深冷温区固液气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置

本发明属于低温极端环境材料表面闪络测试，具体涉及一种深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置及测试方法。

背景技术：

1、超导系统越来越多的被应用于超导输电、深空探测、可控核聚变等前沿技术当中，液氮和液氦是目前超导系统中最常用的降温冷源，但是不可避免的会由于温度波动等因素导致低温液体挥发，进而在超导系统中出现低温液体和气体共存的情况，与绝缘材料构成固-液-气三态结合点。固-液-气三态结合点由于环境复杂、电场集中且有超大温度梯度，常常成为超导系统中的绝缘弱点，目前尚无专门针对深冷温区固-液-气三态结合点的闪络特性的测试装置。因此，设计开发可人为构建绝缘材料表面温度梯度、改变气相压强的深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置具有重要意义。

技术实现思路

1、为了有针对性的表征绝缘材料在深冷温区固-液-气三态结合点处的闪络特性的技术问题，本发明的目的在于，提供一种深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置及测试方法。

2、为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

3、一种深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置，包括：试验腔、样品台和样品台升降装置，所述样品台设置在试验腔内并连接有样品台升降装置以控制试样高度，所述试验腔用于提供低温固-液-气三态共存试验环境，所述样品台用于加载试样并施加电压记录电流变化，其特征在于，还包括：加压及电流监测模块，温控模块，气压控制模块和低温液体调控模块，其中：

4、所述加压及电流监测模块用于在试样表面施加电场并监测电流变化、记录闪络电流波形；

5、所述温控模块用于单点加热试样构造温度梯度，并监测试样不同位置温度；

6、所述气压控制模块用于调节气相环境气压；

7、所述低温液体调控模块用于调控低温液体液面高度。

8、根据本发明，所述试验腔为多层绝热的不锈钢杜瓦罐，盖顶为内部包含绝热性能良好的硬质泡沫塑料，防止内部低温液体挥发，试验腔整体密封性良好，可在其内部构建常压至超高真空的不同气压条件；

9、所述样品台包括试样、地电极、高压电极，被测试样由试样支撑件顶住，保证与电极的贴合，电极固定结构上有螺纹，可用来拧紧地电极和高压电极，通过地电极和高压电极设置的不同的螺孔，可以调整地电极和高压电极间距；

10、所述样品台升降装置一端连接样品台，另一端为控制端，设置在试验腔顶端外部，用来调节样品台高度，改变试样浸没入低温液体的深度；

11、所述加压及电流监测模块包括高压源和电流监测系统，均设置在试验腔外部，通过导线与试验腔内的地电极和高压电极相连，所述高压源用于提供直流、交流或脉冲电压，通过地电极和高压电极在试样表面形成高电场，所述电流监测系统用于监测试样表面电流变化，记录闪络电流波形，并在发生闪络后及时断开高压电源；

12、所述温控模块包括加热装置、加热丝、温度监测装置和测温阵列，所述加热丝设置在样品台上端与样品台升降装置连接处以达到单点加热的目的，测温阵列分别设置在试样上部、试样气相部分中部、低温液体液面处和试样液相中部，用来监测试样表面的温度梯度；

13、所述气压控制模块包括气压计、气压监测装置、真空泵、气体馈入装置和压缩气体，其中：

14、所述气压计和气压监测装置用来监测试验腔内部气相压强，所述真空泵、气体馈入装置和压缩气体用来构建试验腔内的气体环境，并调节气体压强；

15、所述低温液体调控模块包括液面高度监测装置、低温液体馈入系统和低温液体，所述液面高度监测装置用于监测低温液体液面高度，在液面未达到指定高度时，低温液体馈入系统向试验腔内馈入低温液体，保持液面高度稳定。

16、具体的，所述被测试样为片状平整绝缘材料，厚度范围为1μm～1cm。

17、进一步的，所述压缩气体主要为压缩氮气或压缩氦气，与低温液体种类相对应。

18、进一步的，所述低温液体主要为液氮或液氦。

19、上述深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置的测试方法，其特征在于，按照如下步骤执行：

