本實(shí)用新型涉及超導(dǎo)磁體絕緣可靠性技術(shù)，具體講,涉及電磁場(chǎng)共同作用下的低溫聚合物電樹枝引發(fā)裝置。

背景技術(shù)：

目前，國際熱核聚變工程引起廣泛的關(guān)注，國際上針對(duì)該項(xiàng)工程提出了磁約束高溫等離子體的領(lǐng)先概念，世界范圍內(nèi)的磁約束聚變裝置集中到托卡馬克型(Tokamak,EAST)的環(huán)形磁約束裝置上來。低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是Tokamak裝置中的重要組成單元，以環(huán)氧樹脂為基體的復(fù)合絕緣子分別構(gòu)成超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中匝間絕緣、層間絕緣及磁體與地絕緣(對(duì)地絕緣)的絕緣部分。環(huán)氧膠在超導(dǎo)Tokamak裝置中承擔(dān)連接和絕緣的作用。超導(dǎo)磁體運(yùn)行時(shí)需工作在液氦溫度下，以環(huán)氧樹脂為基體絕緣材料需要有較高的低溫力學(xué)性能和電性能。英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室研制的環(huán)氧膠被我國引入成為超導(dǎo)磁體的耐低溫絕緣材料。在ITER裝置運(yùn)行過程中，其內(nèi)部的超導(dǎo)絕緣材料處于強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，因此，超導(dǎo)線圈以及線圈周圍的絕緣復(fù)合材料除了承受液氮溫度的極端環(huán)境外，還必須承受強(qiáng)磁場(chǎng)的作用。在磁場(chǎng)與電場(chǎng)的共同作用下，空間電荷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致電樹枝絕緣老化過程發(fā)生變化。磁通密度是表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)，超導(dǎo)裝置中磁場(chǎng)的磁通密度變化范圍為數(shù)百mT至幾T，該強(qiáng)度下的磁場(chǎng)足以引起電荷運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致電樹枝表現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)特性。目前，針對(duì)于磁場(chǎng)環(huán)境下的聚合物電樹枝生長(zhǎng)情況的研究較少，尚未建立一套完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法來觀測(cè)電磁場(chǎng)共同作用對(duì)電樹枝生長(zhǎng)特性的影響，因此急需建立一套電磁場(chǎng)環(huán)境下的電樹枝測(cè)試裝置來完善相關(guān)的理論體系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種電磁場(chǎng)共同作用下的低溫聚合物電樹枝引發(fā)裝置，以模擬超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境中環(huán)氧樹脂試樣在電磁場(chǎng)共同作用下的電樹枝觀測(cè)及圖像采集功能。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，電磁場(chǎng)共同作用下的低溫聚合物電樹枝引發(fā)裝置，包括數(shù)字顯微鏡成像系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、恒溫箱、可控高壓脈沖電源和磁場(chǎng)發(fā)生裝置，所述溫度控制系統(tǒng)通過液氮冷卻裝置控制恒溫箱溫度；所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置由恒流電磁場(chǎng)發(fā)生器與電磁鐵組成，電磁鐵采用單扼U形結(jié)構(gòu)，臥式水冷；所述聚合物為進(jìn)行電樹枝老化的聚合物試樣，由環(huán)氧樹脂制成，聚合物處于單扼U形結(jié)構(gòu)中間位置，兩端通過針-板電極結(jié)構(gòu)連接恒溫箱外部的可控高壓脈沖電源；數(shù)字顯微鏡成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)環(huán)氧樹脂試樣中的電樹枝生長(zhǎng)情況。

針-板電極結(jié)構(gòu)選取高純度銀針與可控高壓脈沖電源接通作為高壓電極，厚度為100μm的鋁箔貼附在試樣底部與鋁板壓緊，鋁板和地相連，作為地電極。

高純度銀針為實(shí)心銀針，其直徑為400μm，針尖曲率半徑為3μm。

本實(shí)用新型的特點(diǎn)及有益效果是：

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是，通過該裝置能夠模擬超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中絕緣子所處的超導(dǎo)低溫和磁場(chǎng)環(huán)境，通過控制磁場(chǎng)發(fā)生裝置改變磁場(chǎng)強(qiáng)度來觀察磁場(chǎng)的變化對(duì)環(huán)氧絕緣子內(nèi)部電樹枝老化的影響，進(jìn)一步掌握了低溫磁場(chǎng)環(huán)境下的聚合物電樹枝生長(zhǎng)特性，對(duì)超導(dǎo)中的絕緣可靠性評(píng)估具有十分重要的意義。

附圖說明：

圖1是低溫磁場(chǎng)環(huán)境下的電樹枝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；

