本发明涉及超导磁体装置领域，具体涉及一种用于液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试平台的设计。
背景技术：
随着超导技术的发展，尤其是大型超导磁体设备的发展，如国际热核聚变实验堆(iter)，实验先进超导托卡马克(east)等装置，其内部的电气系统的设计及其安全稳定性越来越受到关注。电气系统中的绝缘结构设计关系到整个系统运行的稳定性，因此对绝缘材料进行电气性能的检测是十分必要的。
用于电气绝缘设计中的绝缘材料长期暴露在高真空、极低温、高磁场的恶劣环境下，会出现绝缘材料表面放电甚至击穿的情况。这会对设备造成不可逆的损伤，严重的绝缘失效会造成失超的现象，从而影响整个超导磁体的运行。一些高温超导设备，如超导限流，超导线缆等，其运行温度在液氮温区范围，绝缘材料的检测可以直接采用液氮浸泡进行测试的方法。而低温超导设备运行环境一般是在液氦甚至超流氦温区，若直接采用液氦浸泡的方式达到目标温区，一方面造成了大量氦气资源的浪费，另一方面经济成本也比较高。
因此搭建一个液氦及超流氦温区绝缘材料试样高压电气性能实验平台，以g-m制冷机为冷源，实现在高真空，极低温条件下对绝缘材料进行检测，对于绝缘系统的评估有着十分重要的意义。此外，高电压控制系统，温度数据采集系统等外部设备也是测试平台的必备条件。
技术实现要素：
本发明基于现有技术存在的问题提出提供了一种液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其包括：
由外及内逐层嵌套设置的真空腔室、一级测试腔室和二级测试腔室；
设置于所述一级测试腔室中的液氦温区测试平台，所述液氦温区测试平台上设置第一样品台；
制冷机，用于为液氦温区测试平台提供冷量；
设置于所述二级测试腔室中的氦气冷凝腔、超流氦腔和超流氦温区测试平台，所述氦气冷凝腔连接至所述二级测试腔室的顶壁，氦气冷凝腔通过连通至真空腔室外部的进气管道输入氦气，所述超流氦腔位于所述氦气冷凝腔的下方且二者通过设置节流阀的液氦管道连接，超流氦腔通过连通至真空腔室外部的抽气管路输出氦气，所述超流氦温区测试平台嵌套至所述超流氦腔的外侧，所述超流氦温区测试平台上设置第二样品台，所述液氦温区测试平台平行于所述超流氦温区测试平台设置；
所述二级测试腔室与液氦温区测试平台可分离设置，所述实验平台包括所述二级测试腔室与液氦温区测试平台二者接触的第一使用状态和非接触的第二使用状态；
高压电极，用于第二使用状态下连通至第一样品台，以及在第一使用状态下连通至第二样品台，在第一使用状态下，通入氦气冷凝腔中的氦气在制冷机的作用下液化；所述节流阀用于通过节流的方式将液化的氦气转化为超流氦输出至超流氦腔中，在第二使用状态下，关闭氦气输入。
其中，所述制冷机包括制冷机主体和间隔设置于制冷机主体上的一级冷头、二级冷头，所述制冷机主体穿过所述真空腔室的顶壁和所述一级测试腔室的顶壁，一级冷头用于对自真空腔室外部输入的氦气进行预冷，二级冷头与所述液氦温区测试平台接触用于为液氦温区测试平台提供冷量，以及在第一使用状态下将预冷后的氦气液化。
其中，所述实验平台还包括预冷换热器，所述预冷换热器嵌套至所述一级测试腔室的顶壁开口中且与所述一级冷头热接触，所述预冷换热器的顶端和底端分别设置高温进口和低温出口，自真空腔室外部输入的氦气经高温进口进入预冷换热器换热后通过低温出口输入至氦气冷凝腔。
其中，所述预冷换热器为间壁式换热器。
其中，所述实验平台还包括冷阱，所述冷阱设置于所述进气管道上且用于将过滤杂质后的氦气输出至预冷换热器。
其中，所述一级冷头与所述一级测试腔室的顶壁热接触，所述实验平台还包括热开关，所述热开关用于在第一使用状态下通过铜辫子将一级测试腔室顶壁的冷量传递至超流氦腔的外壁。
其中，所述真空腔室包括真空罩、真空法兰、连接螺栓和密封圈，所述真空法兰构成所述真空腔室的顶壁，密封圈设置于真空罩和真空法兰之间，连接螺栓连接所述真空罩和真空法兰。
