超導絕緣材料電氣特性測試裝置的製作方法

2023-06-04 18:24:16

專利名稱：超導絕緣材料電氣特性測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及高電壓與絕緣技術領域，具體而言，涉及一種超導絕緣材料電氣特性測試裝置。
背景技術：
國際熱核聚變試驗堆(ITER)是實現無盡清潔能源聚變能商業化的一個重要階段， 其目標是驗證和平利用聚變能的科學與技術可行性。其主要組成部分包括超導磁體系統、 外真空杜瓦、內外冷屏、真空室及其內部部件和磁體饋線系統等部件。
絕緣系統是超導磁體系統及饋線系統中必不可少的重要組成部分，主要起著超導磁體的絕緣隔離、機械支撐、固定導體和保護導體的作用，在正常情況下均工作在真空及液氦溫區的低溫環境中。低溫絕緣結構失效是引起超導磁體失超的主要原因之一。
在運行過程中，電壓變化的衝擊和超導磁體失超帶來的電磁衝擊，可能導致出現運行溫度的突然變化或者製冷劑洩漏形成氣壓突變等運行環境的突變，會使絕緣系統失效，從而影響超導磁體的正常可靠運行。
目前常用的低溫超導絕緣材料包括聚醯亞胺等高分子薄膜材料，隨著材料科學的發展，不斷出現新的絕緣材料，但是這些材料的實際工作溫度範圍處於液氦溫區，而且絕緣材料在不同溫度條件下，其電氣性能有明顯的差異，常規的手段無法實現新材料的低溫性能試驗。
現有的低溫材料電氣性能測試裝置，較多的是適用於高溫超導的液氮溫區範圍 (77K左右)，而少數的液氦溫區(IOK以下)的測試裝置，大多是把試樣直接浸沒在液氦或超流體氦氣中對材料的某一兩種電氣性能進行針對性測試，其可模擬控制的試驗測試溫度範圍、氣壓範圍都比較窄，不利於全面的研究絕緣材料在各種可能的環境下的各種電氣性能。 而且對高分子薄膜材料在低溫特殊環境下的介電特性(主要是介電常數、介質損耗因數兩個參數)研究十分困難，目前市場上現有的介電譜儀(德國N0V0C0NTR0L公司生產的寬頻帶介電譜儀)可模擬的溫度最低只能到123K左右，無法實現超導絕緣材料在液氦溫區(IOK以下)的介電性能測試。
針對現有技術中低溫材料電氣性能測試裝置無法實現液氦溫區的材料介電性能測試工作的問題，尚未提出有效的解決方案。發明內容
本發明旨在提供一種超導絕緣材料電氣特性測試裝置，以解決現有技術中低溫材料電氣性能測試裝置無法實現液氦溫區的材料電氣性能測試工作的問題。
為了實現上述目的，本發明提供了一種超導絕緣材料電氣特性測試裝置。
該超導絕緣材料電氣特性測試裝置，包括第一殼體，具有第一內腔；第二殼體， 為導熱材料，設置在第一內腔內，該第二殼體具有第二內腔、第二內腔內部設置有測試電極；制冷機，制冷機的第一冷頭與第二殼體固定連接；測試線纜，測試線纜的第一端與測試電極連接，測試線纜的第二端用於連接第一殼體外部的測試設備；抽真空裝置，與第一殼體和第二殼體分別連接，用於將第一內腔和第二內腔抽取為真空，其中，第二殼體通過設置在第一內腔內的第一氣管與抽真空裝置連接。
進一步地，測試電極包括高壓測試電極，測試線纜包括高壓線纜；第一殼體上設置有第一高壓套管，第二殼體上設置有第二高壓套管，第一高壓套管與第二高壓套管在第一內腔內相對設置，高壓線纜通過第一高壓套管穿過第一殼體並且通過第二高壓套管穿過第二殼體，高壓線纜的第一端與高壓測試電極連接。
進一步地，測試電極包括低壓測試電極，測試線纜包括低壓線纜，低壓線纜的第一端與低壓測試電極連接；第一殼體上設置有真空插頭，與低壓線纜的第二端連接，第一殼體和第二殼體之間還設置有線纜管道，低壓線纜從所述線纜管道內穿過。
進一步地，抽真空裝置包括真空泵和第一真空規管，第一殼體上設置有真空泵接口，真空泵設置在第一殼體外部，真空泵的抽氣口與真空泵接口連接，第一真空規管設置在第一殼體上，用於測量第一內腔的真空度。
進一步地，抽真空裝置還包括第二真空規管，第一殼體上設置有第一氣管接口， 第二殼體上設置有第二氣管接口，第一氣管接口和第二氣管接口在第一內腔內相對設置， 第一氣管設置在第一氣管接口和第二氣管接口之間，真空泵的抽氣口通過第一氣管接口與第一氣管連接，第二真空規管與第一氣管接口連接，真空泵與真空泵接口之間設置有第一控制閥，真空泵與第一氣管接口之間設置有第二控制閥。
