CN115166439A - 一种无机粉体介电特性测试的三电极装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无机粉体介电特性测试的三电极装置及其使用方法，属于无机粉体材料电气绝缘性能测试技术领域。本发明解决了现有介电特性测试装置无法进行无机粉体介电特性研究的技术问题。本发明提出了一种用于无机粉体介电特性测试研究的三电极系统，该系统包括机械部分和电气测量部分，其中机械部分通过旋转升降螺栓，并利用压力传感器测试压力实现对无机粉体外部压力的改变和测试。电气测量部分包括具有特殊结构的三电极系统，能够完成电学量的测试功能的同时，还使得标准板与内绝缘桶之间的的高度距离等于高压电极与测量极之间的高度，即粉体的厚度，通过塞尺测量标准板与内绝缘桶之间的的高度距离，即可得到粉体的厚度。

Description

一种无机粉体介电特性测试的三电极装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种无机粉体介电特性测试的三电极装置及其使用方法，属于无机粉体材料电气绝缘性能测试技术领域。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)作为可能取代架空线路、电力电缆以及穿墙套管的替代方案，在大容量、长距离输电领域已经得到日益广泛的应用，传统的GIL使用SF6作为绝缘介质而存在成本太高、分解物对设备和人有损害、对工作环境有一定要求、对环境有危害等缺点，而一些无机粉体的绝缘性能、导热性能都不错，是一种可替代SF6气体的材料，无机粉体绝缘管道(IPIL)是哈尔滨理工大学李忠华教授课题组提出的一种新的概念，即用无机粉体替代部分或全部SF6气体。
无机粉体作为功能调料制备聚合物复合绝缘改善了复合材料的力学、热学和电气性能，长期以来一直是电气绝缘学科的热点研究领域，研究领域十分广泛，相关研究报道很多。无机粉体由于具有高导热性、耐高温、抗热老化、无毒可重复利用等一系列优点，在一些特殊领域，无机粉体电介质材料相较于有机电介质材料具有难以替代的巨大优势，使得无机粉体电介质材料可以得到广泛的应用，如氧化镁矿物绝缘电缆。
无论是无机粉体作为填料添加到聚合物中，还是无机粉体自身作为绝缘介质，都需要对无机粉体的介电特性和击穿特性的深入研究，但是现有介电特性测试装置针对的多是块状或板材料，粉末材料测试时需要预先将其制作成块状或板材状后方可测试，其测试结果受材料加工工艺水平的影响，且无法完成不同状态下粉体在不同电场强度下电导率，极化强度、介电常数和介质损耗的测量。因此，提供一种新型的用于无机粉体介电特性测试的三电极装置是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有介电特性测试装置无法进行无机粉体介电特性研究的技术问题，提供一种无机粉体介电特性测试的三电极装置及其使用方法。
本发明的技术方案：
本发明的目的之一是提供一种无机粉体介电特性测试的三电极装置，包括上盖1、下盖2、外绝缘桶3、高压电极4、保护极6和测量极13，上盖1通过多根升降螺栓14可拆卸固定在下盖2上方构成高度可调节的测试腔，外绝缘桶3、高压电极4、保护极6和测量极13置于测试腔内；高压电极4为桶状位于外绝缘桶3内，且高压电极4的内部固定套设有内绝缘环5；保护极6为桶状倒扣安装在内绝缘环5的内部，且与内绝缘环5紧密贴合；测量极13置于保护极6的内部，且两者间通过绝缘结构实现电气绝缘；保护极6的上方依次放置标准板7和垫块8，垫块8上安装有压力传感器9。
进一步限定，高压电极4的侧壁上开有接线柱安装孔15。
更进一步限定，电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与高压电极4固定连接，另一端与高压极引线连接，高压极引线自由端伸至测试腔外部。