其中，所述一级测试腔室包括一级冷屏和盖合至一级冷屏顶部的一级冷屏法兰，所述二级测试腔室包括二级冷屏和盖合至二级冷屏顶部的二级冷屏法兰。
其中，所述一级冷屏法兰和二级冷屏法兰通过多个调节螺杆连接，所述多个调节螺杆用于调节所述二级测试腔室的高度以实现所述实验平台在第一使用状态和第二使用状态之间切换。
其中，所述第一样品台、第二样品台和高压电极的数量一致。
与现有技术相比，本发明液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能试验平台包括逐层嵌套设置的真空腔室、一级测试腔室和二级测试腔室，真空腔室用于保证实验平台的真空度，一级测试腔室用于隔离液氦温区测试平台和真空腔室之间的热传递，二级测试腔室用于隔离超流氦温区测试平台和一级测试腔室之间的热传递，将二级测试腔室与液氦温区测试平台断开、采用制冷机为液氦温区测试平台提供冷量可实现4.2k温区使用条件下的绝缘材料的测试需求，以及将二级测试腔室与液氦温区测试平台接触、通入氦气、采用制冷机为液氦温区测试平台提供冷量，通入氦气冷凝腔中的氦气在制冷机的作用下液化，以及通过节流阀将液化的氦气转化为超流氦输出至超流氦腔中为超流氦区测试平台提供冷量可实现1.8k温区使用条件下的绝缘材料的测试需求。本申请以制冷机为冷源，可实现在4.2k和1.8k温区条件下对绝缘材料进行检测，节约了能源的消耗、运行成本亦大大降低。
附图说明
图1为本申请液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台一较佳实施例的结构示意图；
图2为图1所示实验平台中预冷换热器的立体爆炸图；
图3为图2所示预冷换热器的另一角度立体爆炸图；
图4为图1所示实验平台中液氦温区测试平台立体结构图；
图5为图1所示实验平台中超流氦温区测试平台立体结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明保护一种液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，实验平台至少包括：
由外及内逐层嵌套设置的真空腔室、一级测试腔室和二级测试腔室；
设置于一级测试腔室中的液氦温区测试平台，液氦温区测试平台上设置第一样品台；
制冷机，用于为液氦温区测试平台提供冷量；
设置于二级测试腔室中的氦气冷凝腔、超流氦腔和超流氦温区测试平台，氦气冷凝腔连接至二级测试腔室的顶壁，氦气冷凝腔通过连通至真空腔室外部的进气管道通输入氦气，超流氦腔位于氦气冷凝腔的下方且二者通过设置节流阀的液氦管道连接，超流氦腔通过连通至真空腔室外部的抽气管路输出氦气，超流氦温区测试平台嵌套至超流氦腔的外侧，超流氦温区测试平台上设置第二样品台，液氦温区测试平台平行于超流氦温区测试平台设置；
二级测试腔室与液氦温区测试平台可分离设置，实验平台包括二级测试腔室与液氦温区测试平台二者接触的第一使用状态和非接触的第二使用状态；
高压电极，用于第二使用状态下连通至第一样品台，以及在第一使用状态下连通至第二样品台，在第一使用状态下，通入氦气冷凝腔中的氦气在制冷机的作用下液化；节流阀用于通过节流的方式将液化的氦气转化为超流氦输出至超流氦腔中，在第二使用状态下，关闭氦气输入。
通过上述设置，真空腔室用于保证实验平台的真空度，一级测试腔室用于隔离液氦温区测试平台和真空腔室之间的热传递，二级测试腔室用于隔离超流氦温区测试平台和一级测试腔室之间的热传递，将二级测试腔室与液氦温区测试平台断开、采用制冷机为液氦温区测试平台提供冷量可实现4.2k温区使用条件下的绝缘材料的测试需求，以及将二级测试腔室与液氦温区测试平台接触、通入氦气、采用制冷机为液氦温区测试平台提供冷量，通入氦气冷凝腔中的氦气在制冷机的作用下液化，以及通过节流阀将液化的氦气转化为超流氦输出至超流氦腔中为超流氦区测试平台提供冷量可实现1.8k温区使用条件下的绝缘材料的测试需求。本申请以制冷机为冷源，可实现在4.2k和1.8k温区条件下对绝缘材料进行检测，节约了能源的消耗、运行成本亦大大降低。