進一步地，本發明提供的超導絕緣材料電氣特性測試裝置還包括氦氣瓶和第三控制閥，氦氣瓶設置在第一殼體外部，通過第三控制閥與第一氣管接口連接。
進一步地，本發明提供的超導絕緣材料電氣特性測試裝置還包括氦氣瓶和第四控制閥，第一殼體上設置有第三氣管接口，第二殼體上設置有第四氣管接口，第三氣管接口和第四氣管接口的在第一內腔內相對設置，且在第三氣管接口和第四氣管接口之間設置有第二氣管，氦氣瓶設置在第一殼體外部，通過第四控制閥連接第三氣管接口。
進一步地，制冷機為二級制冷機，還包括第二冷頭；本發明提供的超導絕緣材料電氣特性測試裝置還包括第三殼體，為導熱材料，設置在第二殼體和第一殼體之間，與第二冷頭固定連接；第三殼體設置有多個通孔，分別用於通過測試線纜和第一氣管、制冷機的第一冷頭。
進一步地，本發明提供的超導絕緣材料電氣特性測試裝置還包括溫度採集裝置和溫度控制裝置，其中，溫度採集裝置包括多個烙鐵溫度計，分別設置在第一冷頭上、第二冷頭上以及第二內腔內；數據採集卡，與多個烙鐵溫度計分別電連接，用於採集第一冷頭、 第二冷頭以及第二內腔內溫度。溫度控制裝置，設置在第一冷頭和第二冷頭上，用於調節第一冷頭和弟~■冷頭的溫度。
第一殼體和第二殼體上分別設置有多個觀察窗口，多個觀察窗口分別朝向不同的側面，用於從多個方向觀察第二內腔內的試驗情況。
應用本發明的技術方案，使用兩個封閉的殼體形成兩個內腔，其中較小的第二殼體位於較大第一殼體的內腔中，與制冷機的冷頭固定連接，待測試樣及相應的電極系統均在第二殼體的第二內腔中。利用抽真空裝置使第一內腔保持高真空狀態，為制冷機的正常工作提供了所需的高真空環境，另一方面起到隔離熱量輻射的作用。制冷機將第二內腔中的溫度降低到液氦溫區，進一步地，通過設置抽真空裝置和氦氣瓶充氣裝置，可以在第二內腔內模擬出真空及低壓的試驗條件，從而在第二內腔中模擬出符合ITER等裝置工作條件的試驗環境，為研究超導磁體穩定運行時關鍵絕緣部件的絕緣材料的各項電氣性能提供了測試手段。


構成本發明的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中
圖I是根據本發明第一實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置的示意圖2是根據本發明第二實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置的示意圖3是根據本發明第三實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置的示意圖4是根據本發明第四實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置的示意圖。
具體實施方式
需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。
本發明實施例提供了一種超導絕緣材料電氣特性測試裝置，圖I是根據本發明第一實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置的示意圖，如圖I所示，本發明第一實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置包括，包括第一殼體10，具有第一內腔；第二殼體11，為導熱材料製成，設置在第一內腔內，該第二殼體11具有第二內腔、第二內腔內部設置有測試電極12 ;制冷機13，制冷機13的第一冷頭131與第二殼體11固定連接；測試線纜，該測試線纜的第一端與測試電極12連接，測試線纜的第二端用於連接第一殼體10外部的測試設備。抽真空裝置19，與第一殼體10和第二殼體11分別連接，用於將第一內腔和第二內腔抽取為真空，其中，第二殼體11通過設置在第一內腔內的第一氣管27與抽真空裝置連接。
