CN111123052A - 一种检测介质绝缘特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于介质绝缘特性测试技术领域，具体涉及一种检测介质绝缘特性的装置及方法。该装置包括第一腔体，具有容纳介质的密封空间，用于测试待测介质的绝缘特性；内设有第一电极和第二电极；第二腔体，具有容纳介质的密封空间，用于控制所述第一腔体的温度；介质容纳器，通过管道与所述第一腔体连接；抽气泵，用于抽取所述装置内的气体以及调整所述装置的真空度。该装置可以同时满足在低温、高气压、高电压、高气密性的条件下测试介质的绝缘性，温度最低可至‑269℃，最高可达300℃，压强最高可达30个大气压。

Description

一种检测介质绝缘特性的装置及方法

技术领域

本发明属于介质绝缘特性测试技术领域，具体涉及一种检测介质绝缘特性的装置及方法。

背景技术

低温液体广泛应用于超导电力设备，低温液体的绝缘性能直接关系到超导电力设备的稳定、安全运行。绝缘性能测试对于了解电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。随着超导输电/输气一体化能源管道的提出，要想保障电力与液体燃料共输的安全稳定与高效利用，需要探索低温液体燃料的绝缘性能。

然而，常规试验装置及方法不能同时兼顾低温、高气压、高电压、高气密性、定量输入控制、样品清洁的测试要求，且缺乏安全保障措施，难以保证试验的安全性与准确性。如，中国专利文献CN105807189A，公开了一种超导绝缘材料局部放电发展过程的试验装置及试验方法，该装置和实验方法可以很好的实现低温复合绝缘材料局部放电测试，但实验装置缺乏净化器很难避免杂质的干扰，并且装置气密性不足使其试验方法不适用于高气压环境。中国专利文献CN105388405A，介绍了一种混合气体绝缘特性试验装置及试验方法，该方法较好的适用于混合气体绝缘特性试验，但该装置通过内部制冷器制冷的方式不能使装置工作在深冷温区，更不能进行低温液体实验。中国专利文献CN107537424A，公开了一种模拟实验装置的使用方法，该方法可以很好地进行气体与液体的化学反应实验，但是电磁搅动器的引入会造成低温下气体与液体的泄露，同时缺少电极，不能进行放电实验。中国专利文献CN109541019A，公开了一种低温、高气压环境下绝缘介质击穿强度实验装置，该装置中法兰较多，低温下易发生泄漏，不利于实验的安全进行；且电极间距的调整是通过电机实现的，在低温环境下，电机极易发生故障，无法调整间距；且在异常工况下，电机的电能无法转换成机械能，几乎全部变为热能，造成局部温升和绝缘破坏，引发电火花，造成危险。此外，现有的实验装置无法对实验样品进行在线监测，缺乏泄漏报警装置，难以保证实验的安全性。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的介质绝缘特性实验装置不能同时兼顾低温、高气压、高电压、高气密性的测试要求等缺陷，从而提供了一种检测介质绝缘特性的装置及方法。

为此，本发明提供了以下技术方案。

本发明提供了一种检测介质绝缘特性的装置，包括：

第一腔体，具有容纳介质的密封空间，用于测试待测介质的绝缘特性；内设有第一电极和第二电极；所述第一电极与第一导线连接，靠近所述第一电极的第一导线端部设置有第一绝缘子；所述第二电极与第二导线连接，靠近所述第二电极的第二导线端部设置有第二绝缘子；所述第一腔体的顶端为法兰盖，所述第一绝缘子贯穿所述法兰盖且与所述法兰盖紧配合；所述第二绝缘子贯穿所述法兰盖且与所述法兰盖紧配合；所述第一电极和所述第二电极位于同一水平面；

第二腔体，具有容纳介质的密封空间，用于控制所述第一腔体的温度；所述第二腔体内设有所述第一腔体；所述第一导线贯穿所述第二腔体与所述第二腔体密封连接；所述第二导线贯穿所述第二腔体与所述第二腔体密封连接；