现在将结合附图对上述基本实现方案做详细的阐述。
图1所示为本发明液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台的一较佳实施例。其包括真空腔室、一级测试腔室、二级测试腔室、液氦温区测试平台11、制冷机1、氦气冷凝腔12、超流氦腔13、超流氦温区测试平台14、高压电极17、冷阱18、热开关2。
真空腔室、一级测试腔室和二级测试腔室由外及内逐层嵌套设置。
本实施例中，真空腔室包括真空罩6、真空法兰4、连接螺栓5和密封圈(未图示)。真空法兰4构成真空腔室的顶壁，密封圈设置于真空罩6和真空法兰4之间，连接螺栓5连接真空罩6和真空法兰4。连接螺栓5的数量至少为3个，真空罩6和真空法兰4的对应位置处设置有供连接螺栓通过的通孔。优选地，真空腔室为不锈钢真空腔室，即真空罩6和真空法兰4均由不锈钢材料制成。
真空法兰4用于承载顶部设备，顶部设备包括制冷机1、高压电极17等。真空法兰4上还设置有制冷机安装孔、高压电极安装孔、抽真空孔、进气管道通孔、抽气管道通孔、热开关控制开关孔、节流阀控制开关孔、截止阀控制开关孔等。
在其他的实施例中，真空法兰4亦可以构成真空腔室的其他壁部。
一级测试腔室包括一级冷屏7和盖合至一级冷屏7顶部的一级冷屏法兰19；二级测试腔室包括二级冷屏9和盖合至二级冷屏9顶部的二级冷屏法兰21。优选地，一级测试腔室和二级测试腔室均为紫铜测试腔室，即一级冷屏7、一级冷屏法兰19、二级冷屏9和二级冷屏法兰21均采用紫铜材料制成。
本实施例中，一级冷屏法兰19和真空法兰4之间通过多根不锈钢连接杆连接，以使一级测试腔室与真空腔室间隔嵌套设置。实际应用中，还可以通过在真空腔室的底部设置隔热材料的方式实现二者之间的间隔嵌套设置，或者，在真空腔室的底壁及一级测试腔室的底壁之间设置连接件的方式实现二者之间的间隔嵌套设置。
本实施例中，二级冷屏法兰21和一级冷屏法兰19之间通过多根调节螺杆8实现距离可调式连接，以使二级测试腔室与一级测试腔室间隔嵌套设置。实际应用中，还可以通过在二级测试腔室的底壁和一级测试腔室的底壁之间设置距离调节机构实现二级冷屏法兰21和一级冷屏法兰19之间的距离可调式连接及两级测试腔室之间的间隔嵌套设置。
制冷机1为g-m制冷机。制冷机1包括制冷机主体和间隔设置于制冷机主体上的一级冷头、二级冷头。制冷机主体穿过真空腔室的顶壁(即真空法兰4)和一级测试腔室的顶壁(即一级冷屏法兰19)，一级冷头用于对自真空腔室外部输入的氦气进行预冷，二级冷头与液氦温区测试平台11热接触用于为液氦温区测试平台提供冷量。
请进一步结合图2和图3，预冷换热器10为间壁式换热器，采用整体铣床加工，真空钎焊制成。间壁式换热器在增强换热效率的同时能够防止氦气中混有的杂质气体对管道的堵塞。预冷换热器10嵌套至一级测试腔室的顶壁(即一级冷屏法兰)开口中且与一级冷头热接触，预冷换热器10的顶端和底端分别设置高温进口和低温出口，自真空腔室外部输入的氦气经高温进口进入预冷换热器换热后通过低温出口输入至氦气冷凝腔12。
进一步地，冷阱18设置于进气管道上且用于将过滤杂质后的氦气输出至预冷换热器10。冷阱18设置于一级冷屏法兰19的顶面上。
请进一步结合图4，液氦温区测试平台11设置于一级测试腔室中，其嵌套至制冷机1外且与制冷机1的二级冷头热接触。液氦温区测试平台11上设置第一样品台20。本实施例中，第一样品台20的数量为3个，其他实施例中，第一样品台的数量不受本实施例限制。