應用本第一實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置，使用兩個封閉的殼體形成兩個內腔，其中較小的第二殼體11位於較大第一殼體10的內腔中，與制冷機13的冷頭固定連接，待測試樣及相應的電極系統均在第二殼體11的第二內腔中。對絕緣材料的各種測試工作均在第二內腔內，該超導絕緣材料電氣特性測試裝置在第二內腔內可以模擬低溫真空、低溫低氣壓試驗環境，而第二殼體11外的第一內腔內的空間保持高真空狀態，從而為制冷機13的正常工作提供了所需的高真空環境，另一方面也可以起到絕熱作用。使用制冷機13的原因為由於低溫超導多是運行在液氦溫區，ITER超導磁體規定其絕緣系統工作在 7K的低溫下，為了獲得此低溫條件傳統的方式只能通過液氦製冷劑得到，而且由於使用液氦時所需液氦量較大且難以回收循環使用，導致其製冷成本很高。而在本發明的實施例中使用低溫制冷機作為製冷源，制冷機可重複使用且每次的製冷成本僅為消耗的少量電能及冷卻水，從而降低了試驗的成本。
抽真空裝置19可以使用分子泵等真空泵，將第一內腔和第二內腔抽取為真空，由於第一內腔和第二內腔需要分別保證密封，故在第一殼體10和第二殼體11之間設置相應第一氣管27，用於連接抽真空裝置和第二內腔。
為了在第二內腔內有效地對在低溫超導中應用廣泛的高分子薄膜絕緣材料進行全面的電氣特性測試研究，實現包括低溫真空、低溫低氣壓環境中的材料擊穿、沿面閃絡、 介電常數、介質損耗因數等試驗測試，以及冷熱循環等多種條件對絕緣材料老化的影響。在第二內腔內設置的測試電極12可以包括高壓測試電極121、低壓測試電極122、接地電極等，對應的測試線纜穿過兩層殼體相應設置的接口後進入第二內腔中與對應的電極連接。
其中，測試線纜中的高壓線纜141第一端與高壓測試電極121連接，第一殼體10 上設置有第一高壓套管15，第二殼體11上設置有第二高壓套管16，第一高壓套管15與第二高壓套管16的在第一內腔內相對設置，高壓線纜141通過第一高壓套管15穿過第一殼體10，並通過第二高壓套管16穿過第二殼體11，從而高壓線纜141的第一端與高壓測試電極121連接。
進行高壓測試時，測試裝置外部的高壓發生器輸出的高壓通過高壓線纜141，穿過固定在兩層殼體上的第一高壓套管15和第二高壓套管16，將高壓引入到第二內腔中接到測試電極12的高壓測試電極121。高壓套管保證了高壓線纜141和殼體之間的絕緣。其中， 第二高壓套管16可以使用陶瓷套管，保證在極低溫度下第二內腔的密封性不會下降，同時套管的絕緣性能不會降低。
當進行材料介電性能測試時，為了得到精準的測量結果，可以採用高精密數字電橋或阻抗分析儀，測量電壓為幾伏以下的弱電信號，測試電極12還可以包括低壓測試電極 122，測試線纜包括低壓線纜142，該低壓線纜142的第一端與低壓測試電極122連接，低壓線纜142從設置在第二殼體11上的接口穿過；第一殼體10上設置有真空插頭17，與低壓線纜142的第二端連接。為了保證第一殼體10的密閉性，所以使用真空插頭17。由於試驗時需要獲取從第二內腔內引出多芯的信號線，上述真空插頭17可以使用多芯真空插頭。
為了保證殼體的密封性，第一殼體10和第二殼體11之間還設置有線纜管道18， 低壓線纜142在第一殼體10和第二殼體11之間的部分設置在線纜管道18內，低壓線纜 142從線纜管道18內穿過。線纜管道18的具體形式可以為第一殼體10上開有線纜管道 18的法蘭，用於連接線纜管道18的一端，另一端設置在第二殼體11的真空插頭17，低壓線纜142從線纜管道18內穿過，通過第一殼體10上的線纜管道法蘭進入第二內腔。測試電極12還可以包括接地電極，通過接地線穿過第一殼體10和第二殼體11上接地口與試驗室的地網可靠連接。在圖I中未示出接地口和接地電極。接地口和接地電極的連接方式與上述高壓線纜和高壓套管的設置方式相似。
上述第一殼體10和第二殼體11為密閉殼體，為通過線纜、相關氣管、和線纜管道， 設置有多個接口。所有的接口均可以設置為法蘭形式，與線管、氣管密封連接，從而保證內腔可以保持真空狀態。第二殼體11需要有良好的導熱性，以保證冷頭的溫度可以傳導到第二內腔內，優選地，第一殼體10使用不鏽鋼材料製造，第二殼體11使用紫銅或無氧銅等導熱性好的材料製造，該材料需要能夠滿足將冷頭的溫度有效傳導到第二內腔中，保證試樣處於預定的試驗環境下接受測試。
