УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
DEVICE FOR INVESTIGATION OF ELECTRIC STRENGTH OF DIELECTRIC MATERIALS

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для исследования электрической прочности газов, твердых и жидких диэлектрических материалов (далее - диэлектриков) при нормальных климатических условиях, высоких температурах, ионизирующем излучении в условиях ограниченного объема, например, в исследовательских каналах атомных реакторов.
Известно устройство для испытаний на электрическую прочность пленочных диэлектрических материалов (а.с. №1751701 от 08.08.1989 г. ). Устройство для испытаний на электрическую прочность пленочных диэлектрических материалов содержит электроды, расположенные внутри керамических втулок, между которыми размещается образец для испытаний, помещенный в жидкий диэлектрик. Недостатками такого технического решения является необходимость погружения исследуемого диэлектрика в жидкий диэлектрик для проведения измерений, что сужает области применения устройства, например, при исследовании электрической прочности газов, а также отсутствие возможности статистической обработки данных, так как один исследуемый диэлектрик характеризуется только одним измерением. Кроме этого, невозможно применение такого устройства при высоких температурах, вакууме и т.п.
Известно устройство контроля электроизоляционных свойств композиционных материалов (ПМ №24293 от 14.08.2001), предназначенное, в частности, для испытания пластичных и текучих материалов, таких как мастики и пасты. Устройство содержит верхний и нижний электроды, закрепленные в диэлектрических втулках, нижняя втулка имеет полость, в которую помещается исследуемый диэлектрик, а в верхней втулке и в верхнем электроде выполнены отверстия, образующие сквозные каналы, которые соединяют торцевую рабочую поверхность с внешней поверхностью втулки, предназначенные для вакуумирования образца для испытаний. Недостатками данного технического решения является фактическое отсутствие возможности получения необходимых статистических данных для оценки точности результатов измерений, так как один исследуемый диэлектрик характеризуется только одним измерением, а также ограниченная область применения, обеспечивающая возможность контроля электроизоляционных характеристик только для пластичных и текучих материалов.
Наиболее близким и принимаемым за прототип к заявляемому решению является устройство для измерения электрической прочности диэлектрических материалов (далее устройство), (ГОСТ 6433.3-71. Методы определения электрической прочности при переменном (50 Гц) и постоянном напряжении). Устройство включает корпус, выполненный из двух втулок электроизоляционного материала, в которых выполнены отверстия для верхних и нижних электродов, причем верхний электрод подвижный и имеет меньший радиус закругления кромок. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности исследований диэлектриков при одновременном воздействии высокой температуры, ионизирующего излучения при различных составах и давлениях газовой среды, включая вакуум, а также отсутствие возможности обеспечения необходимого объема статистических данных для оценки точности измерений в случае размещения устройства в ограниченном объеме, например в исследовательском канале атомного реактора.
Известно, что электрическая прочность это напряженность электрического поля, при котором происходит пробой или увеличение плотности ионов в диэлектриках. С увеличением давления газа уменьшается межмолекулярное расстояние и длина свободного пробега ионов. Таким образом, для газов пробойное напряжение является функцией от давления газа и расстояния между электродами. Поэтому при постановке эксперимента по исследованию электрической прочности газов и жидких диэлектриков определяющим критерием является возможность варьирования величины произведения давления на расстояние между электродами. В то время как для исследования электрической прочности твердых диэлектриков необходимо обеспечить возможность вертикального хода верхних подвижных электродов относительно нижних неподвижных электродов, тем самым обеспечивая надежный контакт электродов с исследуемым образцом диэлектрика.
В отношении тепловой формы пробоя характерно экспоненциальное уменьшение величины электрической прочности в зависимости от температуры, в то время как для электрической формы пробоя, практически характерна независимость величины электрической прочности от температуры. Кроме того, величина электрической прочности зависит и от других параметров, например от воздействия ионизирующего излучения. Проведение данного исследования с обеспечением необходимого количества измерений, невозможно без создания малогабаритных устройств, которые могли бы устанавливаться в каналы исследовательских реакторов. Таким образом, очевидно, что существует необходимость в создании устройства для исследования электрической прочности диэлектриков, позволяющее исследовать как отдельное, так и совместное влияние перечисленных факторов на электрическую прочность исследуемых диэлектриков, учитывая условия проведения исследований и требования к результатам измерений (ГОСТ 8.736-2011).
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в создании универсального малогабаритного устройства для исследований электрической прочности диэлектриков с расширенными функциональными возможностями, а именно исследование электрической прочности твердых и жидких диэлектриков, различных составов газов при одновременном и раздельном воздействии различных величин давления газов, температур и ионизирующего излучения в условиях ограниченного объема, обеспечивая при этом требуемую точность результатов измерений.
Техническим результатом заявляемого решения является создание универсального малогабаритного устройства для исследования электрической прочности диэлектриков с расширенными функциональными возможностями, а именно исследование электрической прочности твердых и жидких диэлектриков, различных составов газов при одновременном и раздельном воздействии различных величин давления газов, температур и ионизирующего излучения в условиях ограниченного объема, обеспечивая при этом требуемую точность результатов измерений.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для исследования электрической прочности диэлектриков, содержащем многоэлектродную обойму с расположенными вертикально верхними подвижными и нижними неподвижными электродами, многоэлектродная обойма выполнена цилиндрической и размещена в герметичном корпусе со съемной крышкой, снабженном нагревателем, гермовводами, устройствами ввода и удаления газообразного или жидкого диэлектрика, а верхние подвижные электроды расположены в цилиндрической обойме азимутально и выполнены с элементами их вертикальной фиксации, обеспечивающими необходимые их свободный ход при исследованиях твердого диэлектрика или фиксированное расстояние между соответствующими нижними неподвижными электродами при исследованиях газообразного или жидкого диэлектрика.