介质容纳器，通过管道与所述第一腔体连接；

抽气泵，用于抽取所述装置内的气体以及调整所述装置的真空度。

所述第二电极与所述第二导线之间设置有转接件，用于调整所述第一电极和所述第二电极的水平间距；

所述第二电极与所述转接件螺纹连接，所述转接件与所述第二导线螺纹连接；

所述第一电极与所述第一导线螺纹连接。

所述第一腔体内的侧壁和底部设置有绝缘层；所述绝缘层为聚四氟乙烯、聚酰亚胺或环氧树脂等耐低温材料；

所述第一腔体外部的至少一个侧面上设置有至少一个温度监测器，用于采集所述第一腔体的温度，并将其传送至控制器。

所述介质绝缘特性的装置还包括介质输入管道和介质输出管道；

所述介质输入管道贯穿所述第二腔体与所述第一腔体连通，且所述介质输入管道与所述第二腔体密封连接；

所述介质输出管道贯穿所述第二腔体与所述第一腔体连通，且所述介质输出管道与所述第二腔体密封连接。

所述抽气泵与所述介质输入管道连通；

所述介质容纳器分别与所述介质输入管道和所述抽气泵连通。

所述介质容纳器与所述介质输入管道之间设置有清洁器；

所述介质容纳器包括称量器和气体瓶。

所述介质绝缘特性的装置，还包括，

第一压力监测器，设置于所述介质输入管道或所述介质输出管道上，用于监测所述第一腔体的压力；

第二压力监测器，设置于连通所述介质容纳器的管道上，用于监测所述介质容纳器的压力；

控制器，用以接收检测过程中监测数据。

所述第一绝缘子为聚四氟乙烯、陶瓷或石英；

所述第二绝缘子为聚四氟乙烯、陶瓷或石英；

所述第一腔体由抗拉强度不小于500MPa，壁厚不小于3mm的材料制成。

进一步地，在所述第二腔体内通入控温介质并控制所述第二腔体的压力，实现所述第一腔体温度的控制。

本发明还提供了一种低温环境下介质绝缘特性的测试方法，采用上述检测介质绝缘特性的装置，包括以下步骤，

实验装置经预处理后，将定量的待测介质通入第一腔体内测试其绝缘特性。

所述预处理的实验步骤包括，检测实验装置的气密性、对实验装置洗气和调整实验装置的压力。

第一电极为高压电极或地电极；第二电极为高压电极或地电极；第一电极和第二电极不能同时为高压电极或地电极。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的检测介质绝缘特性的装置，包括第一腔体，具有容纳介质的密封空间，用于测试待测介质的绝缘特性；内设有第一电极和第二电极；所述第一电极与第一导线连接，靠近所述第一电极的第一导线端部设置有第一绝缘子；所述第二电极与第二导线连接，靠近所述第二电极的第二导线端部设置有第二绝缘子；所述第一腔体的顶端为法兰盖，所述第一绝缘子贯穿所述法兰盖且与所述法兰盖紧配合；所述第二绝缘子贯穿所述法兰盖且与所述法兰盖紧配合；所述第一电极和所述第二电极位于同一水平面；第二腔体，具有容纳介质的密封空间，用于控制所述第一腔体的温度；所述第二腔体内设有所述第一腔体；所述第一导线贯穿所述第二腔体与所述第二腔体密封连接；所述第二导线贯穿所述第二腔体与所述第二腔体密封连接；介质容纳器，通过管道与所述第一腔体连接；抽气泵，用于抽取所述装置内的气体以及调整所述装置的真空度。该装置可以同时满足在低温、高气压、高电压、高气密性的条件下测试介质的绝缘性，温度最低可至-269℃，最高可达300℃，压强最高可达30个大气压。该实验装置通过将第一电极和第二电极设置在第一腔体的法兰盖上，可以使第一腔体的结构更紧凑，排出了第一腔体底部和侧壁泄露的可能，使第一腔体具有高密封性，同时也可以使第一腔体内达到30个大气压时不会泄露，且第一腔体顶端设置法兰盖，便于安装和调试。通过将第一腔体置于第二腔体内，可以精确控制第一腔体的温度及第一腔体内介质的状态，第二腔体为密封空间且采用绝热设计，可以提高控制温度的准确性，使第一腔体内的温度可控，且温度可在-269～300℃范围内调整。

该实验装置中的抽气泵可以用于清除实验装置内的杂质气体和介质容纳器的清洗气体，提高了第一腔体内样品的纯度，杜绝了杂质气体，提升了实验装置的安全性。该实验装置可以对气体、液体或液固混合体进行绝缘特性的测试，特别适合低温液体燃料绝缘特性的研究。

