專利名稱：低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導(dǎo)磁體裝置領(lǐng)域，具體涉及一種用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺的設(shè)計。
背景技術(shù)：
隨著超導(dǎo)技術(shù)的運用，尤其是大型超導(dǎo)磁體裝置系統(tǒng)(如強子對撞機、磁約束聚變裝置)的發(fā)展，以及空間航天探測技術(shù)的不斷發(fā)展，不同氣壓 和低溫條件下絕緣材料的電氣性能的安全可靠性越來越受到關(guān)注。電氣部件絕緣層在加工過程中就可能存在內(nèi)部微裂紋等缺陷，在長期在真空(或低氣壓)和深冷低溫環(huán)境下運行，可能會產(chǎn)生開裂、老化等物理損傷；并且在通電導(dǎo)體出現(xiàn)故障以及在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)磁體失超等情況下，數(shù)兆焦的能量需在短時泄放，整個系統(tǒng)的對地電壓將迅速爬升至萬伏量級導(dǎo)致絕緣擊穿破壞；惡劣情況下，絕緣存在裂紋并且存在真空泄露，就可能出現(xiàn)氣體擊穿放電事故，導(dǎo)致整個航天探測器電氣部件或者大型超導(dǎo)系統(tǒng)破壞。因此不同氣壓和低溫條件下絕緣材料的電氣性能的安全可靠性需要嚴(yán)格檢測和評估。采用低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺可以模擬深冷低溫和真空環(huán)境對絕緣進行擊穿放電測試，合格后在部件上使用。測試實驗平臺設(shè)計應(yīng)考慮實現(xiàn)真空測試環(huán)境，并保證低溫冷卻氣體與高電壓測試環(huán)境嚴(yán)格隔離，模擬絕緣材料的真實的運行環(huán)境和惡劣工況，因此高電壓電極系統(tǒng)、低溫、高真空密封以及漏電流和溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為測試實驗平臺的必要條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，能夠在滿足不同低溫溫度、不同真空度條件下，實現(xiàn)各種被測試絕緣試樣件的擊穿放電性能測試。實驗平臺的測試溫度范圍為4. 5ΙΓ300Κ，氣壓測試范圍為10_，105Pa。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，其特征在于主要包括三層實驗杜瓦容器和高電壓測試電極系統(tǒng)兩個部分，三層實驗杜瓦容器由里到外分別為真空測試容器、液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒，所述的真空測試容器沿軸向高于液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒，真空測試容器、液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒的底部分別有一個與之相匹配的封頭，真空測試容器的頂端設(shè)有相互配合使用的封蓋上法蘭和下法蘭，液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒的頂端分別設(shè)有一個封口法蘭，液氦(或液氮)冷卻筒的頂端還設(shè)有液氦(或液氮)進液口、氦氣(或氮氣)排氣口，液氦(或液氮)進液管通過液氦(或液氮)進液口深入至液氦(或液氮)冷卻筒底部；高電壓測試電極系統(tǒng)置于三層實驗杜瓦容器的真空測試容器的底部，高電壓測試電極系統(tǒng)主要包括陰極銅板、陽極銅板、絕緣試樣、陰極環(huán)氧固定板、陽極環(huán)氧固定板、聚酰亞胺薄膜絕緣層、導(dǎo)熱銅支撐板，導(dǎo)熱銅支撐板位于最下方，導(dǎo)熱銅支撐板上自下至上依次疊放有聚酰亞胺薄膜絕緣層、陰極銅板、絕緣試樣、陽極銅板，所述的陰極銅板、陽極銅板分別由陰極環(huán)氧固定板、陽極環(huán)氧固定板固定，所述的陽極銅板的頂端開有一個螺紋孔。