CN113092525A

CN113092525A - 含有热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统

Info

Publication number: CN113092525A
Application number: CN202110403331.XA
Authority: CN
Inventors: 李忠华; 高云徽; 韩没延; 刘畅; 彭程
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2021-07-09

Abstract

本发明涉及绝缘测试技术领域，公开了一种含有热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统，其特征在于，本发明通过在传统电极外侧加装热驱动保护电极的布置方式隔绝了电极热流的径向传递，热流方向仅为主加热电极轴向；通过轴对称以及中间对称的结构设计，热流功率在传递待测试样过程中未与空气进行热交换，轴向热流传递完全被绝缘材料试样吸收；通过计算主加热器有效加热功率即可获取稳态下待测试样的热流功率，功率测量方法简单有效；在电极带电条件下测量试样两面温差、加热功率以及试样厚度，实现了不同温度、不同外加电场下的固体绝缘材料热导率的精确测量，解决了传统热导率测试方法与绝缘材料工况不符的问题。

Description

含有热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统

技术领域

本发明涉及一种含有热驱动保护电极的电场下固体绝缘材料热导率测试系统，属于绝缘测试技术领域。

背景技术

电气领域中无论是电力设备还是电子产品，都离不开电子器件的散热问题。聚合物材料优异的绝缘性能以及良好的加工性受到人们广泛重视并应用于现代工业领域，但聚合物绝缘材料的低热导率大大限制了其应用范围。因此为满足电气绝缘领域的进一步发展需求，高导热聚合物绝缘材料成为研究热点。

热导率的测量方法一般分为稳态法和非稳态法。稳态法指的是实验中待测试样上温度分布达到稳定后进行测量,基于傅里叶定律结合稳态的导热微分方程,直接计算热导率。对于各向同性的连续均匀介质来说，在稳态条件下满足傅里叶定律：q＝λgradT。式中：q为热流密度(W/m²)；λ为热导率W/(m·K)；gradT为温度梯度(K/m)。其特点是实验公式简单,实验时间长,需要直接或者间接测量导热量和若干点的温度。常用的稳态热导率测试方法有热流计法和护热板法。非稳态法指的是实验测量过程中试样温度随时间变化的,其分析的出发点是非稳态导热微分方程。测量原理是对处于热平衡状态的试样施加某种热干扰,同时测量试样对热干扰响应随时间的变化,然后根据响应曲线确定试样材料参数数值。国际上主流的材料热物理性能接触式非稳态测量方法有以下几种:热线法、热探针法、热带法、脉冲平面热源法、阶跃平面热源法及热盘法。

上述常规热力学测试过程中在无外加电场条件下测试绝缘材料的导热性能，与绝缘材料工况严重不符。电力领域中固体绝缘材料在实际使用过程中处于高场强环境，其产生的电热效应对材料热导率存在影响，常规热导率测试不能反映绝缘材料在实际应用过程中的真实热导率。同时材料热导率确定了稳态下绝缘材料内部温度梯度分布，直流高压条件下绝缘内部温度梯度分布决定了绝缘材料的非线性电导特性，。若加电场具备调控绝缘材料热导率的功能，其将在不改变绝缘材料原子结构、不影响绝缘材料电绝缘性能下提高材料的导热性能。而目前关于电场调控绝缘材料热导率这一课题还缺乏可靠的测试系统，本发明将提供一种测试方法，实现电场下固体绝缘材料热导率和电导率的联合测试。

发明内容

为了克服现有测试方法的不足，本发明提供一种有热驱动保护电极的电场作用下绝缘材料导热测试系统。该测试系统应设计合理的直流电源，在固体绝缘材料两侧提供外加电场且提供加热能量。为高精度快速响应的温度传感器的安装提供有效方案，实现实时测量固态绝缘材料试样两侧温度数据以及流经试样的导热热通量进而获取材料热导率。为测试电极提供有效抑制热流向空间散热的方案，强制导热热通量经由绝缘材料试样进行热传导。亦需要综合考虑高电压测试情况下的电气隔离设计，充分考虑实验人员的操作安全性。

本发明采用的技术方案为：一种热驱动保护电极的电场作用下绝缘材料稳态导热测试系统，在传统电极外引入热驱动保护电极，基于稳态导热测量原理测量固体绝缘材料电场下热传导参数。它包括电源模块、电极模块、程控模块、测量模块、冷却模块。

