CN109541019A - 一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置 - Google Patents

一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，包括：腔体，具有容纳介质的密封空间；高压电极，固定设于所述密封空间内，与实验电源高压端等电位连接；地电极，对应所述高压电极设置于所述密封空间，通过地极引线接地；调节机构，设置于所述密封空间，包括驱动所述地电极靠近或远离所述高压电极运动的驱动端。将用于调节电极间距的操作机构置于测试腔体内部，实现了无动密封部件。规避了在低温、高气压环境下使用胶圈或金属过度配合的动密封方式所带来的问题，提供了一种能够在低温、高气压环境下使用的绝缘介质击穿强度实验装置。

Description

一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置
技术领域
本发明涉及绝缘材料击穿强度实验装置技术领域，具体涉及一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置。
背景技术
绝缘介质广泛应用于电气设备，绝缘介质的击穿强度直接关系到电气设备的性能及安全运行。击穿强度测试对于了解绝缘介质的性能与失效机理有重要意义，同时为设备制造和工程应用提供参考依据。伴随着超导技术、气体绝缘电站等方面的发展，人们对多种相态绝缘介电强度的测试需求日益明显。就超导技术而言，绝缘冷却工质的使用和试验环境涉及低温环境。现有的冷却工质中，液氦价格昂贵、液氢及烷烃安全隐患巨大、液氮应用于高温超导(-196℃左右)。然而常规的测试装置(如油杯、球隙等)难以同时保障在低温、高气压及具有一定危险性介质的测试条件下，安全、便捷与成本节约地进行测试。
在现有的关于气体和液体绝缘测试专利中，公开号为CN103257307A的所描述的装置，其装置原型得到了普遍使用。这类装置的核心在于通过绝缘强度测试腔体外的操纵机构调节腔体内部电极间距，为可靠实现这一功能，装置中都会含有动密封部件(如胶圈或金属过渡配合)。但是现有技术仍存在以下缺点：现有的动密封最低使用温度无法在低于-196℃环境中可靠工作，动密封失效往往出现以下情况：(1)采用胶圈密封时，即便是耐低温很好的氟橡胶和硅橡胶，低于-50℃时会进入玻璃态(变硬变脆)，使动密封失效；(2)采用金属过渡配合，由于各个金属零件在温度变化时体积膨胀/收缩量不一致，会使原本可以有动密封效果的过渡配合变成过盈配合或者是间隙配合，过盈配合直接导致原本动密封的部件直接抱死，间隙配合直接导致漏气。
发明内容
为了克服现有技术中绝缘介质击穿强度实验装置难以满足在低温高气压环境下实验的问题，提供一种能够在低温和高气压环境下开展绝缘介质击穿强度实验的装置。
本发明的设计方案如下：
一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，包括：腔体，具有容纳介质的密封空间；高压电极，固定设于所述密封空间内，与实验电源高压端等电位连接；地电极，对应所述高压电极设置于所述密封空间，通过地极引线接地；调节机构，设置于所述密封空间，包括驱动所述地电极靠近或远离所述高压电极运动的驱动端。
优选的，所述调节机构包括电机和设置于所述电机和所述地电极之间的传动机构，所述传动机构包括受所述电机驱动的输入端和驱动所述地电极运动的所述驱动端。
优选的，所述腔体上开设有与所述密封空间贯通的引线孔，所述电机通过贯通所述引线孔的弱电引线连接至外部，所述引线孔和所述弱电引线之间设置有第一封接件。
优选的，所述腔体上开设有与所述密封空间贯通的高压引入孔，所述高压电极通过贯穿所述高压引入孔的高压引入端连接至外部，所述高压引入端对应所述高压引入孔位置设置有绝缘子，所述绝缘子与所述高压引入孔之间设置有第二封接件。
优选的，所述腔体上开设有与所述密封空间贯通的接地孔，所述地极引线通过所述接地孔穿过所述腔体，所述接地孔与所述地极引线之间设置有第三封接件。
优选的，所述的高压引入端与所述绝缘子之间设置有第四封接件。
优选的，所述第一封接件、所述第二封接件、所述第三封接件和第四封接件的材料满足：在-272.2℃至70℃环境下，膨胀系数的数量级均在10-6/K，且相配合的各材料的膨胀系数差距在40％以内。
优选的，所述第一封接件、所述第二封接件和所述第三封接件采用可伐合金与陶瓷制成。
优选的，所述地电极与所述地极引线通过接地连接件相连，所述接地连接件由导电材料制成，所述地电极和所述接地连接件通过所述地极引线接地。
优选的，所述传动结构包括相对于所述电机固定设置的导轨、滑动安装于所述导轨的安装座以及在所述电机作用下驱动所述安装座沿所述导轨运动的螺杆结构，所述安装座为绝缘材料制成，所述接地连接件安装于所述安装座。