第二實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置和第三實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置是在第一實施例的基礎上增加了抽真空裝置19與第一殼體和第二殼體上的具體連接方式。該抽真空裝置19可以在第一殼體10外部設置有如分子泵等形式的真空泵22。圖2是根據本發明第二實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置的示意圖，如圖2 所示，抽真空裝置19包括真空泵22和第一真空規管23，第一殼體10上設置有真空泵接7口 21，真空泵22設置在第一殼體10外部，真空泵22的抽氣口和與真空泵接口 21連接，第一真空規管23設置在第一殼體10上，用於測量第一內腔的真空度。利用真空泵22使第一內腔內一直保持高真空狀態。
真空泵22還可以用於將第二內腔抽取為符合試驗條件的真空度，具體地，第一殼體10設置有第一氣管接口 24，第二殼體11上設置有第二氣管接口 25，抽真空裝置19還可以包括第二真空規管26，用於測量第二內腔的真空程度，第一氣管接口 24和第二氣管接口 25的在第一內腔內相對設置，在第一氣管接口 24和第二氣管接口 25之間設置有第一氣管 27，真空泵22的抽氣口通過第一氣管接口 24與第一氣管27連接，第二真空規管26與第一氣管接口 24連接。真空泵22與真空泵接口 21之間設置有第一控制閥28，真空泵22與第一氣管接口 24之間設置有第二控制閥29。第一真空規管23和第二真空規管26分別測量第一內腔和第二內腔的真空度。從而根據當前的真空度與試驗條件，控制第一控制閥28和第二控制閥29對第一內腔或第二內腔進行抽真空。
有些試驗項目可能需要模擬一定氣壓的試驗環境時，還可以設置有氦氣瓶31。第一殼體10設置有第三氣管接口 33，所述第二殼體11上設置有第四氣管接口 34，第三氣管接口 33和第四氣管接口 34的在第一內腔內相對設置，在第三氣管接口 33和第四氣管接口 34之間設置有第二氣管35，氦氣瓶31通過第四控制閥32連接第三氣管接口 33。
模擬一定氣壓的試驗環境時，先打開第二控制閥29利用真空泵22進行抽真空處理，抽真空後關閉第二控制閥29密封第二內腔，然後打開第四控制閥32，往第二內腔充入一定量氦氣至試驗氣壓。上述的真空泵22均可以使用分子泵，以提高抽真空的程度。上述第一氣管27和第二氣管35均可以使用細徑薄壁的不鏽鋼管。
第二實施例中分別設置第一氣管27和第二氣管35分別用於抽氣和充氣。增加了第一內腔內的氣管設置，不利於密封和防止冷量散失，因此，本發明的第三實施例僅利用第一氣管27進行抽氣和充氣兩種操作。圖3是根據本發明第三實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置的示意圖，如圖3所示，超導絕緣材料電氣特性測試裝置還包括氦氣瓶31，設置在第一殼體10外部；氦氣瓶31通過第三控制閥36與所述第一氣管接口 24連接。從而省去了第二氣管35，利用第一氣管27實現了抽真空和充氦氣兩種操作。利用這種抽真空裝置19，可以在第二內腔內調節氣壓的範圍為10_5 104Pa，第一內腔內保持10_4Pa級的高真空。上述第一氣管27可以使用細徑薄壁的不鏽鋼管。
具體進行試驗時，打開第一控制閥28，真空泵22將第一內腔中抽為10_4Pa數量級的高真空，然後關閉第一控制閥28打開第二控制閥29，真空泵22將第二內腔中抽取為真空，在需要低氣壓的試驗環境中，關閉第二控制閥29，打開第三控制閥36，由氦氣瓶31向第二內腔內放入氣體，操作過程中通過第一真空規管23和第二真空規管26分別測量第一內腔和第二內腔的真空度，以提高調節精度。