进一步限定，保护极6的底部开设有测量极引线通孔16、接线柱安装孔15和多个定位通孔17，其中测量极引线通孔16位于底部中心，接线柱安装孔15位于底部边缘处。
更进一步限定，电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与保护极6固定连接，另一端与屏蔽线连接，屏蔽线自由端伸至测试腔外部。
进一步限定，第一绝缘柱10紧密贴合安装在保护极6内的底部，且第一绝缘柱10的底部设有与保护极6对应的定位孔，通过螺栓实现保护极6和第一绝缘柱10的固定。
进一步限定，绝缘结构包括第一绝缘柱10、第二绝缘柱11和绝缘环12。
更进一步限定，测量极13为圆柱体，其外侧套装有绝缘环12，其底面与第二绝缘柱11连接后置于保护极6内，第二绝缘柱11与第一绝缘柱10紧密贴合，且第二绝缘柱11以及绝缘环12的外壁与保护极6的内壁紧密贴合。
更进一步限定，第一绝缘柱10和第二绝缘柱11的中心均开有与测量极引线通孔16对应的通孔用于测量极引线的贯穿。
进一步限定，测量极13的底部设有接线柱安装孔15，电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与测量极13固定连接，另一端与测量极引线连接，测量极引线自由端伸至测试腔外部。
进一步限定，测量极13、第一绝缘柱10和第二绝缘柱11的高度总和与保护极6的内壁高度相同。
进一步限定，保护极6的外壁高度不小于内绝缘环5的高度。
进一步限定，内绝缘环5的高度大于高压电极4的内壁高度。
进一步限定，绝缘环12的高度与测量极13的高度相同。
进一步限定，内绝缘环5、第一绝缘柱10、第二绝缘柱11和绝缘环12为聚四氟乙烯材质。
进一步限定，高压电极4、保护极6和测量极13的材质为黄铜。
本发明的目的之二是应用上述三电极装置完成不同温度下，不同压力下、不同湿度下无机粉体的电导电流、时域电流、表面电位、介电常数及介质损耗角正切的测试。
进一步限定，完成不同状态下粉体在不同电场强度下电导率，极化强度、介电常数和介质损耗的测量，实现对粉体介电特性的表征。
本发明的目的之三是提供上述三电极装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1，首先将绝缘环12套装在测量极13外侧，然后将电极接线柱的一端通过接线柱安装孔15与测量极13固定连接，另一端与测量极引线连接，测量极引线自由端穿过第二绝缘柱11的中心通孔，并将第二绝缘柱11与测量极13固定，然后将第一绝缘柱10安装在保护极6的底部，并使用螺栓通过定位通孔17使两者固定，然后将测量极引线自由端依次穿过第一绝缘柱10的中心通孔和保护极6中心处的测量极引线通孔16并伸出，且测量极13、绝缘环12、第一绝缘柱10、第二绝缘柱11以及保护极6的内壁之间紧密贴合，测量极13的顶面与保护极6的上部边缘位于同一平面内，最后将电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与保护极6固定连接，另一端与屏蔽线连接，屏蔽线自由端伸出，获得保护电极系统。
步骤2，首先将内绝缘环5套设安装在高压电极4内，并保证内绝缘环5的外壁与高压电极4的内壁紧密贴合，然后将电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与高压电极4固定连接，另一端与高压极引线连接，高压极引线自由端伸出，获得高压电极系统。
步骤3，首先将外绝缘桶3置于下盖2上，然后将步骤1获得的保护电极系统倒扣置于步骤2获得的高压电极系统内，并保证保护极6的外壁与内绝缘环5的内壁紧密贴合，并将构成的整体置于外绝缘桶3内，然后将标准板7放置在保护极6的上方并保证测量极引线伸出，在标准板7的上方放置安装有压力传感器9的垫块8，通过升降螺栓14固定上盖1，使上盖1与压力传感器9接触，并保标准板7与内绝缘环5的边缘贴合，校正两者之间的距离，获得一个具体的压力值。