优选的，所述螺杆结构固定安装于所述电机的输出轴。
优选的，所述电机外围设有由绝缘材料制成的固定绝缘件。
优选的，还包括设于所述腔体的观察窗，用于观察所述腔体的内部情况。
优选的，还包括介质注入管道，用于向所述腔体内注入被测介质。
优选的，还包括采样管，用于对所述腔体内的被测介质采样。
优选的，所述腔体由抗拉强度大于等于500MPa、弹性模量大于70GPa的材料制成，其壁厚大于等于4mm。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，包括：腔体，具有容纳介质的密封空间；高压电极，固定设于所述密封空间内，与实验电源高压端等电位连接；地电极，对应所述高压电极设置于所述密封空间，通过地极引线接地；调节机构，设置于所述密封空间，包括驱动所述地电极靠近或远离所述高压电极运动的驱动端。将用于调节电极间距的操作机构置于测试腔体内部，实现了无动密封部件。规避了在低温、高气压环境下使用胶圈或金属过度配合的动密封方式所带来的问题，提供了一种能够在低温、高气压环境下使用的绝缘介质击穿强度实验装置。
2、本发明提供的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，所述调节机构包括电机和设置于所述电机和所述地电极之间的传动机构，所述传动机构包括受所述电机驱动的输入端和驱动所述地电极运动的所述驱动端。将用于调节电极间距的调节机构置于测试腔体内部，以无润滑油脂的步进电机带动螺杆来调节电极间距，实现了无动密封部件。
3、本发明提供的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，所述腔体上开设有与所述密封空间贯通的引线孔，所述电机通过贯通所述引线孔的弱电引线连接至外部，所述引线孔和所述弱点引线之间设置有第一封接件。所述腔体上开设有与所述密封空间贯通的高压引入孔，所述高压电极通过贯穿所述高压引入孔的高压引入端连接至外部，所述高压引入端对应所述高压引入孔位置设置有绝缘子，所述绝缘子与所述高压引入孔之间设置有第二封接件。所述腔体上开设有与所述密封空间贯通的接地孔，所述地极引线通过所述接地孔穿过所述腔体，所述接地孔与所述地极引线之间设置有第三封接件。所述的高压引入端与所述绝缘子之间设置有第四封接件。
4、本发明提供的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，所述第一封接件、所述第二封接件、所述第三封接件和第四封接件的材料满足：在-272.2℃至70℃环境下，膨胀系数的数量级均在10-6/K，且相配合的各材料的膨胀系数差距在40％以内。优选的，所述第一封接件、所述第二封接件和所述第三封接件采用可伐合金与陶瓷制成。一般地，高低压线路进出腔体的引线要求与腔体之间保持绝缘，常温附近、1至10个大气压以内时，现有技术一般都能够很好地满足实验需求，金属与绝缘之间密封问题可用胶圈、环氧浇筑、常规的陶瓷电极等解决。但在低温作用时，金属与绝缘之间存在静密封问题，尤其导线直径在达到几个毫米时问题更加凸显，主要表现为绝缘材料开裂或绝缘材料与金属之间产生缝隙。金属与绝缘之间的静密封采用陶瓷电极。经反复实验，在低温静密封方面，四氟垫圈也是一种行之有效的解决方法，但是在高气压时要求安放四氟垫圈的沟槽有特殊的结构特征，不然会因四氟垫圈的蠕变特性使密封失效，这导致在满足密封条件时四氟垫圈厚度与沿面绝缘强度无法满足绝缘强度测试所需电压。另外，在引出较细引线时(如步进电机控制线)，环氧浇筑形成的静密封表现也比较好，但这不能用于高压电极、地电极引线，因为这些引线往往要具有一定载流能力比较粗，使环氧与金属之间因为膨胀/收缩量差别较大而开裂。本发明的优选方案中，经压模、冲压、烧结得到所需形状的陶瓷，陶瓷表面经真空镀化(金属化)处理后，将可伐合金与陶瓷进行钎焊封接，这种陶瓷电极能耐-272.2℃，耐气压3MPa，其能可靠工作的核心点在于可伐合金与陶瓷在-272.2℃至70℃之间有相近的热膨胀系数，从而不使陶瓷绝缘开裂或陶瓷绝缘与金属之间产生缝隙。
5、本发明提供的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，所述电机外围设有由绝缘材料制成的固定绝缘件，用于避免电机被试验高压侵入。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置结构示意图。
附图标记说明：
