[发明专利]一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管的设计方法

权利要求书

1.一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管的设计方法，所述穿墙套管（1）内设有绝缘隔热层，所述绝缘隔热层内设有导电杆（4）和电容芯子（2），且电容芯子（2）包裹在导电杆（4）外，所述绝缘隔热层与电容芯子（2）和导电杆（4）间填充有浸渍绝缘介质（3）；所述穿墙套管（1）与导电杆（4）间设有阻热环（5）；所述绝缘隔热层包括石英外层（6）和陶瓷内层（7），且石英外层（6）和陶瓷内层（7）间设有真空腔（8），所述真空腔（8）内间隔设置有垫块（9）；所述浸渍绝缘介质（3）为六氟化硫气体和环氧树脂，其特征在于：该方法包括绝缘设计和隔热设计两部分

绝缘设计部分，包括以下步骤：

（一）、对穿墙套管进行绝缘计算，求得电容芯子的尺寸，计算尺寸内容为：绝缘层个数n、炉内外台阶长度λ₁和λ₂、各层极板长度l_x和各层极板半径r_x，具体计算步骤如下：

a、为了提高穿墙套管的局部放电性能，选取电容式套管的最小绝缘厚度d_min，并根据工作电压下，最大电场强度E_rm不高于有害局部放电电压的原则，求得局部放电起始场强E_k，从而计算出绝缘层数n ，加入场强安全裕度k₂，抵消高温对电场强度值的影响；

b、根据干闪络电压下，电容芯子的炉内部分和炉外部分沿轴向的电场强度E₁、E₂不得高于闪络电压的原则，通过实测数据选择E₂，并依此确定炉内外极板台阶长度λ₂，选择炉内外台阶长度比k₃，抵消高温对电场分布的影响；

c、选择合适的长度比值ξl，并根据“等电容，等台阶”的电容芯子各绝缘层的电容量相同原理计算出各层极板的长度l_x和半径r_x；

（二）、依据其绝缘设计原则，设定绝缘性能评价指标，包括电场分布均匀度、局部放电安全裕度、闪络安全裕度和外绝缘安全裕度，具体情况如下：

a、根据穿墙套管直径越大，法兰附近场强就越小，端盖附近场强就越大的特点，采用穿墙套管表面电场分布曲线U(l)与理想曲线G(l)的离散程度来表示电场分布理想程度，离散度越小，表示电场分布越理想；

b、根据在工作电压下，穿墙套管不能发生局部放电的要求，以及在电容式套管中，电容芯子极板的边缘最容易发生局部放电的特点，选择用电容芯子极板边缘电场强度来判断是否发生局部放电，并以最大电场强度E_rm与极板边缘场强的比值为局部放电安全裕度；

c、根据在干试闪络电压下，电容芯子极板的轴向电场强度应小于闪络发生场强的原则，以轴向闪络场强E_s和极板轴向场强的比值为闪络安全裕度；

d、由于高温固体电储热装置穿墙套管的外绝缘为空气绝缘，套管表面电场强度值应小于空气的击穿电压，因此以空气击穿电压与套管表面电场强度的比值为外绝缘安全裕度；

隔热设计部分，包括以下步骤：

（一）、对高温固体电储热装置穿墙套管进行径向隔热计算，得到炉内套管RC热网络模型，并通过仿真来判断真空层的厚度是否合理；计算内容包括：外绝缘内径r_e；外绝缘的各层套管厚度d_ex；真空层各层厚度d_vx；套管径向热阻R_r和热容C；具体步骤如下：

a、根据高温固体电储热装置穿墙套管的外绝缘内径略高于电容芯子最外层半径的原则，预留出电容芯子形变距离，从而确定r_e的值；然后根据外绝缘材料以及加工难度和强度的要求选定外绝缘层套管厚度d_e1、d_e2、d_e3；

