本发明属于电力绝缘材料检测技术领域，具体涉及沿面闪络实验样品更换装置、实验装置和样品更换方法。
背景技术：
在电力设备中，绝缘结构用于连接不同电位的导体，是保证装置和设备正常运行的重要部件之一，绝缘部件与绝缘介质的界面上，沿面闪络电压一般比相同电极结构下绝缘介质的体击穿电压要低，易发生沿面闪络，闪络也会加剧电场畸变，使绝缘材料受到严重破坏，是高压设备中常见的故障模式。
为确保绝缘部件的绝缘性能可靠性，在应用之前往往需要对其沿面闪络进行大量的实验研究。开展绝缘材料在不同绝缘环境中的沿面闪络电压时，一般将绝缘材料样品放置在实验腔体内部，调整腔体内的绝缘环境后再开展沿面闪络实验。由于存在放电通道发展的随机性和材料表面微观状态的差异性，相同条件下绝缘结构的沿面闪络电压在数据上表现出一定分散性，所以研究一种材料的沿面闪络时，需采用大量的实验样品开展实验以保证实验结果的可靠性。
绝缘材料沿面闪络实验中，普遍使用在密闭实验腔体中放入绝缘材料样品的方法，研究过程中经常需要改变实验条件，如电极间隙、气体压强和气体成分等，造成实验腔内的绝缘材料样品的频繁更换和气体成分、压强的多次变化等，因而研究人员需要多次实施打开实验腔体-更换样品-抽真空-充入特定气压的绝缘气体-实验-回收气体等环节，致使整个过程繁琐复杂，花费的时间是实验开展阶段所需时间的几十倍甚至上百倍，特别对于高真空和高气压绝缘环境，其耗费的时间更多，严重影响沿面闪络实验的效率。此外，在样品更换过程中，若操作不当可能会导致绝缘气体泄漏，造成环境污染。
技术实现要素：
本发明目的是提供沿面闪络实验样品更换装置、实验装置和样品更换方法，基于自动控制技术，实现真空或者高气压绝缘环境中实验样品快速自动更换，以解决绝缘材料沿面闪络实验中样品更换耗时大、操作复杂及可能引起气体泄漏造成环境污染的问题。
本发明的解决方案是：
沿面闪络实验样品更换装置，其特征在于：包括样品更换和电极压紧结构、控制器，所述的样品更换和电极压紧结构与控制器相连接，样品更换和电极压紧结构主要由样品更换单元和电极压紧单元组成；
所述的电极压紧单元包括：实验样品托台、直线轴承、导向轴、装置底板、位移步进电机、电极安装支架和电极安装杆；
导向轴至少为两根，固定安装在装置底板上；实验样品托台与直线轴承固定连接，直线轴承套设在导向轴上，实验样品托台通过直线轴承与装置底板平行设置；位移步进电机设置在装置底板上，位于实验样品托台的下方；位移步进电机的输出端与实验样品托台相连，实现托台的上下移动；电极安装支架固定在装置底板上，电极安装支架的顶板上开设有条形安装孔；多个电极安装杆设置在所述条形安装孔内，并位于实验样品托台的上方，可以在条形安装孔中调整电极之间间距以满足实验要求；
所述的样品更换单元包括：带座轴承、主动滚轴、从动滚轴、旋转步进电机和传动组件；
带座轴承为四个，均固定设置在装置底板上，其中两个带座轴承用于支撑主动滚轴，另外两个带座轴承用于支撑从动滚轴；主动滚轴与从动滚轴平行设置，旋转步进电机通过传动组件驱动主动滚轴转动。
进一步地，所述的样品更换装置还包括电磁隔离模块，电磁隔离模块设置在控制器与样品更换和电极压紧结构之间，样品更换结束后，电磁隔离模块断开，隔绝了实验腔体内复杂电磁环境对控制器的影响。
进一步地，所述的装置底板上设置有开关支架，开关支架上安装有上限位行程开关和下限位行程开关，确保实验样品托台在上下限范围内移动，避免了控制系统发生故障，实验样品托台无法停止时，将电极安装支架顶坏的隐患。
进一步地，所述的控制器为plc控制台，在plc控制台设置相关参数，即可通过plc控制台实现了实验样品的更换、电极的压紧和电磁干扰隔离等操作。
进一步地，所述的电极安装杆包括导杆，以及从下至上依次套设在导杆外的下锁紧螺母、第一挡圈、弹簧、第二挡圈以及上锁紧螺母用来连接实验用电极，通过弹簧的压缩实现电极与实验样品的压紧。
进一步地，所述的样品更换单元还包括阻尼轮，阻尼轮安装在从动滚轴与带座轴承之间，使样品更换时具有一定阻尼感，保证样品更换的流畅性。
进一步地，所述的样品更换单元中的传动组件为带传动组件，所述的带传动组件主要由同步带和两个同步带轮组成，其中一个同步带轮与旋转步进电机的输出端相连，另一个同步带轮与主动滚轴相连。