步骤4，首先分离保护电极系统和高压电极系统，将待测试的无机粉体注入内绝缘环5内，并将无机粉体铺平均匀，然后将保护电极系统置于高压电极系统内，然后将标准板7放置在保护极6的上方并保证测量极引线伸出，在标准板7的上方放置安装有压力传感器9的垫块8，通过升降螺栓14固定上盖1，使上盖1与压力传感器9接触，调整升降螺栓14，使压力值与步骤3的压力值相同，使用塞尺测量标准板7与内绝缘环5间的距离，该距离值即为无机粉体(待测样品18)的厚度值，也是测量极13和高压电极4之间的距离值。
步骤5，首先将测试仪器的高压测试线与高压极引线自由端连接，测试仪器的测量线与测量极引线自由端连接，测试仪器的地线与屏蔽线自由端连接。为了避免测试时受到外界电磁干扰，测量用的接线采用屏蔽线和射频接头，实现小电流的精准测试。
步骤6，根据测试电场强度的要求，计算施加在粉体上的电压，完成不同电场情况下，电导电流、时域电流、表面电位、介电常数及介质损耗角正切的测试。
步骤7，根据步骤6所得结果计算粉体在不同电场强度下电导率，极化强度、介电常数和介质损耗的测量，实现对粉体介电特性的表征。
进一步限定，通过改变无机粉体的种类、粒径、堆砌状态以及温度，或者通过调整升降螺栓14对待测样品18施加的的压力等，实现不同条件下对无机粉体介电特性影响的表征。
本发明提出了一种用于无机粉体介电特性测试研究的三电极系统，该系统包括机械部分和电气测量部分，其中机械部分由压力传感器、上盖、下盖、垫块等组成，并通过升降螺栓穿过上盖、下盖通孔连接固定，通过旋转升降螺栓，并利用压力传感器测试压力后由显示器显示压力，实现对无机粉体外部压力的改变和测试，同时改变无机粉体的堆砌状态。电气测量部分包括具有特殊结构的三电极系统，完成电学量的测试功能的同时可以实现粉体盛装并可以传递给粉体机械压力。同时巧妙结构设计使得标准板与内绝缘桶之间的的高度距离等于高压电极与测量极之间的高度，即粉体的厚度，通过塞尺测量标准板与内绝缘桶之间的的高度距离，即可得到粉体的厚度。与现有技术相比还具有以下有益效果：
(1)本发明提供的测试装置可以完成不同温度下，不同压力下、不同湿度下无机粉体的电导电流、时域电流、表面电位、介电常数及介质损耗角正切的测试。
(2)本发明可以通过升降螺栓施加压力，保证压力方向与电极垂直的同时保证电极间粉体受到的压力与传感器测量的压力相同，从而实现了电极间粉体所受压力的测量，实现了对无机粉体的堆砌状态的宏观表征。
(3)本发明测试用的接线采用屏蔽线和射频接头，防止外界电磁干扰，实现小电流的精准测试。
附图说明
图1为无机粉体介电特性测试的三电极装置的剖面示意图；
图2为保护极的俯视图；
图3为高压电极的立体结构示意图；
图4为注粉后的三电极装置的剖面示意图；
图中1-上盖，2-下盖，3-外绝缘桶，4-高压电极，5-内绝缘环，6-保护极，7-标准板，8-垫块，9-压力传感器，10-第一绝缘柱，11-第二绝缘柱，12-绝缘环，13-测量极，14-升降螺栓，15-接线柱安装孔，16-测量极引线通孔，17-定位通孔，18-待测样品。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
本实施例的实施基于新型三电极装置实现，具体的该装置如图1所示，包括上盖1、下盖2、外绝缘桶3、高压电极4、保护极6和测量极13，上盖1通过多根升降螺栓14可拆卸固定在下盖2上方构成高度可调节的测试腔，外绝缘桶3、高压电极4、保护极6和测量极13置于测试腔内；高压电极4为桶状位于外绝缘桶3内，且高压电极4的内部固定套设有内绝缘环5；保护极6为桶状倒扣安装在内绝缘环5的内部，且与内绝缘环5紧密贴合；测量极13置于保护极6的内部，且两者间通过绝缘结构实现电气绝缘；保护极6的上方依次放置标准板7和垫块8，垫块8上安装有压力传感器9。