b、通过电容充电原理，设定炉内温度、电容芯子最外层预期温度和加热时长，并利用真空层厚度的计算公式求得真空层各层厚度d_vx；

c、套管的结构为同心圆柱结构，因此沿轴向划分微元，每一个微元都近似为同心圆环，采用同心圆柱模型来计算套管的径向传热热阻R_r，并根据热容的定义求得套管的热容C；

d、根据传热学基本原理，忽略导电杆的热阻和热容；石英层和陶瓷层径向热阻远大于其它部分，认为为开路；真空层的热容远小于其它部分，忽略不记，从而得到炉内套管的RC热网络简化模型；

e、通过RC热网络仿真快速得到电容芯子最外层的仿真温度，来判断其是否超过电容芯子材料的耐温温度以确定所设计真空层厚度是否合理，调整真空层厚度求得合适的真空层厚度参数；

（二）、根据阻热环的设计原理，对高温固体电储热装置穿墙套管进行阻热环隔热计算，得到阻热环的RC热网络模型，并通过仿真来判断阻热环的结构是否合理；计算内容包括：阻热环体积V_r；隔热层下底半径r_r2和长度L_r；阻热环的径向热阻R_a和热容；具体步骤如下：

a、根据阻热环的隔热原理，高温固体电储热装置穿墙套管与电热元件相连，设计阻热环的储热容量与导电杆传导的热量相等，从而通过推导得出阻热环的体积V_r；

b、选取隔热层厚度d_r为5mm，阻热环的上底半径r_r1等于套管外绝缘的最大半径，并设定阻热环的长度L_r与下底半径r_r2的比值为1.2，通过体积计算公式分别求出L_r与r_r2；

c、计算阻热环的径向热阻和热容，其方法与外绝缘套管相同，但阻热环在传热时，存在轴向分量，该轴向分量的一部分为阻热环的热传导，通过隔热层与储热层的配合保持一定的热流量，因此还需要计算该部分轴向热阻；

d、根据传热学基本原理，忽略同一层储热层或隔热层的轴向热阻变化，将阻热环的每一层都等效为同体积圆柱，忽略斜边的影响；隔热层的径向热阻远大于其它部分，认为为开路；储热层轴向热阻小于其它部分，认为为短路；外隔热层轴向热阻远大于其它部分，认为为开路；导电杆、外隔热层的热容远小于其它部分，忽略不记，从而得到阻热环的RC热网络简化模型；

（三）、依据其隔热设计原则，设定隔热性能评价指标，包括介质最高温度和耐温安全裕度、最大温度梯度和轴向及径向温差、最大应力和轴向位移及径向位移、阻热环末端温度T_e和阻热率η以及储热率δ；具体情况如下：

a、介质最高温度表示套管运行过程中各类绝缘介质所能达到的最高温度，其值不应高于其最高耐受温度；最高耐受温度与介质最高温度的比值为耐温裕度，表示套管各类绝缘介质耐温的安全裕度，根据储热装置的加热特点，其值应在1.1以上；

b、最大温度梯度用以研究绝缘介质是否因结构设计缺陷而存在传热阻碍，轴向、径向温差用以研究套管是否存在局部过热；

c、最大应力和轴向位移、径向位移为评价套管形变的指标，根据高温固体电储热装置穿墙套管的设计特点，使用最大应力判断套管是否存在局部受压过大，使用轴向位移、径向位移判断结构安全性，要求炉内外绝缘各层套管的轴向位移曲线趋势相近，末端轴向位移大小相近，径向位移曲线大小相近；

d、末端温度T_e为阻热环与套管一侧贴近导电杆的温度，当该温度小于六氟化硫气体的气体耐受温度时，表示阻热环阻热效果达标；阻热率η为仅考虑导电杆传热时，阻热环储存热量与导电杆传热热量的比值，表示阻热环对导电杆传导热量的吸收效率；储热率δ为同时考虑辐射传热和导电杆传热时，阻热环储存热量与阻热环设计储热量的比值，表示阻热环的利用率。