CN113267712A - 一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置，包括：真空绝热腔，其为测试试验提供真空绝热环境；制冷机，其为测试系统提供冷量；屏蔽罩，其与制冷机一级冷头相连接，起到减少辐射漏热的作用；高压电极架插入管，该高压电极架插入管上端为敞口端，下端为封闭端，该封闭端伸入屏蔽罩内；高压电极架，其第一端连接高压电极测试装置，另一端与高压电极架插入管的敞口端为可拆式密封连接。本发明能够满足在不同的低温温度、真空压力和气体氛围下，实现固体绝缘介质放电击穿特性测试实验；且将测试样品换为特定绝缘气体后，可实现低温下气体绝缘介质放电击穿性能测试，具有样品更换便捷、测试周期短和多功能测试等优点。

Description

一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置

技术领域

本发明涉及低温超导绝缘介质性能测试技术领域，更具体地涉及一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试装置的设计。

背景技术

随着低温超导技术的发展，低温绝缘介质得到更广泛的运用，针对不同低温条件和真空压强下绝缘介质的电气性能研究受到越来越多的关注。电气部件绝缘层长期在高真空和深低温环境下工作，可能对其电气性能造成影响，导致绝缘介质放电击穿现象的产生。由此，需要一种能够实现在低温真空环境下进行绝缘介质击穿特性测试的放电装置。

在公开号为CN102707204A的专利文件中公开了《低温真空环境绝缘试样击穿放电测试实验平台》，该专利中设计了一个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的测试实验平台，其中三层实验杜瓦包括真空测试容器、液氦冷却筒和真空绝热外筒，该装置能够实现各种被测试绝缘样件的击穿放电性能测试；但其使用液氦降温的方式成本高、降温慢，且被测试绝缘样件更换方式复杂，测试效率较低。

在公开号为CN109782146A的专利文件中公开了《一种基于传导冷却测试低温绝缘材料的绝缘特性的装置》，该专利中设计了一种基于制冷机传导冷却在真空低温试验箱中对低温绝缘材料进行绝缘特性测试的装置，该装置能够有效解决传导冷却工况下片状或薄膜低温绝缘材料电学性能、击穿耐压特性和沿面闪络特性的测试问题；但其装置只是简单地将测试装置与制冷装置连接后放入真空腔室中，未将测试系统与真空绝热腔隔开，致使更换测试样品时，将破坏真空绝热腔真空环境，测试效率低；且未考虑到真空系统中的热辐射效应，导致在深低温测试过程中的隔热效果较差。

由此可见，现有的低温绝缘介质击穿特性测试装置都存在测试样品更换方式繁琐、测试周期长和效率不高等问题。

发明内容

本发明提出了一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置，以满足在不同低温温度、真空压力和气体氛围条件下实现固体绝缘介质放电击穿特性测试实验，且将测试样品换为特定绝缘气体并更换相应电极后，此装置还可实现低温下绝缘气体放电击穿性能测试。

本发明的技术方案如下：

本发明一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置，其特点在于：所述装置包括：真空绝热腔，其为测试试验提供真空绝热环境；制冷机，其为测试系统提供冷量，用以将测试样品的温度降到测试温度；屏蔽罩，其与制冷机一级冷头相连接，处于低温状态，起到减少辐射漏热的作用，其特征在于，包括容纳高压电极测试系统；高压电极架插入管，该高压电极架插入管上端为敞口端，下端为封闭端且与制冷机二级冷头相连接，该封闭端伸入屏蔽罩内；高压电极架，其管架内包含连接高压电极和接地电极的电线，其第一端连接高压电极测试系统，另一端与高压电极架插入管的敞口端为可拆式密封连接；高压电极测试装置，其自上而下依次包含：上电极固定板、上电极、样品压板、测试样品、下电极、下电极固定板。

所述的制冷机二级冷头与高压电极架插入管铜制底端相连接，冷量依次通过铜制底端、绝缘导冷片和下电极传递到测试样品。

所述的屏蔽罩包含容纳高压电极测试系统、制冷机二级冷头和高压电极架插入管下端。

所述的高压电极架插入管上端为敞口端，下端为封闭端，该封闭端伸入屏蔽罩内；其敞口端含有侧管道接口，用于连接真空泵机组、真空计和气源瓶，为高压电极架插入管获得与监测真空环境以及通入特定气体；其封闭端底部为无氧铜材料，并为凹槽结构，用于传递冷量及为下电极定位。

