不同真空度条件下，实现各种被测试绝缘试样件的击穿放电性能测试。本发明的测试温度范围为4.5K~300K，气压测试范围为10^-2~10⁵Pa。

Description

低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台

技术领域

本发明涉及超导磁体装置领域，具体涉及一种用于低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台的设计。

背景技术

随着超导技术的运用，尤其是大型超导磁体装置系统（如强子对撞机、磁约束聚变装置）的发展，以及空间航天探测技术的不断发展，不同气压和低温条件下绝缘材料的电气性能的安全可靠性越来越受到关注。

电气部件绝缘层在加工过程中就可能存在内部微裂纹等缺陷，在长期在真空（或低气压）和深冷低温环境下运行，可能会产生开裂、老化等物理损伤；并且在通电导体出现故障以及在超导磁体系统磁体失超等情况下，数兆焦的能量需在短时泄放，整个系统的对地电压将迅速爬升至万伏量级导致绝缘击穿破坏；恶劣情况下，绝缘存在裂纹并且存在真空泄露，就可能出现气体击穿放电事故，导致整个航天探测器电气部件或者大型超导系统破坏。

因此不同气压和低温条件下绝缘材料的电气性能的安全可靠性需要严格检测和评估。采用低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台可以模拟深冷低温和真空环境对绝缘进行击穿放电测试，合格后在部件上使用。测试实验平台设计应考虑实现真空测试环境，并保证低温冷却气体与高电压测试环境严格隔离，模拟绝缘材料的真实的运行环境和恶劣工况，因此高电压电极系统、低温、高真空密封以及漏电流和温度数据采集系统成为测试实验平台的必要条件。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台，能够在满足不同低温温度、不同真空度条件下，实现各种被测试绝缘试样件的击穿放电性能测试。实验平台的测试温度范围为4.5K~300K，气压测试范围为10^-2~10⁵Pa。

本发明的技术方案如下：

    用于低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台，其特征在于：主要包括三层实验杜瓦容器和高电压测试电极系统两个部分，三层实验杜瓦容器由里到外分别为真空测试容器、液氦（或液氮）冷却筒和真空绝热外筒，所述的真空测试容器沿轴向高于液氦（或液氮）冷却筒和真空绝热外筒，真空测试容器、液氦（或液氮）冷却筒和真空绝热外筒的底部分别有一个与之相匹配的封头，真空测试容器的顶端设有相互配合使用的封盖上法兰和下法兰，液氦（或液氮）冷却筒和真空绝热外筒的顶端分别设有一个封口法兰，液氦（或液氮）冷却筒的顶端还设有液氦（或液氮）进液口、氦气（或氮气）排气口，液氦（或液氮）进液管通过液氦（或液氮）进液口深入至液氦（或液氮）冷却筒底部；高电压测试电极系统置于三层实验杜瓦容器的真空测试容器的底部，高电压测试电极系统主要包括阴极铜板、阳极铜板、绝缘试样、阴极环氧固定板、阳极环氧固定板、聚酰亚胺薄膜绝缘层、导热铜支撑板，导热铜支撑板位于最下方，导热铜支撑板上自下至上依次叠放有聚酰亚胺薄膜绝缘层、阴极铜板、绝缘试样、阳极铜板，所述的阴极铜板、阳极铜板分别由阴极环氧固定板、阳极环氧固定板固定，所述的阳极铜板的顶端开有一个螺纹孔。

    所述的阳极铜板上套装有一个与阳极环氧固定板配合使用的固定螺母。

    所述的真空测试容器、液氦（或液氮）冷却筒和真空绝热外筒的材料为304L不锈钢。

    所述的真空测试容器的封盖上法兰和下法兰通过4个相互配合使用的螺帽、螺杆固定，封盖下法兰与上法兰之间设有套装在各个螺杆上的氟橡胶密封垫，螺杆还穿过阴极环氧固定板和阳极环氧固定板，使整个装置成为一个整体。

    所述的液氦（或液氮）冷却筒的封口法兰为液氦（或液氮）杜瓦封口法兰，液氦（或液氮）杜瓦封口法兰通过螺帽和螺杆配合使用构成可拆卸装配，液氦（或液氮）杜瓦封口法兰与螺帽之间还设有套装在螺杆上的氟橡胶密封垫。