氦气冷凝腔12、超流氦腔13和超流氦温区测试平台14设置于二级测试腔室中。氦气冷凝腔12连接至二级冷凝腔室的顶壁(即二级冷屏连接法兰)，氦气冷凝腔12通过连通至真空腔室外部的进气管道15输入氦气，超流氦腔13位于氦气冷凝腔12的下方且二者通过设置节流阀3的液氦管道连接，氦气冷凝腔12通过连通至真空腔室外部的设置截止阀的抽气管道16输出氦气。前述节流阀13和截止阀均为低温阀。低温节流阀与低温截止阀相配合，同时抽气减压来实现液氦向超流氦的转变过程。请一并结合图5，超流氦温区测试平台14嵌套至超流氦腔13的外侧，超流氦温区测试平台14上设置第二样品台22。液氦温区测试平台11平行于超流氦温区测试平台14设置。本实施例中，第二样品台22的数量为3个，其他实施例中，第二样品台的数量不受本实施例限制。
本申请中，由于一级冷屏法兰19与二级冷屏法兰21(即一级测试腔室顶壁与二级测试腔室顶壁)之间的距离采用可调式设置，因此，二级测试腔室与液氦温区测试平台11为可分离设置，使得实验平台具有二级测试腔室与液氦温区测试平台11二者接触的第一使用状态和非接触的第二使用状态，以实现液氦温区(4.2k)绝缘材料高压电气性能测试和超流氦温区(1.8k)高压电气性能测试两种工况的相互独立。
高压电极17用于第二使用状态下连通至第一样品台20，以及在第一使用状态下连通至第二样品台22，在第一使用状态下，通入氦气冷凝腔中的氦气在制冷机1的作用下液化；节流阀3通过节流的方式将液化的氦气转化为超流氦输出至超流氦腔13中，在第二使用状态下，关闭氦气输入。第一样品台20、第二样品台22和高压电极17的数量一致。
由于实验平台具有二级测试腔室与液氦温区测试平台11二者接触的第一使用状态和非接触的第二使用状态，因此，能够实现液氦温区(4.2k)绝缘材料高压电气性能测试和超流氦温区(1.8k)高压电气性能测试两种工况的相互独立。
热开关2穿过真空法兰4、第一冷屏法兰19和第二冷屏法兰21后悬挂于超流氦腔13的上方，通过调节热开关2的高度可实现其与超流氦腔13热接触通断。所述热开关2用于在第一使用状态下通过铜辫子将一级测试腔室顶壁的冷量传递至超流氦腔13的外壁，实现实验平台前期预冷过程中的快速降温，同时也减少了预冷氦气的使用量。
本申请中液氦温区测试平台和超流氦温区测试平台模拟了绝缘材料在实际运行过程中所处的极低温、高真空度的恶劣环境。在1.8k工况运行时，通过调小一级、二级冷屏之间的间距，将二级测试腔室与液氦温区测试平台11接触，以g-m制冷机1为冷源，以氦气为介质，利用其一级冷头的冷量将氦气进行预冷，预冷后的氦气在二级冷头处进行液化，液氦储存在超流氦腔13中，利用节流阀13的节流效应配合抽气减压，在超流氦腔13实现液氦向超流氦的转变，来提供1.8k的低温环境。在4.2k工况环境下运行时，通过调大一级、二级冷屏之间的间距，将二级测试腔室与液氦温区测试平台断开热接触，采用制冷机1直接冷却的方式对试验样品进行冷却。
在进行液氦温区高压电气性能试验时，先将调解螺杆旋开，使得二级测试腔室与液氦温区测试平台分离，依次安装二级冷屏法兰21、一级冷屏法兰19和真空法兰4后进行抽真空，并打开制冷机1，当二级冷头达到4.2k稳定温度时，液氦温区测试平台的温度稳定在液氦温区。
在进行超流液氦温区高压电气性能试验时，先将调节螺杆8旋紧，使得二级测试腔室与液氦温区测试平台接触，依次安装二级冷屏法兰21、一级冷屏法兰19和真空法兰4后进行抽真空，将热开关2落下，打开制冷机1，当制冷机1的一级冷头温度稳定到30k时，将热开关2升起。通过进气管道15向装置内输送氦气，氦气先经过冷阱18将其中含有的杂质去除掉，再经过预冷换热器10进行预冷，经过预冷后的氦气在氦气冷凝腔12中冷凝成液氦，打开节流阀2，液氦通过节流阀12进入超流氦腔13，抽气管道16通过抽气减压的方式，将超流氦腔13中的压力稳定在16kpa，超流氦腔13内温度达到1.8k时，进行超流氦温区高压电气性能测试实验。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述实验平台包括：
由外及内逐层嵌套设置的真空腔室、一级测试腔室和二级测试腔室；