所述的高压电极架下端连接高压电极测试装置，高压电极测试装置与高压电极架下端一并由高压电极架插入管上端插入其中，并且高压电极架与高压电极插入管实现可拆式密封连接。

所述的高压电极测试装置的下电极与高压电极架插入管铜制底端之间放置绝缘导冷片，用于传递冷量以及防止放电电流流过其他装置。

本发明的有益效果是：本发明的一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置具有独立的高压电极测试装置真空环境，其特征是，高压电极架插入管将真空绝热系统真空环境与电极测试真空环境相隔绝，更换测试样品时不破坏真空绝热腔真空环境。所述的高压电极架连接高压电极测试装置，可以便捷地将其取出，达到快速地更换测试样品。同时，高压电极测试装置是独立可拆卸式连接的，通过更换不同的测试装置，可以实现绝缘介质其他电气性能的测试，如固体绝缘介质在低温下沿面闪络性能的测试，到达多功能测试要求。所述的上电极采用可拆式螺纹连接，其用以便捷更换不同形状的上电极进行测试试验。所述的制冷机包括一级冷头与二级冷头，其一级冷头与屏蔽罩相连，使屏蔽罩处于低温状态，起到减少辐射漏热的作用。所述的气源瓶接口可以通过接入不同的气源，实现低温固体绝缘介质在不同气体氛围下的放电击穿特性测试研究。所述的测试样品换为特定绝缘气体后，通过改变电极形状及长短，可实现低温下绝缘气体放电性能测试。因此，与传统的低温绝缘介质击穿特性测试装置相比，本发明的一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置具有样品更换便捷、测试周期短、测试效率高和多功能测试等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的高压电极架及高压电极测试装置的结构示意图。

图3为本发明的高压电极架插入管的结构示意图。

其中，图中标号：1-高压电源，2-接地极引线，3-真空绝热腔，4-屏蔽罩，5-二级冷头，6-一级冷头，7-制冷机，8-高压电极测试装置，9-高压电极架插入管，10-高压电极架，11-下电极，12-下电极固定板，13-样品压板，14-测试样品，15-上电极，16-上电极固定板，17-上端盖，18-下端盖，19-绝缘导冷片，20-铜制底端，21-抽气阀，22-真空泵机组及真空计接口，23-充气阀，24-气源瓶接口。

具体实施方式

图1是本发明的一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置的结构示意图。如图1所示，本发明的一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置主要包括真空绝热腔3，屏蔽罩4，制冷机7，高压电极测试装置8，高压电极架插入管9，高压电极架10等。高压电极测试装置8测试时，整个装置处于从外到内依次由真空绝热腔3、屏蔽罩4和高压电极架插入管9组成的三层真空绝热层中。真空绝热腔3为测试系统提供真空绝热环境，有效地防止冷量的散失。屏蔽罩4处于真空绝热腔3内，与制冷机一级冷头6相连接，使其温度达到和一级冷头6相同的低温状态，为测试装置起到减少辐射漏热的作用，更好地提升了绝热效果。高压电极架插入管9中的铜制底端20一端处于屏蔽罩4内部，另一端伸出真空绝热腔3外，使高压电极测试装置8所在真空环境与真空绝热腔3中真空环境相互隔绝，起到使测试样品14在不破坏真空绝热腔3真空环境的情况下便捷更换的作用。高压电极架10与高压电极测试装置8相连接，可在更换测试样品14时，将高压电极测试装置8快速取出，连接高压电源1的引线与接地极引线2通过高压电极架10的内管引出至真空装置外。制冷机7，其为测试系统提供冷量，以使测试样品14的温度降到测试温度，其包括一级冷头6与二级冷头5，其中一级冷头6与屏蔽罩4相连，使屏蔽罩4处于低温状态，减少辐射漏热；二级冷头5与铜制底端20相连，通过接触传热的方式为测试样品14提供冷量。制冷机7可以是G-M制冷机、脉冲管制冷机或斯特林制冷机，也可以是制冷机机组。