    所述的阴极铜板上加工有多个矩形槽。

本发明的工作原理是：

阳极顶部加工设计成螺孔，方便高电位导线馈入。阴极铜板上可接出低电位导线和漏电流测试导线，漏电流测试导线外接测试系统，以严格检测绝缘样件的击穿放电规律。阴极铜板采用表面贴温度感应器（如PT1000铂电阻温度感应器）的方式监测温度。在保证螺钉孔加工深度的前提下，导热铜板按照热平衡方程计算出相应厚度，以达到准确计算热传导时间的目的。液氦（或液氮）冷却层通过真空测试容器底部不锈钢板、导热铜支撑板和阴极（铜材质）热传导作用，最终将绝缘试样冷却到一定温度。

测试容器压力可以通过分子泵抽真空达到10^-3Pa，然后通过压力阀调节气压，气压调节范围为10^-3~10⁵Pa。真空绝热外筒通过分子泵抽真空至10^-3Pa后密封， 以起到真空隔热作用，保证液氦（或液氮）冷却层低温性能。高电压测试电极系统阴极温度感应器外接温度测试设备，以控制绝缘试样测试实验温度条件。

本发明的有益效果在于：

1）本发明可用来作为低温、真空和电学测试的实验平台。

2）本发明的三层实验杜瓦容器由里到外分别由测试容器、液氦（或液氮）冷却层和真空绝热层组成，实现真空测试环境，并保证低温冷却气体与高电压测试环境严格隔离，模拟绝缘材料的真实的运行环境和恶劣工况。

3）本发明的真空测试容器沿轴向高于液氦（或液氮）冷却筒和真空绝热外筒，防止冷却筒内液氮（液氦）通过真空测试容器壁将氟橡胶密封垫冷却，导致密封失效，进而影响真空测试容器的真空度。

    4）本发明的液氮进液管深入至冷却筒底部且高压测试电极系统装配放置在真空测试容器底部，低温气体通过真空测试容器底部的不锈钢板封头、导热铜支撑板和阴极铜板热传导作用，最终将绝缘试样冷却到一定温度。

    5）本发明的阳极铜板的顶部加工设计成螺纹孔，方便高电位导线馈入。

6）阴极铜板用来接出低电位导线和漏电流测试导线。若阴极铜板表面贴温度感应器（如PT1000铂电阻温度感应器），则可监测温度。

7）阴极铜板上表面加工出矩形槽，实现在真空度较高时，带有裂纹缺陷的绝缘试样在测试气体击穿实验时，气体通过矩形槽进入试样裂纹内部。

    8）通过阴极和阳极环氧固定板对阳极和阴极铜板起到绝缘作用，同时通过四个螺钉将高压测试电极系统各部分装配固定成一个整体。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的高压测试电极系统的结构示意图。

图3为本发明的阳极铜板上的螺纹孔的结构示意图。

图4为本发明的3D装配示意图。

具体实施方式

参见附图1-4，用于低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台，主要包括三层实验杜瓦容器和高电压测试电极系统两个部分，三层实验杜瓦容器由里到外分别为真空测试容器8、液氦（或液氮）冷却筒7和真空绝热外筒6，真空测试容器8沿轴向高于液氦（或液氮）冷却筒7和真空绝热外筒6，真空测试容器8、液氦（或液氮）冷却筒7和真空绝热外筒6的底部分别有一个与之相匹配的封头11、9、10，真空测试容器8的顶端设有相互配合使用的封盖上法兰1和下法兰2，液氦（或液氮）冷却筒7和真空绝热外筒6的顶端分别设有一个封口法兰3、5，液氦（或液氮）冷却筒7的顶端还设有液氦（或液氮）进液口、氦气（或氮气）排气口4，液氦（或液氮）进液管12通过液氦（或液氮）进液口深入至液氦（或液氮）冷却筒7底部；高电压测试电极系统置于三层实验杜瓦容器的真空测试容器8的底部，高电压测试电极系统主要包括阴极铜板23、阳极铜板19、绝缘试样21、阴极环氧固定板25、阳极环氧固定板22、聚酰亚胺薄膜绝缘层24、导热铜支撑板26，导热铜支撑板26位于最下方，导热铜支撑板26上自下至上依次叠放有聚酰亚胺薄膜绝缘层24、阴极铜板23、绝缘试样21、阳极铜板19，阴极铜板21、阳极铜板19分别由阴极环氧固定板25、阳极环氧固定板22固定，阳极铜板19的顶端开有一个螺纹孔27。