目前還存在一種二級制冷機13，由第一級冷頭進行預冷，由第二級冷頭實現更低溫度。由於本發明的測試裝置需要達到的試驗溫度極低，優選可以使用這種二級制冷機13。 本發明第四實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置使用的制冷機13為二級制冷機。圖 4是根據本發明第四實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置的示意圖，如圖4所示，制冷機13為二級制冷機，還包括第二冷頭132 (也就是進行預冷的第一級冷頭)。超導絕緣材料電氣特性測試裝置還包括第三殼體41,也為導熱材料,設置在第二殼體11和第一殼體10之間，與第二冷頭132固定連接；也就是第一殼體10內套有第三殼體41，第三殼體41內套有第二殼體11，第三殼體41設置有多個通孔，用於通過測試線纜、各種氣管、線纜管道、以及第一冷頭131，第三殼體41的製造材料可以使用與第二殼體11相同的材料。
在第二冷頭132上設置第三殼體41，第二冷頭132工作時可以給第三殼體41降溫到較低溫度，從而在第二殼體11與第一殼體10之間建立一個中間溫度屏障。該低溫屏障可以有效地減少第一冷頭131及第二殼體11上冷量向外部的輻射散失。例如在第二內腔中進行IOK以下的試驗時，第一冷頭131將第二殼體11的溫度降低到試驗溫度，而第一殼體10外部溫度為室溫，一般為300K左右，如果利用第二冷頭132將第三殼體41的溫度降低到50K左右，相當於在IOK至300K之間設立了一個溫度為50K的保溫屏障，從而減少了冷量的散失。
第四實施例的超導絕緣材料電氣特性測試裝置還可以包括溫度採集裝置和溫度控制裝置(圖中均未示出)，該溫度採集裝置包括多個烙鐵溫度計，分別設置在第一冷頭 131上、第二冷頭132上以及第二內腔內；數據採集卡，與多個烙鐵溫度計分別電連接，用於採集第一冷頭131、第二冷頭132以及第二內腔內的溫度。溫度控制裝置，設置在第一冷頭 131和第二冷頭132上，用於調節第一冷頭131和第二冷頭132的溫度。具體的溫度控制裝置可以包括設置在第一冷頭131的加熱絲和設置在第二冷頭132的加熱絲，從而配合上述溫度採集裝置，可以在液氦溫區至室溫溫度範圍內任意調節第一冷頭131和第二冷頭132 的溫度，從而控制試驗區域的溫度可以在大範圍內按照試驗要求變化。
此外，第一殼體10和第二殼體11上還可以分別設置有多個觀察窗口 42，多個觀察窗口 42分別朝向不同的側面，用於從多個方向觀察第二內腔的試驗情況，觀察窗口使用透明材料進行密封，其面積在滿足觀察需要的情況下儘量縮小，以防第二內腔受到外部的熱輻射。觀察窗口可以在第一殼體10和第二殼體11的頂端和側面開設，具體的開設位置與第一內腔中相對應，同樣地第三殼體41 的對應位置也開設有觀察窗口。
下面結合圖4對本發明的一種優選的超導絕緣材料電氣特性測試裝置進行說明。 該超導絕緣材料電氣特性測試裝置可以用於檢測低溫超導絕緣材料在低溫真空、低溫低氣壓等特殊環境下的電氣特性，溫度測試範圍為7ΙΓ300Κ，氣壓測試範圍為10_5 104Pa，溫度氣壓控制精度高，高低電壓饋線出入方便，可有效地對在低溫超導中應用廣泛的高分子薄膜絕緣材料進行全面的電氣特性測試研究，包括在低溫真空、低溫低氣壓環境中對材料擊穿、 沿面閃絡、介電常數、介質損耗因數、局部放電等多種電氣性能的試驗測試研究，同時還可以研究冷熱循環等多種條件對絕緣材料老化的影響。
該裝置包括有不鏽鋼材料的第一殼體10，具有第一內腔，第一內腔內設置有制冷機13的冷頭。在使用二級製冷的制冷機時，第二冷頭132 (也就是第一級溫度較高用於預冷的冷頭)上固定有紫銅或無氧銅材料的第三殼體41作為保溫冷屏，第一冷頭131 (也就是第二級溫度較低的冷頭)固定有紫銅或無氧銅材料的第二殼體11，待測試樣及相應的電極系統均設置在第二殼體11具有的第二內腔中，該第二內腔作為試驗腔。絕緣材料的各種測試工作均在第二內腔內進行。第二內腔內可以模擬低溫真空、低溫低氣壓試驗環境，而第二殼體11外的第一內腔空間內，一直保持10_4Pa級的高真空，這一方面為制冷機13的正常工作提供了所需的高真空環境，另一方面起絕熱作用，上述第一殼體10和第二殼體11的材料需要滿足熱量傳導的要求，並不局限於不鏽鋼或紫銅及無氧銅材料。9