图2和图3分别表示出了高压电极架10和高压电极测试装置8及高压电极架插入管9的结构。如图2所示的高压电极架及高压电极测试装置的结构示意图中，高压电极测试装置8中主要从下到上依次包括下电极11，下电极固定板12，测试样品14，样品压板13，上电极15，上电极固定板16等。下电极固定板12、样品压板13和上电极固定板16均为绝缘材料，下电极固定板12用于固定下电极11；样品压板13用于压紧固定测试样品14，并使测试样品14与下电极11紧密贴合；上电极固定板16将上电极15固定在其中心位置。上电极15一端连接高压电源1引线，另一端与测试样品14紧密贴合，上电极15可拆分为两个部分，连接引线一端固定在上电极固定板16内，另一端与连接引线这端采用可拆式螺纹连接，其用以便更换不同形状上电极进行测试试验。下电极11连接接地极引线2。高压电极架10连接高压电极测试装置8，互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8适于插入到高压电极架插入管9内，高压电极架10的上端盖17与高压电极架插入管9的下端盖18均是法兰结构，两者为可拆式密封连接。当互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8插入到高压电极架插入管9内并且上述法兰结构密封连接后，下电极11紧密压合固定在铜制底端20上的绝缘导冷片19，有效地实现绝缘导冷片19传递冷量的作用。高压电极测试装置8在高压电极架插入管9内具有独立的真空环境并且可以快速更换待测样品14。高压电极架插入管9管壁材料为不锈钢，但其底部为导热性较高的无氧铜材料，用于传导冷量。铜制底端20为凹槽结构，用于下电极11定位固定。绝缘导冷片19为导热性高的绝缘薄片，其固定在铜制底端20上，用于电绝缘与传递冷量。高压电极架插入管9敞口端含有侧管道接口，真空泵机组及真空计接口22用于连接真空泵机组和真空计，为高压电极架插入管9获得真空环境与监测其真空度；气源瓶接口24连接气源瓶，用于通入特定气体。抽气阀21用于调节通过真空泵机组及真空计接口22抽出气体的流量，充气阀23用于调节通过气源瓶接口24充入气体的流量。将整体测试装置接地，以防止高压装置漏电。

本发明的一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置的工作流程如下：

首先将已安装好测试样品14且互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8插入到高压电极架插入管9中，使下电极11在铜制底端20固定并与绝缘导冷片19压紧贴合，并密封连接好接口处的法兰。接着将真空绝热腔3抽气至高真空状态，打开抽气阀21，将高压电极架插入管9抽真空至高真空状态。然后停止抽气，打开充气阀23，往高压电极架插入管9充入几帕或十几帕级别的氦气，再抽至高真空状态，反复几次充抽氦气，用于除去高压电极架插入管9内的空气，防止测试时水汽等气体分子在管内结冰。之后停止充入氦气，关闭充气阀23，并对高压电极架插入管9抽真空至高真空状态，然后启动制冷机7开始对整个测试装置进行降温，当测试样品14的温度降低到测试温度时，可以开始对测试样品14进行放电击穿特性测试，打开高压电源1，使其电压从零开始稳定增加，直至测试样品14发生击穿，记录测试相关击穿数据，完成首次测试。

然后打开充气阀23，通过气源瓶接口24给高压电极架插入管9内充入氦气，使高压电极架插入管9内的压强略大于大气压强，拆开接口处的法兰，并保持给高压电极架插入管9供给氦气，将互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8一起取出，然后用盲板法兰密封高压电极架插入管9的敞口端。在取出的高压电极测试装置8上更换新的测试样品14，安装好测试样品14后，再充入略大于大气压强的氦气，打开盲板法兰，并保持供给氦气，快速地将相互连接的高压电极架10和高压电极测试装置8一起插入到高压电极架插入管9中，使下电极11在铜制底端20固定并与绝缘导冷片19压紧贴合，并密封连接好接口处的法兰，最后停止充入氦气，关闭充气阀23，并对高压电极架插入管9抽真空至高真空状态。当测试样品14的温度降低到测试温度时，可以再次开始对测试样品14进行放电击穿特性测试。

如果本发明装置配备两个及以上的互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8时，当其中一个正在进行测试时，可以同时在另一个上装夹好下一个测试样品14。当上一个测试样品14测试完毕时，可以保持制冷机7继续工作，向高压电极架插入管9充入氦气，使其压强略大于大气压强并保持充入氦气，拆开连接法兰，取出互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8，快速更换好准备好的另一个互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8。如果只配备了一个互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8时，则用盲法兰密封接口。