2.本发明提供的检测介质绝缘特性的装置，转接件可以调整第一电极和第二电极的水平间距，在低温和高温条件下不易发生故障，破坏绝缘特性的测试。

在第一腔体内的侧壁和底部设置绝缘层，可以避免在高电压条件下对腔体内壁放电，提高了第一腔体的使用寿命。

3.本发明提供的检测介质绝缘特性的装置，在第一腔体外部设置温度监测器，可以实时监测第一腔体的温度，及时发现实验过程中的问题，提高了实验效率。

介质输入管道或所述介质输出管道上设置有第一压力监测器，介质容纳器与清洁器之间设置有第二压力监测器，可以实时监测实验中的压力，控制压力，保证实验过程的安全。

在介质容纳器与介质输入管道之间设置有清洁器，可以对样品进行清洁，当将样品通入第一腔体内时，可以清洁样品；需要对清洁器进行清洁时，反向通气就可以实现，避免了经常更换清洁器的问题，具有长期安全稳定运行的优势，保证了实验装置的密封性。

4.本发明提供的检测介质绝缘特性的装置，该装置中介质容纳器包括称量器，可以保证样品的定量输入；通过设置控制器，可以实现在线监测，可以及时发现问题，保证了实验的安全性。

第一绝缘子和第二绝缘子为耐高温、低温绝缘材料，具有刚度，可以保障结构的稳定性；第一导线和接第二导线与第二腔体密封连接，密封连接的材料的膨胀系数在-269℃～300℃之间，与第二腔体材料的膨胀系数相近，可以保证密封处不开裂；第一压力监测器用于实时监测实验过程中的压力，第二压力检测器用于实时监测气体瓶的压力；称量器用于输入定量气体。

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是本发明实施例1中检测介质绝缘特性的装置的结构示意图；

附图标记：

1-第二腔体；2-第一腔体；3-第一电极；4-第二电极；5-介质输出管道；6-介质输入管道；7-第一导线；8-第二导线；9-绝缘层；10-转接件；11-第一绝缘子；12-第五阀门；13-第四阀门；14-第三阀门；15-第二阀门；16-第一阀门；17-第三温度监测器；18-第一温度监测器；19-第二温度监测器；20-第一压力监测器；21-第二压力监测器；22-控制器；23-清洁器；24-抽气泵；25-气体瓶；26-称量器；27-报警器；28-第二绝缘子；29-法兰盖；30-控制介质入口；31-第一管道；32-第二管道；33-第三管道；34-第四管道。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

本实施例提供了一种检测介质绝缘特性的装置，如图1所示，包括，

第一腔体2，第一腔体内设置有第一电极3和第二电极4，第一电极和第二电极在第一腔体内悬空设置，第一电极3与第一导线7螺纹连接，靠近第一电极3的第一导线端部设置有第一绝缘子11，第二电极4与第二导线8通过转接件10连接，第二导线与转接件10螺纹连接，第二电极与转接件10螺纹连接，靠近第二电极4的第二导线端部设置有第二绝缘子；第一腔体2的顶端为法兰盖29，第一绝缘22和第二绝缘子28均贯穿法兰盖29，与法兰盖紧配合，第一电极和第二电极位于同一水平面上。

第一腔体内的底部和侧壁上还设置有绝缘层9，第一腔体外的侧壁上设置有第一温度监测器18、第二温度监测器19，顶端法兰盖上设置有第三温度监测器17，第一温度监测器、第二温度监测器和第三温度监测器用于采集第一腔体的温度，同时将数据传送至控制器。第一腔体2为圆柱状的不锈钢，绝缘层的材料为聚四氟乙烯和聚酰亚胺。

第二腔体1，内设有第一腔体2，侧壁上开设有控温介质入口30，用于将控温介质送入第二腔体内部，实现对第一腔体温度的控制；第一导线和第二导线均贯穿第二腔体，通过密封圈与第二腔体密封连接。第二腔体为圆柱状的不锈钢。

介质输入管道6，贯穿第二腔体，通过密封圈与第二腔体密封连接，与第一腔体连通，第一腔体和介质输入管道通过金属焊接实现密封性。

介质输出管道5，贯穿第二腔体，通过密封圈与第二腔体密封连接，与第一腔体连通，第一腔体和介质输出管道通过金属焊接实现密封性。

介质容纳器，包括气体瓶25和称量器26，气体瓶25和抽气泵24通过第一管道31、第二管道32和第三管道33连通，第一管道31的一端与气体瓶25的出口连通，另一端与第二管道32连通，同时与第二压力监测器21连接；第三管道33的一端与抽气泵连通，另一端同时与第二管道和第四管道连通。气体瓶25和介质输入管道6通过第一管道31、第二管道32和第四管道34连通，第四管道的一端与介质输入管道连通，介质输入管道与第四管道连通的一端还连接有第一压力监测器20；气体瓶和介质输入管道之间设置有清洁器23，清洁器23位于第四管道上。第一压力监测器用于实时监测第一腔体的压力，第二压力监测器用于实时监测气体瓶的压力。第一管道31上设置有第一阀门16，第二管道上设置有第二阀门15、第三管道上设置有第三阀门14、第四管道上设置有第四阀门13、介质输出管道上设置有第五阀门12。