圖2是脈沖電壓波形圖；

圖3是不同磁場(chǎng)下典型的電樹枝形態(tài)；

圖4是低溫下電樹枝起始概率與磁通密度的關(guān)系。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型涉及了一種電磁場(chǎng)共同作用下的低溫聚合物電樹枝引發(fā)裝置，利用數(shù)字顯微鏡成像系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、可控高壓脈沖電源和磁場(chǎng)發(fā)生裝置，通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，研究低溫下電磁場(chǎng)共同作用對(duì)環(huán)氧樹脂電樹枝生長(zhǎng)特性的影響，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，分析環(huán)氧樹脂電樹枝形態(tài)、生長(zhǎng)速度等參數(shù)的變化，掌握環(huán)氧樹脂在電磁場(chǎng)共同作用下的電樹枝生長(zhǎng)機(jī)理，為研究超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的絕緣可靠性提供了重要的理論依據(jù)，具有典型的工程實(shí)踐指導(dǎo)特性。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，電磁場(chǎng)共同作用下的低溫聚合物電樹枝引發(fā)裝置，包括數(shù)字顯微鏡成像系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、可控高壓脈沖電源和磁場(chǎng)發(fā)生裝置，其特征為：所述溫度控制系統(tǒng)通過液氮冷卻裝置使測(cè)試溫度范圍為室溫至液氮溫度；所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置由恒流電磁場(chǎng)發(fā)生器與電磁鐵組成，電磁鐵采用單扼U形結(jié)構(gòu)，臥式水冷，具有視野開闊、結(jié)構(gòu)可靠、磁場(chǎng)強(qiáng)度高、磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)等特點(diǎn)；所述進(jìn)行電樹枝老化的聚合物試樣由環(huán)氧樹脂制成，實(shí)驗(yàn)選用針-板電極結(jié)構(gòu)，采用實(shí)心銀針作為針電極，其直徑為400μm，針尖曲率半徑為3μm，以消除磁場(chǎng)對(duì)針電極的應(yīng)力作用，該裝置可實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)共同作用下的低溫聚合物電樹枝觀測(cè)。

在針-板電極中，選取高純度銀針與交流高壓電源接通作為高壓電極，厚度為100μm的鋁箔貼附在試樣底部與鋁板壓緊，鋁板和地相連，作為地電極。

變壓器高、低壓絕緣套管是變壓器箱外的主要絕緣裝置，變壓器高、低壓繞組的引出線必須穿過絕緣套管，使引出線之間及引出線與變壓器外殼之間絕緣，同時(shí)起固定引出線的作用。

CCD數(shù)碼攝像頭與筆記本電腦相連，通過攝像頭自帶軟件可以實(shí)時(shí)觀測(cè)環(huán)氧樹脂試樣中的電樹枝生長(zhǎng)情況，并且可以攝像、拍照，拍照可實(shí)現(xiàn)定時(shí)拍照。軟件還可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度標(biāo)定，將拍到的電樹枝生長(zhǎng)圖片與顯微鏡標(biāo)尺對(duì)照，即可標(biāo)定電樹枝生長(zhǎng)長(zhǎng)度。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)說明本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型采用圖1所示的磁場(chǎng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)性電樹枝老化研究。該研究的實(shí)驗(yàn)溫度為30、-30、-90和-196℃。實(shí)驗(yàn)采用典型的針-板電極，同時(shí)選取高純度銀針作為針電極以消除磁場(chǎng)應(yīng)力，銀針直徑為400μm，針尖曲率半徑3μm。磁場(chǎng)環(huán)境由電磁發(fā)生裝置產(chǎn)生，磁通密度范圍為0-400mT。實(shí)驗(yàn)所施加的電壓為脈沖電壓發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖電壓，其幅值和頻率分別為14kV和400Hz。脈沖電壓波形如圖2所示。為了避免實(shí)驗(yàn)隨機(jī)性帶來的誤差，每種情況約進(jìn)行20次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

圖3為不同強(qiáng)度磁場(chǎng)下典型的電樹枝形態(tài)，環(huán)氧樹脂電樹枝測(cè)試分別在0、100、200、400mT的磁通密度下進(jìn)行。在無磁場(chǎng)條件下，電樹枝的形態(tài)簡(jiǎn)單，分枝少，樹枝通道纖細(xì)。而當(dāng)外施一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)后，電樹枝的通道明顯加粗，樹枝分枝增多，并且電樹枝的樹枝通道相互交錯(cuò)，充滿了圍繞針尖的各個(gè)生長(zhǎng)方向，電樹枝的橫向生長(zhǎng)比較明顯。磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，樹枝通道變粗和橫向生長(zhǎng)現(xiàn)象更加明顯，電樹枝的形態(tài)更為復(fù)雜。

圖4為低溫環(huán)境下電樹枝起始概率隨磁通密度的變化趨勢(shì)。起始時(shí)間設(shè)為10min。隨著磁通密度的增加，起始概率也呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)。然而在磁通密度較低時(shí)(0-200mT)，電樹枝起始概率的增加并不明顯，當(dāng)磁通密度增大至一定值(本實(shí)驗(yàn)中為400mT)，電樹枝的起始概率有明顯的增加。例如在-30℃時(shí)，當(dāng)磁通密度為0-200mT時(shí)，電樹枝起始概率在20-25％之間，增長(zhǎng)并不明顯，而當(dāng)磁通密度增加至400mT時(shí)，起始概率增加至50％左右，是低磁通密度的2倍之多。