沿面闪络实验装置，包括实验腔体，其特征在于：还包括上述所述的样品更换装置；
实验腔体设置有耐高气压航空接头；
所述样品更换装置的样品更换和电极压紧结构设置在实验腔体内，控制器设置在实验腔体外；连接样品更换和电极压紧结构与控制器的线缆接入耐高气压航空接头的两端。
进一步地，所述的耐高气压航空接头为最高耐受气压2.0mpa的多芯航空接头。
采用上述所述的样品更换装置更换实验样品的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备实验样品：
若实验样品为硬质固体材料样品：
1.1)将实验样品等间距固定在长条形软质材料上；
1.2)将固定有实验样品的长条形软质材料卷绕成卷轴；
1.3)将卷轴安装至样品更换单元的从动滚轴上；
1.4)将卷轴的引头经过实验样品托台的上部后安装至主动滚轴；
若实验样品为软质薄膜材料样品：
1.1)将实验样品直接卷绕成卷轴；
1.2)将卷轴安装至从动滚轴上；
1.3)将卷轴的引头经过实验样品托台上部后连接至主动滚轴；
2)将实验用电极安装至电极安装杆上，调整使得电极之间间距满足实验要求，并保证电极底部平整；
3)将样品更换单元和电极压紧单元安装至实验腔体内，连接供电和控制线缆，然后将实验腔体内的环境调节为绝缘环境，进行实验；
4)更换样品：
需要更换样品时：
a.电磁隔离模块接通；
b.控制器控制位移步进电机驱动实验样品托台下行，使当前实验样品与实验用电极分离；
c.控制器控制旋转步进电机驱动主动滚轴转动设定角度，将实验样品传送至实验样品托台上设定位置；
d.控制器控制位移步进电机驱动实验样品托台上行，使更换后的当前实验样品与实验用电极压紧；
e.电磁隔离模块断开，再次开始实验。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明实现了实验样品在实验腔体内部的自动快速更换，不需要打开实验腔体，不需要重新恢复绝缘环境，极大地节省了时间，提高了沿面闪络实验的效率，同时防止了样品更换过程中可能造成的气体浪费及对环境的污染。
2、本发明通过制作相应的样品卷轴，安装在从动滚轴上，可以实现软质薄膜材料样品和硬质固体材料样品的快速更换。
3、本发明电极连接杆与电极安装支架之间通过导杆与弹簧连接，实验样品托台上升时，通过弹簧的压缩实现电极与实验样品之间的紧密连接，保证接触效果。
4、本发明实验样品托台的位移通过两个行程开关进行限制，避免了控制系统发生故障，实验样品托台无法停止时将电极安装支架顶坏的隐患。
5、本发明plc控制台和执行机构之间引入了电磁隔离模块，将实验腔体内复杂电磁环境在线缆上引起的干扰与plc控制台进行隔离，避免了plc控制台的误操作和宕机。
6、本发明plc控制台采用触摸屏作为人机交互界面，操作方便简单。
附图说明
图1为本发明实验样品快速更换装置实施例的原理图；
图2为本发明中样品更换和电极压紧结构示意图；
图3为本发明中样品更换和电极压紧结构示意主视图；
图4为样品更换和电极压紧结构移除电极安装支架后的示意图一；
图5为样品更换和电极压紧结构移除电极安装支架后的示意图二；
图6为硬质固体材料样品卷轴的结构示意图；
图7为软质薄膜材料样品卷轴的结构示意图；
附图标记说明：1-装置底板，2-带座轴承，3-主动滚轴，4-同步带轮，5-同步带，6-电极安装支架，7-电极安装杆，8-实验样品托台，9-直线轴承，10-导向轴，11-位移步进电机，12-旋转步进电机，13-从动滚轴，14-下限位行程开关，15-上限位行程开关，16-硬质固体材料样品，17-软质薄膜材料样品。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的沿面闪络实验的样品更换装置包括控制器、样品更换和电极压紧结构，使用时，样品更换和电极压紧结构设置在实验腔体内，控制器设置在实验腔体外；控制器用于控制样品更换和电极压紧结构运行，控制器具体可采用plc控制台；为保证实验腔体内部良好的气密性，可在实验腔体上设置耐高气压航空接头，连接样品更换和电极压紧结构与控制器的线缆接入耐高气压航空接头的两端，耐高气压航空接头具体可采用最高耐受气压为2.0mpa的多芯航空接头；为避免控制器受到样品更换和电极压紧结构的电磁干扰，在控制器与样品更换和电极压紧结构之间可设置电磁隔离模块。