抽气泵24，用于调整实验装置的真空度和装置内气体的抽取，抽气泵与介质输入管道通过第三管道33和第四管道34连通；

控制器22，用以接收检测过程中监测数据，通过无线传输实现远距离温度、压力等数据的实时采集；

本实施例中，第一电极为高压铜电极，第二电极为铜地电极；第一绝缘子和第二绝缘子的材料为陶瓷；第一温度监测器、第二温度监测器和第三温度监测器为热电偶；第一压力监测器和第二压力监测器为压力表；控制器为电脑；清洁器为气体过滤器；抽气泵为机械泵；

作为一种可替换的实施方式，第一腔体还可以是球状、立方体等形状，不限于圆柱状，第一腔体的材料还可以是铜等其他材料，第一腔体的抗拉强度不小于500MPa，壁厚不小于3mm；第二腔体还可以是球状、立方体等形状，不限于圆柱状，第二腔体的材料还可以是其他金属容器等；第一电极和第二电极还可以是铝、不锈钢等其他电极；第一绝缘子和第二绝缘子的材料还可以是聚四氟乙烯、环氧树脂或石英等其他耐低温材料；绝缘层的材料可以是聚四氟乙烯、聚酰亚胺或环氧树脂等耐低温材料，但是不限于上述低温材料及其任意组合；第一温度监测器、第二温度监测器和第三温度监测器还可以是PT100、PT1000等温度传感器，但是不限于上述温度传感器；第一压力监测器和第二压力监测器还可以是压力传感器，但不限于上述的压力测试仪器；控制器还可以是手机、平板等其他智能终端；抽气泵还可以是分子泵等其他抽气装置；称量器可以是天平、电子秤、杆秤、地磅等多种形式；第二腔体内可以是液氦、液氮或沸水等不同介质中的任意一种，根据第一腔体的温度决定第二腔体内的控温介质。

作为另一种可替换的实施方式，第一电极为地电极，第二电极为高压电极；密封前，可以根据实际需求调整第一导线和第二导线在垂直方向的位置。

作为一种优选的实施方式，该实验装置还包括报警器27，用于样品泄露报警，可以是声、光、电等多种形式，报警器位于低温环境下介质绝缘特性的实验装置的任一位置。

实施例2

本实施例提供了一种介质绝缘特性的测试方法，使用实施例1提供的检测介质绝缘特性的装置，测试方法包括以下步骤，

测试前，实验装置周围应设置警戒线，操作人员要相互提醒远离装置并站在警戒线以外，保证足够的安全距离，不应小于4m；

调整第一电极和第二电极的间距为1mm，对第一腔体进行密封紧固；然后在常温条件下，充入30个大气压，并保压1h，检测第一腔体的气密性；

然后，将第一腔体内设于第二腔体，第二腔体内含有液氮作为控制介质，在第一腔体内充入不小于5个大气压的氦气，在液氮氛围中稳定至少10分钟，再将第一腔体从第二腔体中拿出，用氦质谱检漏仪进行连接点和密封处的漏点排查，检测第一腔体在低温条件下的气密性；

气密性检测结束后，使用3个大气压待测介质对气体瓶进行洗气，重复三次后，将不小于10个大气压待测介质充入气体瓶中，关闭气体瓶，备用；

使用3个大气压待测介质对实验装置进行洗气，重复三次后，关闭所有阀门，备用；

关闭第五阀门12，其他阀门全部打开，对实验装置进行抽真空，绝对压力达到20Pa以下时，关闭第三阀门14和抽气泵；

关闭第四阀门13，通入待测介质气体，待称量器上的数值稳定后记录初始值，然后打开第四阀门13，充入待测介质气体后，关闭第四阀门13，待称量器上的数值稳定后记录目标值，与初始值的差值即为待测介质气体的质量；