1-腔体；2-高压电极；3-地电极；4-地极引线；5-电机；6-弱点引线；7-第一封接件；8-高压引入端；9-绝缘子；10-第二封接件；11-第三封接件；12-接地连接件；13-导轨；14-螺杆结构；15-安装座；16-固定绝缘件；17-观察窗；18-介质注入管道；19-采样管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1示出了本发明提供的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，包括腔体1、高压电极2、地电极3以及调节机构。
腔体1，具有容纳介质的密封空间，所述腔体1由抗拉强度大于等于500MPa、弹性模量大于70GPa的材料制成，其壁厚大于等于4mm；高压电极2，固定设于所述密封空间内，与实验电源高压端等电位连接；地电极3，对应所述高压电极2设置于所述密封空间，通过地极引线4接地；调节机构，设置于所述密封空间，包括驱动所述地电极3靠近或远离所述高压电极2运动的驱动端，所述调节机构包括电机5和设置于所述电机5和所述地电极3之间的传动机构，所述传动机构包括受所述电机5驱动的输入端和驱动所述地电极3运动的所述驱动端。将用于调节电极间距的操作机构置于测试腔体1内部，实现了无动密封部件。规避了在低温、高气压环境下使用胶圈或金属过度配合的动密封方式所带来的问题，提供了一种能够在低温、高气压环境下使用的绝缘介质击穿强度实验装置。
所述传动结构包括相对于所述电机5固定设置的导轨13、滑动安装于所述导轨13的安装座15以及在所述电机5作用下驱动所述安装座15沿所述导轨13运动的螺杆结构14，所述安装座15为绝缘材料制成，所述接地连接件12安装于所述安装座15。所述螺杆结构14固定安装于所述电机5的输出轴。所述地电极3与所述地极引线4通过接地连接件12相连，所述接地连接件12由导电材料制成，所述地电极3和所述接地连接件12通过所述地极引线4接地。所述电机5外围设有由绝缘材料制成的固定绝缘件16，避免电机5被试验高压侵入。所述的螺杆固定在电机5主轴上，可实现不更换导轨13时通过更换不同螺距的螺杆改变电机5推起最大重量。将用于调节电极间距的调节机构置于测试腔体1内部，以无润滑油脂的步进电机5带动螺杆来调节电极间距，实现了无动密封部件。
所述腔体1上开设有与所述密封空间贯通的引线孔，所述电机5通过贯通所述引线孔的弱电引线连接至外部，所述引线孔和所述弱电引线6之间设置有第一封接件7。所述腔体1上开设有与所述密封空间贯通的高压引入孔，所述高压电极2通过贯穿所述高压引入孔的高压引入端8连接至外部，所述高压引入端8对应所述高压引入孔位置设置有绝缘子9，所述绝缘子9与所述高压引入孔之间设置有第二封接件10。所述腔体1上开设有与所述密封空间贯通的接地孔，所述地极引线4通过所述接地孔穿过所述腔体1，所述接地孔与所述地极引线4之间设置有第三封接件11。所述的高压引入端与所述绝缘子之间设置有第四封接件。所述第一封接件7、所述第二封接件10、所述第三封接件11和第四封接件采用可伐合金与陶瓷制成，满足：在-272.2℃至70℃环境下，膨胀系数的数量级均在10-6/K，且相配合的各材料的膨胀系数差距在40％以内。经压模、冲压、烧结得到所需形状的陶瓷，陶瓷表面经真空镀化处理后，将可伐合金与陶瓷进行钎焊封接，这种陶瓷电极能耐-272.2℃，耐气压3MPa，其能可靠工作的核心点在于可伐合金与陶瓷在-272.2℃至70℃之间有相近的热膨胀系数，从而不使陶瓷绝缘开裂或陶瓷绝缘与金属之间产生缝隙。所述的绝缘子9和所述固定绝缘件16均为耐高低温绝缘材料，且具有一定的刚度以保障结构的稳定性。
本发明提供的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置还包括设于所述腔体1的观察窗17，用于观察所述腔体1的内部情况。还包括介质注入管道18，用于向所述腔体1内注入被测介质。还包括采样管19，用于对所述腔体1内的被测介质采样。
需要指出的是，所述的地电极3与高压电极2不局限于平板电极，可以有球-球、球-板、柱-板等多种组合方式。
需要指出的是，腔体1是金属材料,如不锈钢、铜等。
需要指出的是，绝缘子9、安装座15、固定绝缘件16均采用绝缘材料，不限于聚四氟乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，陶瓷，石英等材料，还可以是其他材料。
需要指出的是，第一封接件7、第二封接件10、第三封接件11、第四封接件不限于采用可伐合金与陶瓷，还可以是其他可行的材料。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (16)

1.一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，包括：
腔体(1)，具有容纳介质的密封空间；
高压电极(2)，固定设于所述密封空间内，与实验电源高压端等电位连接；
地电极(3)，对应所述高压电极(2)设置于所述密封空间，通过地极引线(4)接地；