由於測試工作均在第二內腔內，在保證密封的前提下需要相應的測量引線穿過三層殼體達到第二內腔內，具體地，第一殼體10和第二殼體11上分別設置有第一高壓套管15 和第二高壓套管16以供高壓引入；使用第一真空規管23和第二真空規管26以準確檢測各自內腔中的真空度；第一殼體10第二殼體11以及第三殼體41的對應位置上分別設置放電觀察窗以便於從第一殼體10外觀察第二內腔中的放電現象,第一殼體10上設置有多芯真空插頭17以接入各種測量或信號引線，第一殼體10和第二殼體11上分別設置有抽真空接口，第一殼體10上設置有金屬法蘭接口形式的真空泵接口 21，直接連接分子泵。第二殼體 11底部也設有抽氣法蘭形式的第二氣管接口 25，該抽氣法蘭通過第一氣管27連接到第一殼體10上的第一氣管接口 24上，然後再通過第二控制閥29連接到分子泵上，氦氣瓶31通過第三控制閥36與所述第一氣管接口 24連接，第三控制閥36可以是流量微調閥，第一氣管27為細徑薄壁不鏽鋼管。
第一殼體10和第二殼體11還設置有接地接口 ；第三殼體41上留有相應的孔洞供各種測量引線穿過。制冷機13的冷頭及第二內腔內壁上分別貼有烙鐵溫度計，可以實時監測試驗區域的溫度。
超導絕緣材料電氣特性測試裝置的第二殼體11實際上為一個真空容器，由紫銅或無氧銅材質製成以保證與制冷機13冷頭之間有良好的傳熱效果，設計成圓柱狀，其尺寸可以根據所需試驗測試的要求來進行優化設計。圓柱狀的外形設計可有效保持容器內部氣壓和溫度的均勻性。本測試第二殼體底部與腔身為一體，頂部通過不鏽鋼法蘭連接，第二殼體底部及側面均開有相應不鏽鋼法蘭以供測試引線，第二殼體上所有的法蘭均採用金屬密封方式以保證其良好的密封性。
超導絕緣材料電氣特性測試裝置的冷卻系統由於低溫超導多是運行在液氦溫區，ITER超導磁體規定其絕緣系統工作在7K的低溫下，為了獲得此低溫條件，傳統的測試裝置均通過液氦製冷劑實現低溫，本優選實施例選擇制冷機13作為本測試裝置的冷卻系統。本發明的冷卻系統中所採用的制冷機13為兩級G-M制冷機13，在真空環境中正常工作時，其第二冷頭132的冷量為35W050K，第一冷頭131的冷量為I. 5ffi4. 2K。第一冷頭131 頂部通過螺絲與第二殼體11的底部相連，制冷機13冷頭上的冷量通過接觸傳導的方式傳導給第二殼體11，在第二內腔內上下電極夾著待測絕緣材料試樣，下電極通過低溫傳熱膠與殼體底部緊密相連，為了防止在擊穿瞬間有電流通過第二殼體11，所以在下電極與第二殼體11底部之間放置一塊既傳熱又絕緣的氮化鋁(AlN)材料，制冷機13的冷量通過殼體底部、測試下電極接觸傳導的方式給試樣降溫。第二冷頭132上通過螺絲連接固定有第三殼體41，有效地減少第二內腔的冷量散失。
超導絕緣材料電氣特性測試裝置的抽真空系統第一殼體10底部設置的真空泵接口 21連接有分子泵，第一內腔中保持10_4Pa級的高真空，第二殼體11底部設有法蘭接口形式的第四氣管接口 34，通過細徑薄壁不鏽鋼的第一氣管27連接到第一殼體10的相應法蘭形式的第一氣管接口 24上，第一氣管接口 24通過一個第二控制閥29連接到分子泵旁抽上，通過一個第三控制閥36連接到氦氣氣瓶上。
第二內腔內按照所進行的試驗測試所需的氣壓環境靈活調整控制，當進行高真空試驗測試時，關閉充氣閥門，打開抽氣閥門對第一內腔和第二內腔進行抽真空；當需要模擬一定氣壓試驗環境時，先打開第二內腔的抽氣閥門進行抽真空處理，抽得高真空後關閉抽真空管道閥門密封第二內腔，然後打開充氣微調閥，往第二內腔內充入一定量氦氣至試驗氣壓。第二內腔的氣壓調節範圍是10_5 104Pa，紫銅或無氧銅測試殼體外與不鏽鋼殼體內之間的空間一直保持IiT4Pa級的高真空，以為制冷機提供運行環境。
超導絕緣材料電氣特性測試裝置的溫度在線採集系統在制冷機13各級冷頭及第二內腔內壁上貼有相應的烙鐵溫度計，通過Labview編程結合相應數據採集卡、數據採集電路，可在工控機上實時監測試驗區域的溫度。同時在制冷機13冷頭上貼有相應的控溫裝置，從而在在工控機上實時監測並控制試驗區域的溫度，該冷卻系統可以精確提供 7ΙΓ300Κ範圍的測試溫度。