设置于所述一级测试腔室中的液氦温区测试平台，所述液氦温区测试平台上设置第一样品台；
制冷机，用于为液氦温区测试平台提供冷量；
设置于所述二级测试腔室中的氦气冷凝腔、超流氦腔和超流氦温区测试平台，所述氦气冷凝腔连接至所述二级测试腔室的顶壁，氦气冷凝腔通过连通至真空腔室外部的进气管道输入氦气，所述超流氦腔位于所述氦气冷凝腔的下方且二者通过设置节流阀的液氦管道连接，超流氦腔通过连通至真空腔室外部的抽气管路输出氦气，所述超流氦温区测试平台嵌套至所述超流氦腔的外侧，所述超流氦温区测试平台上设置第二样品台，所述液氦温区测试平台平行于所述超流氦温区测试平台设置；
所述二级测试腔室与液氦温区测试平台可分离设置，所述实验平台包括所述二级测试腔室与液氦温区测试平台二者接触的第一使用状态和非接触的第二使用状态；
高压电极，用于第二使用状态下连通至第一样品台，以及在第一使用状态下连通至第二样品台，在第一使用状态下，通入氦气冷凝腔中的氦气在制冷机的作用下液化；所述节流阀用于通过节流的方式将液化的氦气转化为超流氦输出至超流氦腔中，在第二使用状态下，关闭氦气输入。
2.根据权利要求1所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述制冷机包括制冷机主体和间隔设置于制冷机主体上的一级冷头、二级冷头，所述制冷机主体穿过所述真空腔室的顶壁和所述一级测试腔室的顶壁，一级冷头用于对自真空腔室外部输入的氦气进行预冷，二级冷头与所述液氦温区测试平台接触用于为液氦温区测试平台提供冷量，以及在第一使用状态下将预冷后的氦气液化。
3.根据权利要求2所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述实验平台还包括预冷换热器，所述预冷换热器嵌套至所述一级测试腔室的顶壁开口中且与所述一级冷头热接触，所述预冷换热器的顶端和底端分别设置高温进口和低温出口，自真空腔室外部输入的氦气经高温进口进入预冷换热器换热后通过低温出口输入至氦气冷凝腔。
4.根据权利要求3所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述预冷换热器为间壁式换热器。
5.根据权利要求3所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述实验平台还包括冷阱，所述冷阱设置于所述进气管道上且用于将过滤杂质后的氦气输出至预冷换热器。
6.根据权利要求3所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述一级冷头与所述一级测试腔室的顶壁热接触，所述实验平台还包括热开关，所述热开关用于在第一使用状态下通过铜辫子将一级测试腔室顶壁的冷量传递至超流氦腔的外壁。
7.根据权利要求1所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述真空腔室包括真空罩、真空法兰、连接螺栓和密封圈，所述真空法兰构成所述真空腔室的顶壁，密封圈设置于真空罩和真空法兰之间，连接螺栓连接所述真空罩和真空法兰。
8.根据权利要求1所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述一级测试腔室包括一级冷屏和盖合至一级冷屏顶部的一级冷屏法兰，所述二级测试腔室包括二级冷屏和盖合至二级冷屏顶部的二级冷屏法兰。
9.根据权利要求8所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述一级冷屏法兰和二级冷屏法兰通过多个调节螺杆连接，所述多个调节螺杆用于调节所述二级测试腔室的高度以实现所述实验平台在第一使用状态和第二使用状态之间切换。
10.根据权利要求1所述的液氦及超流氦温区绝缘材料高压电气性能测试实验平台，其特征在于，所述第一样品台、第二样品台和高压电极的数量一致。
技术总结