所述的陽極銅板上套裝有一個與陽極環(huán)氧固定板配合使用的固定螺母。所述的真空測試容器、液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒的材料為304L不銹鋼。所述的真空測試容器的封蓋上法蘭和下法蘭通過4個相互配合使用的螺帽、螺桿固定，封蓋下法蘭與上法蘭之間設(shè)有套裝在各個螺桿上的氟橡膠密封墊，螺桿還穿過陰極環(huán)氧固定板和陽極環(huán)氧固定板，使整個裝置成為一個整體。所述的液氦(或液氮)冷卻筒的封口法蘭為液氦(或液氮)杜瓦封口法蘭，液氦(或液氮)杜瓦封口法蘭通過螺帽和螺桿配合使用構(gòu)成可拆卸裝配，液氦(或液氮)杜瓦封口法 蘭與螺帽之間還設(shè)有套裝在螺桿上的氟橡膠密封墊。所述的陰極銅板上加工有多個矩形槽。本發(fā)明的工作原理是
陽極頂部加工設(shè)計成螺孔，方便高電位導(dǎo)線饋入。陰極銅板上可接出低電位導(dǎo)線和漏電流測試導(dǎo)線，漏電流測試導(dǎo)線外接測試系統(tǒng)，以嚴(yán)格檢測絕緣樣件的擊穿放電規(guī)律。陰極銅板采用表面貼溫度感應(yīng)器(如PTlOOO鉬電阻溫度感應(yīng)器)的方式監(jiān)測溫度。在保證螺釘孔加工深度的前提下，導(dǎo)熱銅板按照熱平衡方程計算出相應(yīng)厚度，以達(dá)到準(zhǔn)確計算熱傳導(dǎo)時間的目的。液氦(或液氮)冷卻層通過真空測試容器底部不銹鋼板、導(dǎo)熱銅支撐板和陰極(銅材質(zhì))熱傳導(dǎo)作用，最終將絕緣試樣冷卻到一定溫度。測試容器壓力可以通過分子泵抽真空達(dá)到10_3Pa，然后通過壓力閥調(diào)節(jié)氣壓，氣壓調(diào)節(jié)范圍為10，105Pa。真空絕熱外筒通過分子泵抽真空至10_3Pa后密封，以起到真空隔熱作用，保證液氦(或液氮)冷卻層低溫性能。高電壓測試電極系統(tǒng)陰極溫度感應(yīng)器外接溫度測試設(shè)備，以控制絕緣試樣測試實驗溫度條件。本發(fā)明的有益效果在于
I)本發(fā)明可用來作為低溫、真空和電學(xué)測試的實驗平臺。2)本發(fā)明的三層實驗杜瓦容器由里到外分別由測試容器、液氦(或液氮)冷卻層和真空絕熱層組成，實現(xiàn)真空測試環(huán)境，并保證低溫冷卻氣體與高電壓測試環(huán)境嚴(yán)格隔離，模擬絕緣材料的真實的運行環(huán)境和惡劣工況。3 )本發(fā)明的真空測試容器沿軸向高于液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒，防止冷卻筒內(nèi)液氮(液氦)通過真空測試容器壁將氟橡膠密封墊冷卻，導(dǎo)致密封失效，進而影響真空測試容器的真空度。4)本發(fā)明的液氮進液管深入至冷卻筒底部且高壓測試電極系統(tǒng)裝配放置在真空測試容器底部，低溫氣體通過真空測試容器底部的不銹鋼板封頭、導(dǎo)熱銅支撐板和陰極銅板熱傳導(dǎo)作用，最終將絕緣試樣冷卻到一定溫度。5)本發(fā)明的陽極銅板的頂部加工設(shè)計成螺紋孔，方便高電位導(dǎo)線饋入。6)陰極銅板用來接出低電位導(dǎo)線和漏電流測試導(dǎo)線。若陰極銅板表面貼溫度感應(yīng)器(如PT1000鉬電阻溫度感應(yīng)器)，則可監(jiān)測溫度。7)陰極銅板上表面加工出矩形槽，實現(xiàn)在真空度較高時，帶有裂紋缺陷的絕緣試樣在測試氣體擊穿實驗時,氣體通過矩形槽進入試樣裂紋內(nèi)部。
8)通過陰極和陽極環(huán)氧固定板對陽極和陰極銅板起到絕緣作用，同時通過四個螺釘將高壓測試電極系統(tǒng)各部分裝配固定成一個整體。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的高壓測試電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的陽極銅板上的螺紋孔的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的3D裝配示意圖。