调节机构，设置于所述密封空间，包括驱动所述地电极(3)靠近或远离所述高压电极(2)运动的驱动端。
2.根据权利要求1中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述调节机构包括电机(5)和设置于所述电机(5)和所述地电极(3)之间的传动机构，所述传动机构包括受所述电机(5)驱动的输入端和驱动所述地电极(3)运动的所述驱动端。
3.根据权利要求2中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述腔体(1)上开设有与所述密封空间贯通的引线孔，所述电机(5)通过贯通所述引线孔的弱电引线连接至外部，所述引线孔和所述弱电引线(6)之间设置有第一封接件(7)。
4.根据权利要求1中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述腔体(1)上开设有与所述密封空间贯通的高压引入孔，所述高压电极(2)通过贯穿所述高压引入孔的高压引入端(8)连接至外部，所述高压引入端(8)对应所述高压引入孔位置设置有绝缘子(9)，所述绝缘子(9)与所述高压引入孔之间设置有第二封接件(10)。
5.根据权利要求1中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述腔体(1)上开设有与所述密封空间贯通的接地孔，所述地极引线(4)通过所述接地孔穿过所述腔体(1)，所述接地孔与所述地极引线(4)之间设置有第三封接件(11)。
6.根据权利要求1中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述的高压引入端(8)与所述绝缘子(9)之间设置有第四封接件。
7.根据权利要求3-6任一项中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述第一封接件(7)、所述第二封接件(10)、所述第三封接件(11)和第四封接件的材料满足：在-272.2℃至70℃环境下，膨胀系数的数量级均在10-6/K，且相配合的各材料的膨胀系数差距在40％以内。
8.根据权利要求7中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述第一封接件(7)、所述第二封接件(10)和所述第三封接件(11)采用可伐合金与陶瓷制成。
9.根据权利要求2所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述地电极(3)和所述地极引线(4)通过接地连接件(12)相连，所述接地连接件(12)由导电材料制成，所述地电极(3)和接地连接件(12)通过所述地极引线(4)接地。
10.根据权利要求9所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述传动结构包括相对于所述电机(5)固定设置的导轨(13)、滑动安装于所述导轨(13)的安装座(15)以及在所述电机(5)作用下驱动所述安装座(15)沿所述导轨(13)运动的螺杆结构(14)，所述安装座(15)为绝缘材料制成，所述接地连接件(12)安装于所述安装座(15)。
11.根据权利要求10所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述螺杆结构(14)固定安装于所述电机(5)的输出轴。
12.根据权利要求10所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述电机(5)外围设有由绝缘材料制成的固定绝缘件(16)。
13.根据权利要求1所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，还包括设于所述腔体(1)的观察窗(17)，用于观察所述腔体(1)的内部情况。
14.根据权利要求1中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，还包括介质注入管道(18)，用于向所述腔体(1)内注入被测介质。
15.根据权利要求1中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，还包括采样管(19)，用于对所述腔体(1)内的被测介质采样。
16.根据权利要求1中所述的一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，其特征在于，所述腔体(1)由抗拉强度大于等于500MPa、弹性模量大于70GPa的材料制成，其壁厚大于等于4mm。
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