用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统

摘要

本发明公开了用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，包括有检测容器和待测件，待测件吊装在检测容器中；检测容器的侧面上安装有绝缘插座；待测件包括有金属管，金属管外缠绕有待测绝缘层，金属管两端分别固定连通有外端封闭的延伸管，延伸管上分别加装有绝缘子，延伸管和绝缘子上分别增绕有绝缘层形成延伸段；延伸段分别从检测容器前、后端面上的开孔处引出；待测绝缘层上布置有温度传感器并包裹有铝箔形成接地极，温度传感器的测量线以及铝箔接地极从绝缘插座引出。本发明实现了对于大型超导磁体中高电压部件固体绝缘层的Paschen条件电性能测试，从根本上解决了处于真空环境工作的高压绝缘部件，其耐压性能的测试方法与评定手段问题。

说明书

 

技术领域：

    本发明主要涉及，尤其涉及用于大型超导磁体系统高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统。

背景技术：

Paschen定律是气体放电基本特性，主要描述的是气体击穿电压V与气体气压p和高低电位距离d之间非线性函数关系，采用实验测试的方法可以得出不同气体的Paschen放电函数V=f(pd)。一般来说当高低电位距离一定时（即电极位置固定），气体的击穿电压在某一个特定气压条件下出现最小值，通常情况这一击穿电压为几十至几百伏量级，我们把Paschen放电函数关系中最低放电电压点称为Paschen放电最小条件，简称Paschen条件。

对于大型超导磁体系统来说，其中大多数高电压部件，如超导磁体、超导电流馈线、电流引线、绝缘子等，都是工作在高真空环境中，真空度可达到10^-5Pa甚至更高水平，在如此良好的真空条件下电极之间的高电压放电现象基本是不会发生的，一旦真空系统出现破坏或故障，如真空容器泄露事故、氦气或氮气冷却管路破裂等，超导磁体系统中的高电压部件将直接暴露在较低真空度的气体环境中，Paschen条件极容易达到。为此超导磁体系统中的所有高电压部件都必须进行固体绝缘层保护，以隔绝高低电位之间的放电通路，但是由于磁体系统运行在复杂电磁环境，大于10吨/m的电磁力载荷直接作用于绝缘层之上，加之在系统冷却降温时从室温至4K温区的温度梯度造成的巨大的热应力而产生近100mm的轴向形变，系统所使用的绝缘材料必须能够承受苛刻的运行条件，绝不能发生开裂、老化等物理损伤，图1所示即为环氧绝缘层出现破坏后在100Pa氦气环境中发生放电现象的电压与漏电流记录。所以在超导磁体系统的高电压部件绝缘制备的过程中需要进行严格的质量测试，除了低温力学性能检验外，低温电学性能

决不能忽视，而传统的大气环境耐压测试已经不能满足超导磁体系统的测试需求，相比之下低温Paschen条件的直流耐电压测试以其更能有效反应实际运行工况的测试环境越来越受到相关研究领域的重视。

目前国内国际关于绝缘电气耐压性能的测试标准种目繁多，但是却少有关于Paschen条件耐电压测试的报道，低温环境下的Paschen条件耐电测试更是鲜有耳闻，因此发展此类型绝缘电性能测试手段、建立并完善相关测试平台，对于超导应用、高能物理等领域都是大有裨益的。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，它可以实现对于大型超导磁体中高电压部件固体绝缘层的Paschen条件电性能测试，从根本上解决了处于真空环境工作的高压绝缘部件，其耐压性能的测试方法与评定手段问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，其特征在于：包括有检测容器和待测件，所述待测件吊装在检测容器中；所述检测容器的前、后端面上分别设有开孔，检测容器的侧面上安装有绝缘插座；所述待测件包括有金属管，金属管外缠绕有待测绝缘层，所述金属管两端分别固定连通有外端封闭的延伸管，所述延伸管上分别加装有绝缘子，所述延伸管和绝缘子上分别增绕有绝缘层形成延伸段；所述延伸段分别从检测容器前、后端面上的开孔处引出；所述待测绝缘层上布置有温度传感器并包裹有铝箔形成接地极，所述温度传感器的测量线以及铝箔接地极从绝缘插座引出。

所述的用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，其特征在于：所述检测容器外安装有抽气与充气系统。