具體實施例方式參見附圖1-4，用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，主要包括三層 實驗杜瓦容器和高電壓測試電極系統(tǒng)兩個部分，三層實驗杜瓦容器由里到外分別為真空測試容器8、液氦(或液氮)冷卻筒7和真空絕熱外筒6，真空測試容器8沿軸向高于液氦(或液氮)冷卻筒7和真空絕熱外筒6，真空測試容器8、液氦(或液氮)冷卻筒7和真空絕熱外筒6的底部分別有一個與之相匹配的封頭11、9、10，真空測試容器8的頂端設(shè)有相互配合使用的封蓋上法蘭I和下法蘭2，液氦(或液氮)冷卻筒7和真空絕熱外筒6的頂端分別設(shè)有一個封口法蘭3、5，液氦(或液氮)冷卻筒7的頂端還設(shè)有液氦(或液氮)進液口、氦氣(或氮氣)排氣口 4，液氦(或液氮)進液管12通過液氦(或液氮)進液口深入至液氦(或液氮)冷卻筒7底部；高電壓測試電極系統(tǒng)置于三層實驗杜瓦容器的真空測試容器8的底部，高電壓測試電極系統(tǒng)主要包括陰極銅板23、陽極銅板19、絕緣試樣21、陰極環(huán)氧固定板25、陽極環(huán)氧固定板22、聚酰亞胺薄膜絕緣層24、導(dǎo)熱銅支撐板26，導(dǎo)熱銅支撐板26位于最下方，導(dǎo)熱銅支撐板26上自下至上依次疊放有聚酰亞胺薄膜絕緣層24、陰極銅板23、絕緣試樣21、陽極銅板19，陰極銅板21、陽極銅板19分別由陰極環(huán)氧固定板25、陽極環(huán)氧固定板22固定，陽極銅板19的頂端開有一個螺紋孔27。陽極銅板19上套裝有一個與陽極環(huán)氧固定板22配合使用的固定螺母20。真空測試容器8、液氦(或液氮)冷卻筒7和真空絕熱外筒6的材料為304L不銹鋼。真空測試容器8的封蓋上法蘭I和下法蘭2通過4個相互配合使用的螺帽15、螺桿16固定，封蓋下法蘭I與上法蘭2之間設(shè)有套裝在各個螺桿16上的氟橡膠密封墊17，螺桿16還穿過陰極環(huán)氧固定板25和陽極環(huán)氧固定板22，是整個裝置成為一個整體。液氦(或液氮)冷卻筒7的封口法蘭3為液氦(或液氮)杜瓦封口法蘭，液氦(或液氮)杜瓦封口法蘭通過螺帽13和螺桿14配合使用構(gòu)成可拆卸裝配，液氦(或液氮)杜瓦封口法蘭與螺帽13之間還設(shè)有套裝在螺桿14上的氟橡膠密封墊18。陰極銅板23上加工有多個矩形槽。真空測試容器8沿軸向高于液氦(或液氮)冷卻筒7和真空絕熱外筒6，主要防止冷卻筒內(nèi)液氮(液氦)通過真空測試容器壁將氟橡膠密封墊17冷卻，導(dǎo)致密封失效，進而影響真空測試容器8的真空度。同時真空測試容器8設(shè)計成雙封蓋法蘭(I和2)密封結(jié)構(gòu)，進一步確保真空密封效果。液氮進液管12深入至液氦(或液氮)冷卻筒7底部，以強化真空測試容器8底部冷卻效果，液氮(液氦)排氣口 4與進液管12設(shè)計成軸對稱，以強化熱傳導(dǎo)冷卻效果。真空絕熱外筒6預(yù)抽真空至10_3Pa后，與液氦(或液氮)冷卻筒7通過封口法蘭5焊接固定成整體，以起到真空 隔熱作用。實驗過程中，被測試絕緣試樣通過低溫冷卻筒7、真空測試容器8實現(xiàn)在10_2 105Pa氣壓環(huán)境和4. 5ΙΓ300Κ溫度范圍內(nèi)完成擊穿放電實驗，實現(xiàn)各種被測試絕緣試樣件的擊穿放電性能測試。
權(quán)利要求