其中，如图3所示，高压电极4的侧壁上开有接线柱安装孔15，电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与高压电极4固定连接，另一端与高压极引线连接，高压极引线自由端伸至测试腔外部。
其中，如图2所示，保护极6的底部开设有测量极引线通孔16、接线柱安装孔15和多个定位通孔17，其中测量极引线通孔16位于底部中心，接线柱安装孔15位于底部边缘处，电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与保护极6固定连接，另一端与屏蔽线连接，屏蔽线自由端伸至测试腔外部。
其中，测量极13为圆柱体，其外侧套装有绝缘环12，其底面与第二绝缘柱11连接后置于保护极6内，第二绝缘柱11与第一绝缘柱10紧密贴合，且第二绝缘柱11以及绝缘环12的外壁与保护极6的内壁紧密贴合，第一绝缘柱10和第二绝缘柱11的中心均开有与测量极引线通孔16对应的通孔用于测量极引线的贯穿，测量极13的底部设有接线柱安装孔15，电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与测量极13固定连接，另一端与测量极引线连接，测量极引线自由端伸至测试腔外部。
且保护极6的外壁高度不小于内绝缘环5的高度。内绝缘环5的高度大于高压电极4的内壁高度。绝缘环12的高度与测量极13的高度相同。内绝缘环5、第一绝缘柱10、第二绝缘柱11和绝缘环12为聚四氟乙烯材质。高压电极4、保护极6和测量极13的材质为黄铜。
基于上述三电极装置实现无机粉体介电特性测试研究的方法，具体包括以下步骤：
步骤1，首先将绝缘环12套装在测量极13外侧，然后将电极接线柱的一端通过接线柱安装孔15与测量极13固定连接，另一端与测量极引线连接，测量极引线自由端穿过第二绝缘柱11的中心通孔，并将第二绝缘柱11与测量极13固定，然后将第一绝缘柱10安装在保护极6的底部，并使用螺栓通过定位通孔17使两者固定，然后将测量极引线自由端依次穿过第一绝缘柱10的中心通孔和保护极6中心处的测量极引线通孔16并伸出，且测量极13、绝缘环12、第一绝缘柱10、第二绝缘柱11以及保护极6的内壁之间紧密贴合，测量极13的顶面与保护极6的上部边缘位于同一平面内，最后将电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与保护极6固定连接，另一端与屏蔽线连接，屏蔽线自由端伸出，获得保护电极系统。
步骤2，首先将内绝缘环5套设安装在高压电极4内，并保证内绝缘环5的外壁与高压电极4的内壁紧密贴合，然后将电极接线柱一端通过接线柱安装孔15与高压电极4固定连接，另一端与高压极引线连接，高压极引线自由端伸出，获得高压电极系统。
步骤3，首先将外绝缘桶3置于下盖2上，然后将步骤1获得的保护电极系统倒扣置于步骤2获得的高压电极系统内，并保证保护极6的外壁与内绝缘环5的内壁紧密贴合，并将构成的整体置于外绝缘桶3内，然后将标准板7放置在保护极6的上方并保证测量极引线伸出，在标准板7的上方放置安装有压力传感器9的垫块8，通过升降螺栓14固定上盖1，使上盖1与压力传感器9接触，并保标准板7与内绝缘环5的边缘贴合，校正两者之间的距离，获得一个具体的压力值。
步骤4，首先分离保护电极系统和高压电极系统，将待测试的无机粉体注入内绝缘环5内，并将无机粉体铺平均匀，然后将保护电极系统置于高压电极系统内，然后将标准板7放置在保护极6的上方并保证测量极引线伸出，在标准板7的上方放置安装有压力传感器9的垫块8，通过升降螺栓14固定上盖1，使上盖1与压力传感器9接触，调整升降螺栓14，使压力值与步骤3的压力值相同，使用塞尺测量标准板7与内绝缘环5间的距离，该距离值即为无机粉体(待测样品18)的厚度值，也是测量极13和高压电极4之间的距离值，如图4所示。