所述的用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，其特征在于：所述绝缘子上分别连通有冷却液进、出管，所述冷却液进、出管均接出检测容器外；所述冷却液进管连通到冷却液储罐上的出液口。

所述的用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，其特征在于：包括有高电压发生装置，所述待测件一端延伸段上设有高电压馈入端，所述高电压馈入端与高电压发生装置相连接。

所述的用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，其特征在于：包括有计算机采集系统，所述温度传感器的测量线以及铝箔接地极从绝缘插座引出后接入计算机采集系统。

所述的用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，其特征在于：所述冷却液进、出管上分别缠绕有多层绝缘热层。

所述的用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，其特征在于：所述冷却液进、出管均为不锈钢管。

所述的用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，其特征在于：所述延伸段与检测容器上开孔之间采用动密封形式的不锈钢与环氧双法兰密封结构，所述不锈钢法兰与环氧法兰之间采用楔形配合并使用O型密封圈实现动密封。

本发明有两大部分组成：一是待测件的准备与装配；二是测试系统及附属装置。

在大型超导磁体系统中，作为待测件的超导馈线、馈线接头或是电流引线，其外观结构多为圆管状或类似结构形式，它们的固体绝缘层缠绕并最终固化在金属支撑之上，在完成绝缘层的制备后待测件端部留有一定长度过渡连接段以备绝缘测试连接和测试后装配使用。

为了完成低温Paschen条件的测试，待测件在装入测试容器之前需完成冷却回路的连接以及高电压馈入的密封连接，为此在待测件的端部焊接延伸管并加装绝缘子，延伸管选用与待测件上金属管相同尺寸的不锈钢圆管。所述不锈钢圆管单端封闭，另一端与待测件端部密封焊接一体，绝缘子与所述不锈钢圆管事先已焊接在一起，绝缘子的介电强度应大于待测件绝缘本体的介电强度1到2倍，绝缘子的引入可以保证低温冷却回路与待测件之间的电气绝缘，使得冷却管路始终保持低电位状态。所述延伸管与绝缘子过渡部位固化增绕绝缘层，绝缘层覆盖整个延伸管与绝缘子，根据待测件绝缘层的介电强度，增绕绝缘层的介电强度需大于1到2倍。

待测件端部延伸连接处理完成后，将其吊装入测试容器之中，在待测件的待测绝缘层的表面布置温度传感器，温度传感器类型依据待测件降温情况而定；使用铝箔包裹整个待测绝缘层表面形成接地极，最终温度传感器测量线以及铝箔接地极从测试容器侧面法兰上安装的绝缘插座引出后接入计算机采集系统。两绝缘子分别焊接不锈钢管通过测试容器顶部的真空隔断引出连接外部冷却液储罐，作为冷却液的进、出支路。最后在待测件以及冷却液进出管外部包绕多层绝缘热层，降低外界环境对于系统降温时的热负荷。

延伸段端部伸出检测容器两端密封法兰，为了方便待测件的安装与调试，并满足批量测试的需求，延伸段采用动密封形式的不锈钢与环氧双法兰密封结构，环氧法兰保证待测试件延伸段与测试容器之间的真空密封与电气绝缘要求，不锈钢法兰与环氧法兰之间采用楔形配合使用O型密封圈实现动密封，保证了待测件与法兰结构之间的真空密封，不出现真空泄露现象。在两端部的密封结构安装到位后，待测件即完成了与测试容器之间的总装。

在测试容器外围的附属测试装置有如下几种：

（1）真空抽气系统，以及测试气体充入与气压调节装置，分子泵机组可以抽测试容器真空到10^-4Pa左右，在测试时候通过充气阀门充入待测气体，一般测试气体为氮气和氦气，测试气体的气压可以通过微型针尖调节阀调节，从0.1Pa至1000Pa连续变化；（2）低温供给系统，为待测件提供迫流冷却，对于80K温区测试时可使用液氮储罐直接冷却待测件即可；（3）高电压发生与馈入系统，高电压发生装置的选取与待测件的目标测量电压有关，对于大型超导磁体的绝缘件来说现有设备可实现最大100kV，30分钟直流稳态测试，高电压直接从待测件的端部金属支撑件上馈入测试容器内部；（4）计算机采集系统，主要进行温度、电压、漏电流以及气体压力数据的采集与存储。