通過以上的結構，超導絕緣材料電氣特性測試裝置可以檢測低溫超導系統中廣泛應用的高分子薄膜材料在低溫真空環境下、低溫低氣壓環境下的擊穿特性、沿面閃絡特性、介電特性、局部放電、老化等各種電氣特性，溫度測試範圍為7ΙΓ300Κ，氣壓測試範圍為 ΙΟ-—5 IO4Pa,溫度、氣壓控制精度高，高低電壓饋線出入方便。
應用本發明的技術方案，使用兩個封閉的殼體形成兩個內腔，其中較小的第二殼體位於較大第一殼體的內腔中，與制冷機的冷頭固定連接，待測試樣及相應的電極系統均在第二殼體的第二內腔中。利用保持高真空狀態的第一殼體，為制冷機的正常工作提供了所需的高真空環境，另一方面起到起隔離熱量輻射的作用。制冷機將第二內腔中的溫度降低到液氦溫區，從而在第二內腔中模擬出符合ITER工作條件的試驗環境，為研究超導磁體穩定運行時關鍵絕緣部件的絕緣性能提供了測試手段。
顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，或者將它們分別製作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟製作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明不限制於任何特定的硬體和軟體結合。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種超導絕緣材料電氣特性測試裝置，其特徵在於，包括 第一殼體(10)，具有第一內腔； 第二殼體(11)，為導熱材料，設置在所述第一內腔內，該第二殼體(11)具有第二內腔、所述第二內腔內部設置有測試電極(12)； 制冷機(13)，所述制冷機(13)的第一冷頭(131)與所述第二殼體(11)固定連接； 測試線纜，所述測試線纜的第一端與所述測試電極(12)連接，所述測試線纜的第二端用於連接所述第一殼體(10)外部的測試設備； 抽真空裝置(19)，與所述第一殼體(10)和所述第二殼體(11)分別連接，用於將所述第一內腔和所述第二內腔抽取為真空，其中，所述第二殼體(11)通過設置在所述第一內腔內的第一氣管(27)與所述抽真空裝置(19)連接。
2.根據權利要求I所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於， 所述測試電極(12)包括高壓測試電極(121 )，所述測試線纜包括高壓線纜(141); 所述第一殼體(10)上設置有第一高壓套管(15)，所述第二殼體(11)上設置有第二高壓套管(16)，所述第一高壓套管(15)與所述第二高壓套管(16)在所述第一內腔內相對設置，所述高壓線纜(141)通過第一高壓套管(15)穿過所述第一殼體(10)並且通過第二高壓套管(16)穿過所述第二殼體(11)，所述高壓線纜(141)的第一端與所述高壓測試電極(121)連接。
3.根據權利要求I所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於， 所述測試電極(12)包括低壓測試電極(122)，所述測試線纜包括低壓線纜(142)，所述低壓線纜(142)的第一端與所述低壓測試電極(122)連接； 所述第一殼體(10)上設置有真空插頭(17)，與所述低壓線纜(142)的第二端連接； 所述第一殼體(10)和所述第二殼體(11)之間還設置有線纜管道(18)，所述低壓線纜(142)從所述線纜管道(18)內穿過。
4.根據權利要求I所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於，所述抽真空裝置(19)包括真空泵(22)和第一真空規管(23)，第一殼體(10)上設置有真空泵接口(21)，所述真空泵(22)設置在所述第一殼體(10)外部，所述真空泵(22)的抽氣口與所述真空泵接口(21)連接，所述第一真空規管(23)設置在第一殼體(10)上，用於測量第一內腔的真空度。