第一腔体在第二腔体中冷却，使温度达到-196℃，待测介质气体充分液化，连接电路，接通电源，进行绝缘特性的测试；

待测介质为甲烷和乙烷的混合液体，测试时，先通入乙烷气体，再通入甲烷气体，甲烷与乙烷的摩尔比为7:3。待测介质绝缘试验重复10次，每一次的测试过程中，控制升压速率为1kV/s，完成一次操作后，记录击穿电压的测试值，并用接地装置进行残余电荷释放，三秒后开始计时，满1min后进行下一次操作，重复上述操作，直到获得10个有效测试值，其平均值为43.94kV；本实施例是以击穿电压来表征待测介质的绝缘性，击穿电压越大，说明绝缘性越好。

实验结束后，对第一腔体进行升温，待测介质再由液体汽化为气体，打开第五阀门12，采样待测介质气体，以备进行放电产物成分分析；采样结束后，将剩余气体排放到废气罐中，进行无害化处理。

作为另一种可替换的实施方式，第一电极和第二电极的间距不限于1mm，还可以根据实际需求进行调整。洗气时的气压不限于3个大气压，但不小于2个大气压，可以根据实际需求进行调整。

作为另一种可替换的实施方式，还可以将第一腔体设于泡沫箱或其他开口容器中检漏，捡漏时以液氮作为控制介质。

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。而由此所引申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 (11)

1.一种检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，包括：

第一腔体，具有容纳介质的密封空间，用于测试待测介质的绝缘特性；内设有第一电极和第二电极；所述第一电极与第一导线连接，靠近所述第一电极的第一导线端部设置有第一绝缘子；所述第二电极与第二导线连接，靠近所述第二电极的第二导线端部设置有第二绝缘子；所述第一腔体的顶端为法兰盖，所述第一绝缘子贯穿所述法兰盖且与所述法兰盖紧配合；所述第二绝缘子贯穿所述法兰盖且与所述法兰盖紧配合；所述第一电极和所述第二电极位于同一水平面；

第二腔体，具有容纳介质的密封空间，用于控制所述第一腔体的温度；所述第二腔体内设有所述第一腔体；所述第一导线贯穿所述第二腔体与所述第二腔体密封连接；所述第二导线贯穿所述第二腔体与所述第二腔体密封连接；

介质容纳器，通过管道与所述第一腔体连接；

抽气泵，用于抽取所述装置内的气体以及调整所述装置的真空度。

2.根据权利要求1所述的检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，所述第二电极与所述第二导线之间设置有转接件，用于调整所述第一电极和所述第二电极的水平间距；

所述第二电极与所述转接件螺纹连接，所述转接件与所述第二导线螺纹连接；

所述第一电极与所述第一导线螺纹连接。

3.根据权利要求1或2所述的检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，所述第一腔体内的侧壁和底部设置有绝缘层；

所述第一腔体外部的至少一个侧面上设置有至少一个温度监测器，用于采集所述第一腔体的温度，并将其传送至控制器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，还包括介质输入管道和介质输出管道；

所述介质输入管道贯穿所述第二腔体与所述第一腔体连通，且所述介质输入管道与所述第二腔体密封连接；

所述介质输出管道贯穿所述第二腔体与所述第一腔体连通，且所述介质输出管道与所述第二腔体密封连接。

5.根据权利要求4所述的检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，所述抽气泵与所述介质输入管道连通；

所述介质容纳器分别与所述介质输入管道和所述抽气泵连通。

6.根据权利要求5所述的检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，所述介质容纳器与所述介质输入管道之间设置有清洁器；

所述介质容纳器包括称量器和气体瓶。

7.根据权利要求4-6任一项所述的检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，还包括，

第一压力监测器，设置于所述介质输入管道或所述介质输出管道上，用于监测所述第一腔体的压力；

第二压力监测器，设置于连通所述介质容纳器的管道上，用于监测所述介质容纳器的压力；

控制器，用以接收检测过程中监测数据。

8.根据权利要求1-7任一项所述的检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，所述第一绝缘子为聚四氟乙烯、陶瓷或石英；

所述第二绝缘子为聚四氟乙烯、陶瓷或石英；

所述第一腔体由抗拉强度不小于500MPa，壁厚不小于3mm的材料制成。

9.根据权利要求1-8任一项所述的检测介质绝缘特性的装置，其特征在于，在所述第二腔体内通入控温介质并控制所述第二腔体压力，实现所述第一腔体温度的控制。

10.一种低温环境下介质绝缘特性的测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的检测介质绝缘特性的装置，包括以下步骤，

实验装置经预处理后，将定量的待测介质通入第一腔体内测试其绝缘特性。

11.根据权利要求10所述的测试方法，其特征在于，所述预处理的实验步骤包括，检测实验装置的气密性、对实验装置洗气和调整实验装置的压力。

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