Вместе с тем, заявляемый технический результат также обеспечивается при выполнении нижних неподвижных электродов единым элементом.
На фиг. 1 представлен пример реализации заявляемого технического решения.
внутр
внутр
Устройство для исследований электрической прочности диэлектриков содержит герметичный корпус 1 с съемной крышкой 2, в которой расположены гермовводы 3. Корпус 1 снабжен нагревателем 4, причем высота области корпуса, занятой нагревателем, обеспечивающая однородное температурное поле, должна быть больше 2d (где d. внутренний диаметр корпуса), устройством ввода/удаления газообразного диэлектрика 5, устройством удаления/ввода жидкого диэлектрика 6. Внутри корпуса коаксиально расположены многоэлектродная цилиндрическая обойма 7, которая опирается на нижний неподвижный электрод 8, верхние подвижные электроды 9, расположенные азимутально в цилиндрической обойме, и снабженные гайкой 10 и контргайкой 11, фиксирующих их вертикальное положение относительно нижнего неподвижного электрода 8. Кроме этого, по высоте, на уровне зоны между верхними подвижными 9 и нижним неподвижным 8 электродами установлена термопара 12, а для соединения с заземляющим устройством нижний неподвижный электрод 8 соединен с проводником для заземления 13. Для устойчивого размещения многоэлектродной цилиндрической обоймы 7 в герметичном корпусе 1 в верхней части расположены подвески 14 и опора 15.
Функциональное различие конструкции устройства для исследований электрической прочности твердых диэлектриков и газов или жидких диэлектриков обеспечивается тем, что в случае исследований твердых диэлектриков между верхними подвижными и нижним неподвижным электродами устанавливается исследуемый диэлектрик 16, а в случае исследований жидких или газообразных диэлектриков, исследуемый диэлектрик 16 отсутствует, а зазор между верхними подвижными и нижним неподвижным электродом фиксируется гайками 10 и контргайками 11.
При исследованиях электрической прочности газов или жидких диэлектриков устройство для исследований электрической прочности диэлектриков (фиг. 1) работает следующим образом.
Исследуемый диэлектрик 16 отсутствует. Гайкой 10 и контргайкой 11 устанавливаются необходимые зазоры между верхними подвижными электродами 9 и нижним неподвижным электродом 8. Цилиндрическая обойма с верхними подвижными электродами 9 и нижним неподвижным электродом 8 помещается в корпус 1. В герметично закрытый корпус 1 через устройство ввода/удаления газообразного/жидкого диэлектрика 5/6 подается исследуемый газ/жидкий диэлектрик. Устанавливается предварительная величина их давления. Подается электропитание на нагреватель 4 и исследуемый диэлектрик нагревается до заданной температуры, фиксируемой термопарой 12. Корректируется величина давления диэлектрика, заданная программой испытаний. На верхние подвижные 9 и нижний неподвижный 8 электроды последовательно подается напряжение и фиксируется величина пробивного напряжения. После проведения испытаний нагреватель 4 выключается, газ/жидкий диэлектрик удаляется через устройство удаления газообразного/жидкого диэлектрика 5/6, крышка 2 снимается. При необходимости устанавливаются новые зазоры между верхними подвижными электродами 9 и нижним неподвижным электродами 8 и проводится новый цикл испытаний.
При исследовании электрической прочности твердых диэлектриков, например слюдопластов, полимерных пленок и т.п., устройство для исследований электрической прочности диэлектриков работает следующим образом.
Гайкой 10 и контргайкой 11 верхние подвижные электроды 9 устанавливаются в положении, обеспечивающем одновременно их свободный ход, существенно больший толщины исследуемого диэлектрика 16, и за счет сил тяжести надежный контакт между исследуемым диэлектриком и верхними подвижными 9 и нижним неподвижным электродами 8.
Цилиндрическая обойма с верхними подвижными 9 и нижним неподвижным 8 электродами, исследуемым диэлектриком 16, термопарой 12 помещается в корпус 1 и закрывается герметично крышкой 2. В герметично закрытый корпус через устройство ввода/удаления газообразного/жидкого диэлектрика 5/6 подается, при необходимости, газ или жидкий диэлектрик. Устанавливается предварительная величина их давления. Подается электропитание на нагреватель 4. Исследуемый диэлектрик нагревается до заданной температуры, фиксируемой термопарой 12. Корректируется величина давления газа, заданная программой испытаний. На верхние подвижные и нижний неподвижный электроды подается напряжение и фиксируется величина пробивного напряжения. После проведения испытаний нагреватель 4 выключается, газ или жидкий диэлектрик удаляется через устройство удаления газообразного/жидкого диэлектрика 5/6, крышка 2 снимается. При необходимости устанавливается следующий исследуемый образец диэлектрика и проводится новый цикл испытаний.