    阳极铜板19上套装有一个与阳极环氧固定板22配合使用的固定螺母20。

    真空测试容器8、液氦（或液氮）冷却筒7和真空绝热外筒6的材料为304L不锈钢。

    真空测试容器8的封盖上法兰1和下法兰2通过4个相互配合使用的螺帽15、螺杆16固定，封盖下法兰1与上法兰2之间设有套装在各个螺杆16上的氟橡胶密封垫17，螺杆16还穿过阴极环氧固定板25和阳极环氧固定板22，是整个装置成为一个整体。

    液氦（或液氮）冷却筒7的封口法兰3为液氦（或液氮）杜瓦封口法兰，液氦（或液氮）杜瓦封口法兰通过螺帽13和螺杆14配合使用构成可拆卸装配，液氦（或液氮）杜瓦封口法兰与螺帽13之间还设有套装在螺杆14上的氟橡胶密封垫18。

    阴极铜板23上加工有多个矩形槽。

真空测试容器8沿轴向高于液氦（或液氮）冷却筒7和真空绝热外筒6，主要防止冷却筒内液氮（液氦）通过真空测试容器壁将氟橡胶密封垫17冷却，导致密封失效，进而影响真空测试容器8的真空度。同时真空测试容器8设计成双封盖法兰（1和2）密封结构，进一步确保真空密封效果。液氮进液管12深入至液氦（或液氮）冷却筒7底部，以强化真空测试容器8底部冷却效果，液氮（液氦）排气口4与进液管12设计成轴对称，以强化热传导冷却效果。真空绝热外筒6预抽真空至10^-3Pa后，与液氦（或液氮）冷却筒7通过封口法兰5焊接固定成整体，以起到真空隔热作用。

实验过程中，被测试绝缘试样通过低温冷却筒7、真空测试容器8实现在10^-2~10⁵Pa气压环境和4.5K~300K温度范围内完成击穿放电实验，实现各种被测试绝缘试样件的击穿放电性能测试。

Claims (2)

1.用于低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台，其特征在于：主要包括三层实验杜瓦容器和高电压测试电极系统两个部分，三层实验杜瓦容器由里到外分别为真空测试容器、液氦或液氮冷却筒和真空绝热外筒，所述的真空测试容器沿轴向高于液氦或液氮冷却筒和真空绝热外筒，真空测试容器、液氦或液氮冷却筒和真空绝热外筒的底部分别有一个与之相匹配的封头，真空测试容器的顶端设有相互配合使用的封盖上法兰和下法兰，液氦或液氮冷却筒和真空绝热外筒的顶端分别设有一个封口法兰，液氦或液氮冷却筒的顶端还设有液氦或液氮进液口、氦气或氮气排气口，液氦或液氮进液管通过液氦或液氮进液口深入至液氦或液氮冷却筒底部；高电压测试电极系统置于三层实验杜瓦容器的真空测试容器的底部，高电压测试电极系统主要包括阴极铜板、阳极铜板、绝缘试样、阴极环氧固定板、阳极环氧固定板、聚酰亚胺薄膜绝缘层、导热铜支撑板，导热铜支撑板位于最下方，导热铜支撑板上自下至上依次叠放有聚酰亚胺薄膜绝缘层、阴极铜板、绝缘试样、阳极铜板，所述的阴极铜板、阳极铜板分别由阴极环氧固定板、阳极环氧固定板固定，所述的阳极铜板的顶端开有一个螺纹孔；所述的阳极铜板上套装有一个与阳极环氧固定板配合使用的固定螺母；所述的真空测试容器的封盖上法兰和下法兰通过多个相互配合使用的螺帽、螺杆固定，封盖下法兰与上法兰之间设有套装在各个螺杆上的氟橡胶密封垫，螺杆还穿过阴极环氧固定板和阳极环氧固定板，使整个装置成为一个整体；所述的液氦或液氮冷却筒的封口法兰为液氦或液氮杜瓦封口法兰，液氦或液氮杜瓦封口法兰通过螺帽和螺杆配合使用构成可拆卸装配，液氦或液氮杜瓦封口法兰与螺帽之间还设有套装在螺杆上的氟橡胶密封垫；所述的阴极铜板上加工有多个矩形槽。

2.根据权利要求1所述的用于低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台，其特征在于：所述的真空测试容器、液氦或液氮冷却筒和真空绝热外筒的材料为304L不锈钢。