步骤5，首先将测试仪器的高压测试线与高压极引线自由端连接，测试仪器的测量线与测量极引线自由端连接，测试仪器的地线与屏蔽线自由端连接。为了避免测试时受到外界电磁干扰，测量用的接线采用屏蔽线和射频接头，实现小电流的精准测试。
步骤6，根据测试电场强度的要求，计算施加在粉体上的电压，完成不同电场情况下，电导电流、时域电流、表面电位、介电常数及介质损耗角正切的测试。
步骤7，根据步骤6所得结果计算粉体在不同电场强度下电导率，极化强度、介电常数和介质损耗的测量，实现对粉体介电特性的表征。
步骤8，通过改变无机粉体的粉体材质、粉体粒径、粉体的形状，施加压力的大小，粉体的温度(将整套装置置于恒温干燥箱中)、不同粉体(不同材质、不同粒径)复配等等，重复步骤1～7，实现对粉体介电特性的表征。
最后说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，是为了示例和说明的目的而给出的，它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在权利要求范围内的所有改动和等同。

Claims (10)

1.一种无机粉体介电特性测试的三电极装置，其特征在于，包括上盖、下盖、外绝缘桶、高压电极、保护极和测量极，上盖通过多根升降螺栓可拆卸固定在下盖上方构成高度可调节的测试腔，外绝缘桶、高压电极、保护极和测量极置于测试腔内；高压电极为桶状位于外绝缘桶内，且高压电极的内部固定套设有内绝缘环；保护极为桶状倒扣安装在内绝缘环的内部，且与内绝缘环紧密贴合；测量极置于保护极的内部，且两者间通过绝缘结构实现电气绝缘；保护极的上方依次放置标准板和垫块，垫块上安装有压力传感器。
2.根据权利要求1所述的三电极装置，其特征在于，高压电极的侧壁上开有接线柱安装孔。
3.根据权利要求2所述的三电极装置，其特征在于，电极接线柱一端通过接线柱安装孔与高压电极固定连接，另一端与高压极引线连接，高压极引线自由端伸至测试腔外部。
4.根据权利要求1所述的三电极装置，其特征在于，保护极的底部开设有测量极引线通孔、接线柱安装孔和多个定位通孔，其中测量极引线通孔位于底部中心，接线柱安装孔位于底部边缘处。
5.根据权利要求4所述的三电极装置，其特征在于，电极接线柱一端通过接线柱安装孔与保护极固定连接，另一端与屏蔽线连接，屏蔽线自由端伸至测试腔外部。
6.根据权利要求4所述的三电极装置，其特征在于，第一绝缘柱紧密贴合安装在保护极内的底部，且第一绝缘柱的底部设有与保护极对应的定位孔，通过螺栓实现保护极和第一绝缘柱的固定。
7.根据权利要求6所述的三电极装置，其特征在于，测量极为圆柱体，其外侧套装有绝缘环，其底部与第二绝缘柱连接后置于保护极内，第二绝缘柱与第一绝缘柱紧密贴合，且第二绝缘柱以及绝缘环的外壁与保护极的内壁紧密贴合。
8.根据权利要求7所述的三电极装置，其特征在于，测量极的底部设有接线柱安装孔，电极接线柱一端通过接线柱安装孔与测量极固定连接，另一端与测量极引线连接，测量极引线自由端伸至测试腔外部。
9.一种权利要求1所述的三电极装置的应用，其特征在于，用于完成不同温度下，不同压力下、不同湿度下无机粉体的电导电流、时域电流、表面电位、介电常数及介质损耗角正切的测试。
10.一种权利要求1所述的三电极装置的使用方法，其特征在于，向内部固定套设有内绝缘环的高压电极内注入无机粉体。
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CN117723915A (zh) * 2024-02-06 2024-03-19 哈尔滨理工大学 无机粉体与气体复合绝缘击穿特性的测试电极及方法

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