如图2-图5所示，本发明样品更换装置中的样品更换和电极压紧结构包括电极压紧单元和样品更换单元；
电极压紧单元包括实验样品托台8、直线轴承9、导向轴10、装置底板1、位移步进电机11、电极安装支架6、电极安装杆7、下限位行程开关14、上限位行程开关15；
导向轴10固定安装在装置底板1上，直线轴承9套设在导向轴10上；实验样品托台8与直线轴承9固定连接，与装置底板1平行设置；位移步进电机11设置在装置底板1上，位于实验样品托台8的下方；位移步进电机11的输出端与实验样品托台8相连，驱动实验样品托台8沿导向轴10上下动作；导向轴10最少为两根，呈对角设置；为使实验样品托台8上下动作平稳，导向轴10至少应有三根，三根导向轴10间距设置，其内的空间用于放置位移步进电机11；本实施例中采用了四根导向轴10，呈四边形分布；为保证实验样品托台8在设定范围内动作，装置底板1上设置有开关支架，开关支架上安装有限制范围可调的上限位行程开关15和下限位行程开关14；电极安装支架6固定在装置底板1上，电极安装支架6的顶板上开设有条形安装孔；多个电极安装杆7通过设置在条形安装孔内，位于实验样品托台8的上方，用于连接实验用电极，实现实验用电极和实验样品的压紧；电极安装杆7包括导杆，以及从下至上依次套设在导杆外的下锁紧螺母、第一挡圈、弹簧、第二挡圈以及上锁紧螺母，第二挡圈和上锁紧螺母用于将导杆固定在条形安装孔内，下锁紧螺母用于调节弹簧的压缩量；通过调节导杆7的位置和弹簧压缩量，可实现实验电极与放置在实验样品托台8上的实验样品的压紧。
样品更换单元包括带座轴承2、主动滚轴3、从动滚轴13、旋转步进电机12、带传动组件；
带座轴承2共四个，两两一组固定设置在装置底板1上；两组带座轴承2分别用于支承主动滚轴3和从动滚轴13，并且应保证主动滚轴3和从动滚轴13平行；在从动滚轴13与带座轴承2之间安装阻尼轮，使样品更换时具有一定阻尼感，保证样品更换的流畅性；带传动组件包括同步带5和两个同步带轮4，其中一个同步带轮4与旋转步进电机12的输出端相连，另一个同步带轮4与主动滚轴3相连；旋转步进电机12通过带传动组件驱动主动滚轴3转动。
沿面闪络实验的样品更换过程中，plc控制台用于控制旋转步进电机12和位移步进电机11工作；电磁隔离模块的设置，将控制器与实验腔体内复杂的电磁环境隔离，避免了实验腔体内复杂的电磁环境在线缆上引起的干扰，导致plc控制器的误操作或宕机。本发明中，plc控制台可实现对电磁隔离模块、样品更换单元和电极压紧单元的控制，其采用触摸屏，具有人机交互界面，通过人机交互界面可设置主动滚轴转动的角度和对实验样品更换装置的控制方式，其中控制方式包括自动控制和手动控制两种模式，自动控制为一键完成所有样品的更换操作，手动控制为分步骤完成样品的更换操作。
利用本发明实现样品更换的具体步骤：
首先，准备实验样品：
若实验样品为硬质固体材料样品(16)，则将实验样品等间距固定在长条形软质材料上，再将固定有实验样品的长条形软质材料卷绕成卷轴，如图6所示，再将卷轴安装至样品更换单元的从动滚轴13上，卷轴的引头经过实验样品托台8的上部后连接至主动滚轴3；
若实验样品为软质薄膜材料样品，则将薄膜材料直接卷绕成卷轴，如图7所示，再将卷轴安装至从动滚轴13上，卷轴的引头经过实验样品托台8上部后连接至主动滚轴3。
其次，将实验用电极安装至电极安装杆7上，调整电极之间间距以满足实验要求，调节电极安装杆7保证电极底部平整；结合图1，将样品更换单元和电极压紧单元安装至实验腔体内，然后连接供电和控制线缆。
最后，当实验腔体内部绝缘环境准备完毕后，开始进行实验，一次实验完毕，需要更换样品，在控制器的控制下更换实验样品：
a.电磁隔离模块接通，向实验样品自动更换装置供电；
b.控制器控制位移步进电机11驱动实验样品托台8下行至下限位行程开关14处，使当前实验样品与实验用电极分离；
c.控制器控制旋转步进电机12驱动主动滚轴3转动设定角度，将新的实验样品传送至实验样品托台8上设定位置；
d.控制器控制位移步进电机11驱动实验样品托台8上行至上限位行程开关15处，使更换后的实验样品与实验用电极压紧；
e.电磁隔离模块断开，切断实验腔体内部对plc控制台进行电磁干扰的途径，再次进行实验。