5.根據權利要求4所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於，所述抽真空裝置(19)還包括第二真空規管(26)，所述第一殼體(10)上設置有第一氣管接口(24)，所述第二殼體(11)上設置有第二氣管接口( 25)，所述第一氣管接口( 24)和所述第二氣管接口( 25)在所述第一內腔內相對設置，所述第一氣管(27)設置在所述第一氣管接口(24)和第二氣管接口( 25 )之間，所述真空泵(22 )的抽氣口通過所述第一氣管接口( 24 )與所述第一氣管(27 )連接，所述第二真空規管(26 )與所述第一氣管接口( 24 )連接，所述真空泵(22 )與所述真空泵接口(21)之間設置有第一控制閥(28)，所述真空泵(22)與所述第一氣管接口(24)之間設置有第二控制閥(29)。
6.根據權利要求5所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於，還包括氦氣瓶(31)和第三控制閥(36 )，所述氦氣瓶(31)設置在第一殼體(10 )外部，通過所述第三控制閥(36 )與所述第一氣管接口(24)連接。
7.根據權利要求4所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於，還包括氦氣瓶(31)和第四控制閥(32)，所述第一殼體(10)上設置有第三氣管接口(33)，所述第二殼體(11)上設置有第四氣管接口(34)，所述第三氣管接口(33)和所述第四氣管接口(34)的在所述第一內腔內相對設置，且在所述第三氣管接口( 33 )和第四氣管接口( 34 )之間設置有第二氣管(35 )，所述氦氣瓶(31)設置在第一殼體(10 )外部，通過所述第四控制閥(32 )連接所述第三氣管接口(33)。
8.根據權利要求I至7中任一項所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於， 所述制冷機(13)為二級制冷機，還包括第二冷頭(132)； 所述超導絕緣材料電氣特性測試裝置，還包括第三殼體(41)，為導熱材料，設置在第二殼體(11)和第一殼體(10)之間，與所述第二冷頭(132)固定連接； 所述第三殼體(41)設置有多個通孔，分別用於通過所述測試線纜、所述第一氣管(27)、所述制冷機的第一冷頭(131)。
9.根據權利要求8所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於，還包括溫度採集裝置和溫度控制裝置，其中， 所述溫度採集裝置包括多個烙鐵溫度計，分別設置在所述第一冷頭(131)上、所述第二冷頭(132)上以及所述第二內腔內；數據採集卡，與所述多個烙鐵溫度計分別電連接，用於採集所述第一冷頭(131)、所述第二冷頭(132)以及所述第二內腔內溫度； 所述溫度控制裝置，設置在所述第一冷頭(131)和所述第二冷頭(132)上，用於調節所述第一冷頭(131)和所述第二冷頭(132)的溫度。
10.根據權利要求I至7中任一項所述的電氣特性測試裝置，其特徵在於，所述第一殼體(10)和所述第二殼體(11)上分別設置有多個觀察窗口(42)，所述多個觀察窗口(42)分另Ij朝向不同的側面，用於從多個方向觀察第二內腔內的試驗情況。
全文摘要
本發明提供了一種超導絕緣材料電氣特性測試裝置。該超導絕緣材料電氣特性測試裝置包括第一殼體，具有第一內腔；第二殼體，為導熱材料，設置在第一內腔內，該第二殼體具有第二內腔、第二內腔內部設置有測試電極；制冷機，制冷機的第一冷頭與第二殼體固定連接；測試線纜，測試線纜的第一端與測試電極連接，測試線纜的第二端用於連接第一殼體外部的測試設備；抽真空裝置，與第一殼體和第二殼體分別連接，用於將第一內腔和第二內腔抽取為真空，其中，第二殼體通過設置在第一內腔內的第一氣管與抽真空裝置連接。本發明的技術方案，在第二內腔中模擬出符合ITER裝置工作條件的試驗環境，為研究超導磁體穩定運行時絕緣材料的電氣性能提供了測試手段。
文檔編號G01R31/00GK102928718SQ201210440210
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月6日 優先權日2012年11月6日
發明者屠幼萍, 譚榮, 王景春, 李帆, 丁立健, 王璁 申請人:華北電力大學