使用本发明实测试实施前，待测件上待测绝缘层固化完毕并留有相应接口，其端部焊接延伸管，并固化增绕绝缘层，使得待测件的高电压部件完全被绝缘层覆盖只留有待测件高电压馈入端。随后准备完成的待测件被吊装入测试容器之内，两端绝缘子出口连接冷却液进管与冷却液进管，温度计服帖的安装在待测件的待测绝缘层表面，温度计测量线经过温度传感器测量线绝缘插座引出测试容器并连接入计算机采集系统，绝缘层表面包绕铝箔接地极经过接地极出口引出后接入标准地。待测件端部延伸段伸出测量容器后使用端部双法兰密封结构实现密封。待测件、待测件端部延伸段和冷却液进出管在容器内部分需加包多层绝热层。

使用本发明实施测试时，使用抽气与充气系统对待测容器抽真空以及充入测试气体实现Paschen测试的气压条件，使用冷却液储罐对待测件进行降温实现Paschen测试的低温条件。高电压发生装置通过高电压馈入端都待测件施加测试电压。

系统可实现多种测试科目，包括：（1）传统绝缘材料耐电压测试；（2）常温Paschen条件绝缘耐电压测试；（3）低温Paschen条件绝缘耐电压测试；（4）待测件温度循环试验；（5）待测件机械疲劳循环测试。以基本满足大型超导磁体系统高电压部件绝缘的电学性能测试需求。

本发明可对应用与大型超导磁体系统和其他高能电物理领域，以及真空环境工作可能出现Paschen条件的固体绝缘件进行符合实际工况的直流耐电压测试。

本发明对于待测件端部处理方式，保证了对待测件进行低温冷却的情况下，高电压可以安全馈入对待测件进行冷却降温。

本发明中待测件端部延伸段与测试容器的双法兰密封方式，其在保证待测件真空保持不泄露的情况下，方便安装可实现待测件的批量测试。

本发明可对于待测件进行低温测试，并且提供多种气体与气压的测试环境。

附图说明

图1 为绝缘层出现缺陷在100Pa氦气环境中发生Paschen放电现象。

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

参加附图。

用于高电压低温帕邢条件下固体绝缘耐电压性能测试系统，包括有检测容器7和待测件1，所述待测件1吊装在检测容器7中；所述检测容器7的前、后端面上分别设有开孔，检测容器7的侧面上安装有绝缘插座14；所述待测件1包括有金属管，金属管外缠绕有待测绝缘层，所述金属管两端分别固定连通有外端封闭的延伸管，所述延伸管上分别加装有绝缘子15，所述延伸管和绝缘子15上分别增绕有绝缘层形成延伸段6；所述延伸段6分别从检测容器7前、后端面上的开孔处引出；所述待测绝缘层上布置有温度传感器并包裹有铝箔形成接地极，所述温度传感器的测量线12以及铝箔接地极从绝缘插座14引出。检测容器7外安装有抽气与充气系统8。绝缘子15上分别连通有冷却液进、出管3、2，所述冷却液进、出管3、2均接出检测容器7外；所述冷却液进管3连通到冷却液储罐5上的出液口。包括有计算机采集系统9，所述温度传感器的测量线12以及铝箔接地极从绝缘插座14引出后接入计算机采集系统9。

包括有高电压发生装置10，所述待测件1一端延伸段6上设有高电压发馈入端11，所述高电压发馈入端11与高电压发生装置10相连接。

在测试实施前，待测件1上待测绝缘层固化完毕并留有相应接口，其端部焊接延伸管，并固化增绕绝缘层，使得待测件1的高电压部件完全被绝缘层覆盖只留有待测件1高电压发馈入端11。随后准备完成的待测件1被吊装入测试容器之内，两端绝缘子15出口连接冷却液进管3与冷却液进管3，温度计服帖的安装在待测件1的待测绝缘层表面，温度计测量线12经过绝缘插座14引出测试容器并连接入计算机采集系统9，绝缘层表面包绕铝箔接地极经过接地极出口13引出后接入标准地。待测件1端部延伸段6伸出测量容器后使用端部双法兰密封结构4实现密封。待测件1、待测件1端部延伸段6和冷却液进出管在容器内部分需加包多层绝热层。

在实施测试时，使用抽气与充气系统8对待测容器抽真空以及充入测试气体实现Paschen测试的气压条件，使用冷却液储罐5对待测件1进行降温实现Paschen测试的低温条件。高电压发生装置10通过高电压发馈入端11都待测件1施加测试电压。