1.用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，其特征在于主要包括三層實驗杜瓦容器和高電壓測試電極系統(tǒng)兩個部分，三層實驗杜瓦容器由里到外分別為真空測試容器、液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒，所述的真空測試容器沿軸向高于液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒，真空測試容器、液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒的底部分別有一個與之相匹配的封頭，真空測試容器的頂端設(shè)有相互配合使用的封蓋上法蘭和下法蘭，液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒的頂端分別設(shè)有一個封口法蘭，液氦(或液氮)冷卻筒的頂端還設(shè)有液氦(或液氮)進液口、氦氣(或氮氣)排氣口，液氦(或液氮)進液管通過液氦(或液氮)進液口深入至液氦(或液氮)冷卻筒底部；高電壓測試電極系統(tǒng)置于三層實驗杜瓦容器的真空測試容器的底部，高電壓測試電極系統(tǒng)主要包括陰極銅板、陽極銅板、絕緣試樣、陰極環(huán)氧固定板、陽極環(huán)氧固定板、聚酰亞胺薄膜絕緣層、導(dǎo)熱銅支撐板，導(dǎo)熱銅支撐板位于最下方，導(dǎo)熱銅支撐板上自下至上依次疊放有聚酰亞胺薄膜絕緣層、陰極銅板、絕緣試樣、陽極銅板，所述的陰極銅板、陽極銅板分別由陰極環(huán)氧固定板、陽極環(huán)氧固定板固定，所述的陽極銅板的頂端開有一個螺紋孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，其特征在于所述的陽極銅板上套裝有一個與陽極環(huán)氧固定板配合使用的固定螺母。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，其特征在于所述的真空測試容器、液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒的材料為304L不銹鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，其特征在于所述的真空測試容器的封蓋上法蘭和下法蘭通過多個相互配合使用的螺帽、螺桿固定，封蓋下法蘭與上法蘭之間設(shè)有套裝在各個螺桿上的氟橡膠密封墊，螺桿還穿過陰極環(huán)氧固定板和陽極環(huán)氧固定板，使整個裝置成為一個整體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，其特征在于所述的液氦(或液氮)冷卻筒的封口法蘭為液氦(或液氮)杜瓦封口法蘭，液氦(或液氮)杜瓦封口法蘭通過螺帽和螺桿配合使用構(gòu)成可拆卸裝配，液氦(或液氮)杜瓦封口法蘭與螺帽之間還設(shè)有套裝在螺桿上的氟橡膠密封墊。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，其特征在于所述的陰極銅板上加工有多個矩形槽。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于低溫真空環(huán)境絕緣試樣擊穿放電測試實驗平臺，測試實驗平臺主要包括三層實驗杜瓦容器和高電壓測試電極系統(tǒng)兩個部分，三層實驗杜瓦包括真空測試容器、液氦(或液氮)冷卻筒和真空絕熱外筒，高電壓測試電極系統(tǒng)主要由陰陽電極、絕緣試樣、上下絕緣支撐環(huán)氧板、聚酰亞胺絕緣層、導(dǎo)熱銅支撐板等組成。陰極銅板上用來接出低電位導(dǎo)線和漏電流測試導(dǎo)線，漏電流測試導(dǎo)線外接測試系統(tǒng)，以嚴(yán)格檢測絕緣樣件的擊穿放電規(guī)律。陽極銅板用來接出高電位導(dǎo)線。本發(fā)明能夠在滿足不同低溫溫度、不同真空度條件下，實現(xiàn)各種被測試絕緣試樣件的擊穿放電性能測試。本發(fā)明的測試溫度范圍為4.5K~300K，氣壓測試范圍為10-2~105Pa。
文檔編號G01R1/02GK102707204SQ201210164609
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者宋云濤, 鄭金星, 陸坤, 黃雄一 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所