所述电源模块主要功能是为测试装置提供激励，激励形式为高压直流或高压交流。其次为电极模块、热驱动保护模块供能，供能形式为24V/5V直流电压源。

所述电极模块由主加热电极、热驱动保护电极、隔离环、测量电极组成。主加热电极接入高压激励为试样提供外加电场，其中内置的加热器为试样提供稳定热流，加热器发热功率由程控模块控制进而保证温度稳定在设定值。隔离环为导热绝缘材质，其将主加热电极与热驱动保护电极电气隔离，热驱动保护电极与主加热电极等电位，主加热电极、热驱动保护电极以及测量电极构成三电极测量装置，避免了传统二电极测试过程中电荷沿被测试样表面泄漏问题。热驱动保护电极内置与主加热器同材料属性的辅助加热器、高精度快速响应的温度传感器采集主加热电极径向温度给程控模块，进而通过程控模块控制辅助加热器加热功率，使得热驱动保护电极内径温度跟随主加热电极外径温度，达到热传导隔离的目的。主加热器与辅助加热器采用高导热绝缘封装保证与高压激励隔离。热驱动保护电极通过螺纹组装的方式使得内部加热器以及导热绝缘结构元件紧密热接触。测量电极内置高精度快速响应温度传感器获取试样另一侧温度，温度采集范围在主加热电极截面以内。主加热电极、热驱动保护电极、隔离环、试样、测量电极采用中间对称结构，主加热电极、热驱动保护电极中传递的热通量沿轴方向传播时通过试样流向两侧测量电极，确保热流功率完全作用于待测试样。

所述程控模块获取温度传感器数据，通过单片机PID控制技术控制主加热器以及辅助加热器温度跟随效果，通过无线传输技术链接计算机虚拟仪器软件。

所述测量模块由皮安表以及虚拟仪器软件实现。皮安表提供电流时域谱，虚拟仪器软件中建立测试系统一维导热传导模型，基于稳态传热方程，结合热流功率、温度采集数据、试样厚度等数据计算待测绝缘材料试样热导率数值，数据处理后显示材料热导与温度的关系曲线。

所述冷却模块负责对测试系统的冷却。铜片接触加热电极后，通过水冷、铜管以及风扇的组合方式对测试后的电极模块进行冷却散热。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明通过在传统电极外侧加装热驱动保护电极的布置方式隔绝了电极径向的热流传递，实现了热流方向为主加热电极轴向；通过计算主加热器有效散热功率即可获取稳态下待测试样的热流功率，热流功率测量方法简单有效；通过轴对称以及中间对称的结构设计，热流功率在传递待测试样过程中未与外界进行热交换，轴向热流传递完全被绝缘材料试样吸收，实现了对两侧待测试样热流的精确测量；通过程控模块的温度设定可以简单便捷实现测量不同温度下材料的热导率；实现了外加电场下的固体绝缘材料热导率测试。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是热驱动保护电极的电场作用下绝缘材料稳态导热测试系统原理图。

图2是热驱动保护电极的电场作用下绝缘材料稳态导热测试系统电极模块示意图。

图3是加热电极左侧结构示意图。

图中：1、隔离变压器，2、高压电源，3、测量电极接地端，4、隔离环，5、测量电极测量端，6、皮安表，7、高压接线端，8、主加热电极，9、待测固体绝缘材料试样，10、热驱动保护电极，11、辅助加热器，12、温度传感器，13、主加热器，14、加热电源，15、功率控制电路，16、单片机，17、计算机，18、无线蓝牙装置，19、冷却模块，20、温度传感器安装孔，21、绝缘封装，22、出线孔，23、外螺纹，24内螺纹，25、螺栓安装孔，26测量电极，27，加热电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明提出一种含有热驱动保护电极的电场作用下绝缘材料稳态导热测试系统，其原理图如附图1所示，下面将结合附图1、2、3，关于含有热驱动保护电极的电场作用下绝缘材料稳态导热测试系统的具体实施方式进行详细说明。

具体实施方式一：

附图1示意出一种含有热驱动保护电极的电场作用下绝缘材料稳态导热测试系统，其由硬件部分、软件部分组成。硬件部分包括电源模块、电极模块、程控模块、测量模块和冷却模块19。电源模块包括隔离变压器1、高压电源2、加热源3。电极模块由测量电极26、加热电极27构成。程控模块包含功率温度传感器12、控制电路15和单片机16。测量模块包含计算机17和无线蓝牙装置18。所述电源模块外接电网交流220V电压，通过隔离整流稳压方式提供可调高压电源2和稳定24V直流电压加热源14。由附图2可知，电极模块中将加热电极27放置于两侧测量电极26之间，测量电极26另一侧通过在螺栓安装孔25中安装螺栓进而对测量电极26进行固定。两片厚度已知的待测固体绝缘材料试样9放置于测量电极26和加热电极27之间。调节测量电极26螺栓长度，使得两侧测量电极26向内移动，待测固体绝缘材料试样9和加热电极27紧密接触。加热电极27下方由环氧树脂凹槽支撑。主加热电极8、隔离环4和热驱动电极10由内向外组成加热电极27。参见图3，两个主加热电极8放置于主加热器13的两侧，隔离环恰好配合于主加热电极8外圈。辅助加热器11为环状薄片形状，放置于热驱动电极10之间。主加热器13与辅助加热器11连接加热电源14并使用绝缘封装21达到导热兼顾电气隔离目的。组装完加热器后，将两部分热驱动电极10通过外螺纹23和内螺纹24的配合夹紧加热器，改变旋螺纹的松紧程度可适当调节对加热器器件的接触紧密程度。加热电极27通过高压接线端7与高压电源衔接。测量电极26包括测量电极测量端5、隔离环和测量电极接地端3，与加热电极27构成三电极系统。程控模块中温度传感器12的触头分布于主加热器13、辅助加热器11、测量电极测量端5，电流模拟量经过芯片处理后传入单片机16。单片机16通过无线蓝牙装置18连接计算机17。计算机17通过虚拟仪器软件下达指令给单片机16进而控制功率控制电路15。