20、步骤1：将被测试样安装在样品台上，拧紧试样支撑件，调整电极间距，拧紧电极固定结构，再将样品台安装在盖顶样品台升降装置上。

21、步骤2：向试验腔内少量多次注入低温液体，逐步降低罐体温度，所述降温过程加入的低温液体量应少于最终低温液体量，之后安装试验腔盖顶，并固定；

22、步骤3：调整样品台高度至指定位置，并固定样品台升降装置；

23、步骤4：设定测试气相环境，气体种类应与所选择的低温液体对应，开启真空泵抽出试验腔内部分气体，关闭真空泵阀门，开启气体馈入装置阀门，馈入指定气体至1标准大气压，之后关闭气体馈入装置阀门，再打开真空泵阀门抽出试验腔内部分气体，关闭真空泵阀门，开启气体馈入装置阀门，馈入指定气体至1标准大气压，重复上述步骤2～3次，直至试样腔内气体置换成指定气体，之后关闭馈入装置阀门，开启开启真空泵，至指定气体压强；

24、步骤5：设定低温液体液面高度，所述高度应位于两电极之间，开启低温液体调控模块，馈入低温液体至指定高度；

25、步骤6：设定被测试样表面温度梯度，设定电热丝温度至试样表面要求的最高温度，并利用测温阵列监测试样表面温度梯度；

26、步骤7：开启加压及电流监测模块，设置施加于试样表面的高电压(可以是交流、直流或脉冲电压)波形，同时监测并记录输出电流波形，直至闪络发生；

27、步骤8：检查低温液体液面高度、气氛条件和温度条件，若符合测试要求，则重复步骤7，若不符合要求则重复步骤4-6使测试条件恢复到原始设定后，重复步骤7的测试；

28、步骤9：重复步骤8，根据测试绝缘材料设置重复次数10～100次，直至完成闪络测试；

29、步骤10：关闭加压及电流监测模块，关闭温控模块，开启气体馈入装置至试验腔内气压恢复常压；开启试验腔，更换试样，重复测试步骤1-9，或完成测试关闭测试系统。

30、本发明提出的深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置，首次针对深冷温区固-液-气三态结合点处这一特殊环境，并可以人为构建温度梯度，针对超导装置内冷源低温液体易挥发造成固-液-气三态结合点形成绝缘弱点的问题，能够进行不同低温液体、不同气体压强、不同温度梯度下绝缘材料表面直流、交流和脉冲闪络测试。

31、与现有技术相比，带来的技术创新在于：

32、(1)直接在试验腔内构建深冷温区固-液-气三态结合点环境，表征绝缘材料处于这一特殊环境条件下的表面闪络特性；

33、(2)可人为构建并监测材料表面温度梯度，以模拟超导系统中绝缘材料上可能存在的超大温度梯度；

34、(3)试验腔内的气体压强可根据需要调控。

技术特征：

1.一种深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置，其特征在于，包括试验腔(1)、样品台(2)和样品台升降装置(3)，其中：

2.如权利要求1所述的深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置，其特征在于，所述试验腔(1)为多层绝热的不锈钢杜瓦罐，盖顶为内部包含绝热性能良好的硬质泡沫塑料；

3.如权利要求2所述的深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置，其特征在于，所述被测试样(22)为片状平整绝缘材料，厚度范围为1μm～1cm。

4.如权利要求2所述的深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置，其特征在于，所述压缩气体(18)主要为压缩氮气或压缩氦气，与低温液体种类相对应。

5.如权利要求2所述的深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置，其特征在于，所述低温液体(21)主要为液氮或液氦。

6.权利要求1-5其中之一所述的深冷温区固-液-气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置的测试方法，其特征在于，按照如下步骤执行：

技术总结
本发明公开了一种深冷温区固‑液‑气三态结合点绝缘材料闪络特性测试装置，包括试验腔、样品台、加压及电流监测模块、温控模块、气压控制模块和低温液体调控模块；其中，样品台设置在试验腔内并连接样品台升降装置控制试样高度，试验腔用于提供低温固‑液‑气三态共存试验环境，加压及电流监测模块用于在试样表面施加电场并监测电流变化、记录闪络电流波形并保护电路；温控模块用于单点加热试样构造温度梯度，并监测试样不同位置温度；气压控制模块用于调节气相环境气压；低温液体调控模块用于调控低温液体液面高度。能够对绝缘材料进行深冷温区固‑液‑气三态结合点不同低温液体、气体压强、温度梯度下绝缘材料表面直流、交流和脉冲闪络测试。

技术研发人员：毛佳乐,成永红,马文杰,冯思远,王双,陈玉
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15