在测试过程中，通过控制高压电极架插入管9内的真空度，可以实现在不同真空条件下的放电击穿特性测试，以满足不同压力的测试需求；通过调节制冷机7或者增加控温装置提供不同温度的测试，以满足不同低温温度的测试需求；通过更换不同形状的上电极15，以满足在不同形状的电极下发生击穿的测试需求；通过充入不同的气源气体，以满足在不同气体氛围下的放电击穿特性测试需求。在测试准备时，通过气源瓶接口24持续充入不同的特定气体，然后通过真空泵机组及真空计接口22调节测试气体氛围的压强，最后实现在不同气体氛围下固体绝缘介质放电击穿特性的测试。

本发明用于低温下绝缘气体放电击穿性能测试时装置的工作流程如下：

以氦气放电击穿测试为例，首先将高压电极测试装置8中的样品压板13和测试样品14拆下，并更换形状及长度适合的上电极15，使上下电极间保持适当间隙。如上述操作，将互相连接的高压电极架10和高压电极测试装置8插入到高压电极架插入管9中，固定好下电极11并连接好法兰后，将真空绝热腔3和高压电极架插入管9抽真空至高真空状态，往高压电极架插入管9充入几帕或十几帕级别的氦气，再抽至高真空状态，反复几次充抽氦气，用于除去高压电极架插入管9内的杂质气体。通过抽气阀21与充气阀23调控待测氦气真空度，达到测试时所需的压强后，启动制冷机7进行降温。达到测试温度后，开始对测试气体进行放电击穿特性测试。根据上述更换待测样品14的操作步骤，可针对绝缘气体击穿测试进行电极形状的更换和上下电极间距的调整，以满足能够进行在不同形状电极与击穿间距下绝缘气体放电击穿特性的测试要求。且上下电极之间的间距需保持比上电极15与管壁的距离小得多，以防止绝缘气体在上电极15与管壁发生放电击穿。

虽然已经描述了本发明的优选实施例，但本发明显然不应局限于上述的实施例和附图所述内容。因此，在不超出本申请范围的前提下，本领域技术人员完全可以根据上述技术内容和技术教导对本发明所述的各单独特征或特征组合进行修改和改动。

Claims (10)

1.一种用于低温真空环境绝缘介质放电击穿特性测试的装置，其特征在于，所述装置包括：

真空绝热腔，其为测试试验提供真空绝热环境；

制冷机，其为测试系统提供冷量，用以将测试样品的温度降到测试温度；

屏蔽罩，其与制冷机一级冷头相连接，处于低温状态，起到减少辐射漏热的作用，其特征在于，包括容纳高压电极测试系统；

高压电极架插入管，该高压电极架插入管上端为敞口端，下端为封闭端且与制冷机二级冷头相连接，该封闭端伸入屏蔽罩内；

高压电极架，其管架内包含连接高压电极和接地电极的电线，其第一端连接高压电极测试系统，另一端与高压电极架插入管的敞口端为可拆式密封连接；

高压电极测试装置，其自上而下依次包含：上电极固定板、上电极、样品压板、测试样品、下电极、下电极固定板。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空绝热腔包含屏蔽罩，且更换测试样品时不破坏真空绝热腔真空环境。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述制冷机包括一级冷头与二级冷头，其一级冷头与屏蔽罩相连，使屏蔽罩处于低温状态，起到减少辐射漏热的作用，且屏蔽罩包含容纳高压电极测试系统、制冷机二级冷头和高压电极架插入管下端。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述二级冷头与高压电极架插入管铜制底端相连接，冷量依次通过铜制底端、绝缘导冷片和下电极传递到测试样品。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压电极架插入管上端为敞口端，下端为封闭端，该封闭端伸入屏蔽罩内，其下端底部为无氧铜材料，并为凹槽结构，用于传递冷量及为下电极定位。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述高压电极架插入管上端含有侧管道接口，用于连接真空泵机组、真空计和气源瓶，为高压电极架插入管获得与监测真空环境以及通入特定气体。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压电极架下端连接高压电极测试装置，两者一并由高压电极架插入管上端插入其中，且高压电极架与高压电极插入管实现可拆式密封连接。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压电极测试装置的下电极与高压电极架插入管铜制底端之间放置绝缘导冷片，用于传递冷量以及防止放电电流流过其他装置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上电极采用可拆式螺纹连接，其用以便更换不同形状的上电极进行测试试验。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测试样品换为充入的特定绝缘气体并更换相应电极后，可实现低温下绝缘气体放电击穿性能测试。

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