具体实施方式二：

在具体实施方式一的基础上，具体地，本实施例的材料为低密度聚乙烯，调节高压电源2电压为直流10KV，使得加热电极为10KV，测量电极接地端3接地，待测固体绝缘材料试样9两侧产生电位差。已知电压大小10kV以及试样厚度1mm，确定施加的电场强度为10KV/mm。热接触较差部分使用导热硅脂进行填充，电极接触面尽可能光滑，待测固体绝缘材料试样9表面喷涂导热漆，保证热接触良好。计算机设定加热温度80℃后功率控制电路15控制加热功率使得稳态后主加热器处的温度传感器12温度与80℃的绝对值小于0.1℃。获取试样测量电极处的温度数据作平均处理，得到温度数值。通过功率控制电路的控制状态获取施加于主加热器13的功率数值。功率数值乘以主加热电极8与测量电极测量端的温度差再除以主加热电极8截面积、待测绝缘材料试样9的厚度，得到已知电场下待测固体绝缘材料试样9在设定温度下的热导率。由于热驱动保护电极10未工作，主加热器13中部分加热能量向空气散热，热导率数值较真实值偏大。

具体实施方式三：

在具体实施方式二的基础上，具体地，单片机16控制热驱动保护电极加热功率，使得热驱动保护电极10温度跟随主加热电极8温度直到稳态。获取试样测量电极处的温度数据作平均处理，得到温度数值。通过功率控制电路15的控制状态获取施加于主加热器的功率数值。功率数值乘以主加热电极8与测量电极测量端的温度差再除以主加热电极8截面积、待测绝缘材料试样9的厚度，得到已知电场下待测固体绝缘材料试样9在设定温度下的热导率。在热驱动保护电极10工作下主加热电极8与热驱动保护电极10之间区域温度一致，两者之间不存在热传导。作用于主加热器13的加热功率仅仅为二维轴向传递，完全作用于待测绝缘材料试样9，实现了对两侧待测试样热流的精确测量，热导率的测量更加准确。

以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims

1.一种热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统，其特征在于，在传统电极外引入热驱动保护电极，基于稳态导热测量原理带电测试固体绝缘材料电场下热传导参数。它由电源模块、电极模块、程控模块、测量模块、冷却模块组成。所述电源模块主要功能是为测试装置提供高压激励和供能。所述电极模块由加热电极和测量电极组成。加热电极接入高压激励为试样提供外加电场，其中内置的主加热器为试样提供稳定热流，加热器发热功率由程控模块控制进而保证温度稳定在设定值。热驱动保护电极与主加热电极等电位，主加热器与辅助加热器采用高导热绝缘封装保证与高压激励隔离。隔离环将主加热电极与热驱动保护电极电气隔离，测量电极内置高精度温度传感器获取试样另一侧温度，温度采集范围在主加热电极截面以内。

2.根据权利要求1所述一种含有热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统，其特征在于，主加热电极、热驱动保护电极、隔离环、试样、测量电极采用中间对称结构，主加热电极、热驱动保护电极中传递的热通量沿轴方向传播时皆流向两侧待测绝缘材料试样，轴向方向热流无空气自然散热方式。

3.根据权利要求2所述一种含有热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统，其特征在于，热驱动保护电极内置与主加热器同材料属性的辅助加热器。温度传感器采集主加热电极径向温度给程控模块，进而程控模块控制辅助加热器加热功率，使得热驱动保护电极内径温度跟随主加热电极外径温度，达到热传导隔离的目的，热流传递方向仅为二维轴向传递，热流完全作用于待测绝缘材料试样。

4.根据权利要求3所述一种含有热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统，其特征在于，热驱动保护电极通过螺纹组装的方式使得主加热器、辅助加热器以及导热绝缘结构元件紧密热接触。

5.根据权利要求4所述一种含有热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统，其特征在于，所述程控模块获取温度传感器数据，通过单片机PID控制主加热器以及辅助加热器温度跟随效果，通过无线蓝牙传输技术链接计算机虚拟仪器软件。

6.根据权利要求5所述一种含有热驱动保护电极的电场下绝缘材料稳态导热测试系统，其特征在于，所述测量模块由皮安表以及虚拟仪器软件实现。皮安表提供电流时域谱，虚拟仪器软件中建立测试系统一维导热传导模型，基于稳态传热方程，结合热流功率、温度采集数据、试样厚度等数据计算得到不同温度、不同外加电场下的固体绝缘材料热导率的精确测量数值。