[發(fā)明專利]一種電容式高溫固體電儲(chǔ)熱裝置穿墻套管的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010903900.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112038015B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邢作霞;付啟桐;陳雷;姜立兵;許增金
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01B17/28
• 分類號(hào): H01B17/28;G06F30/17;G06F113/14;G06F119/08
• 代理公司: 沈陽(yáng)智龍專利事務(wù)所(普通合伙) 21115
• 代理人: 宋鐵軍

1.一種電容式高溫固體電儲(chǔ)熱裝置穿墻套管的設(shè)計(jì)方法，所述穿墻套管（1）內(nèi)設(shè)有絕緣隔熱層，所述絕緣隔熱層內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電桿（4）和電容芯子（2），且電容芯子（2）包裹在導(dǎo)電桿（4）外，所述絕緣隔熱層與電容芯子（2）和導(dǎo)電桿（4）間填充有浸漬絕緣介質(zhì)（3）；所述穿墻套管（1）與導(dǎo)電桿（4）間設(shè)有阻熱環(huán)（5）；所述絕緣隔熱層包括石英外層（6）和陶瓷內(nèi)層（7），且石英外層（6）和陶瓷內(nèi)層（7）間設(shè)有真空腔（8），所述真空腔（8）內(nèi)間隔設(shè)置有墊塊（9）；所述浸漬絕緣介質(zhì)（3）為六氟化硫氣體和環(huán)氧樹(shù)脂，其特征在于：該方法包括絕緣設(shè)計(jì)和隔熱設(shè)計(jì)兩部分

絕緣設(shè)計(jì)部分，包括以下步驟：

（一）、對(duì)穿墻套管進(jìn)行絕緣計(jì)算，求得電容芯子的尺寸，計(jì)算尺寸內(nèi)容為：絕緣層個(gè)數(shù)n、爐內(nèi)外臺(tái)階長(zhǎng)度λ₁和λ₂、各層極板長(zhǎng)度l_x和各層極板半徑r_x，具體計(jì)算步驟如下：

a、為了提高穿墻套管的局部放電性能，選取電容式套管的最小絕緣厚度d_min，并根據(jù)工作電壓下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度E_rm不高于有害局部放電電壓的原則，求得局部放電起始場(chǎng)強(qiáng)E_k，從而計(jì)算出絕緣層數(shù)n ，加入場(chǎng)強(qiáng)安全裕度k₂，抵消高溫對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度值的影響；

b、根據(jù)干閃絡(luò)電壓下，電容芯子的爐內(nèi)部分和爐外部分沿軸向的電場(chǎng)強(qiáng)度E₁、E₂不得高于閃絡(luò)電壓的原則，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選擇E₂，并依此確定爐內(nèi)外極板臺(tái)階長(zhǎng)度λ₂，選擇爐內(nèi)外臺(tái)階長(zhǎng)度比k₃，抵消高溫對(duì)電場(chǎng)分布的影響；

c、選擇合適的長(zhǎng)度比值ξl，并根據(jù)“等電容，等臺(tái)階”的電容芯子各絕緣層的電容量相同原理計(jì)算出各層極板的長(zhǎng)度l_x和半徑r_x；

（二）、依據(jù)其絕緣設(shè)計(jì)原則，設(shè)定絕緣性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括電場(chǎng)分布均勻度、局部放電安全裕度、閃絡(luò)安全裕度和外絕緣安全裕度，具體情況如下：

a、根據(jù)穿墻套管直徑越大，法蘭附近場(chǎng)強(qiáng)就越小，端蓋附近場(chǎng)強(qiáng)就越大的特點(diǎn)，采用穿墻套管表面電場(chǎng)分布曲線U(l)與理想曲線G(l)的離散程度來(lái)表示電場(chǎng)分布理想程度，離散度越小，表示電場(chǎng)分布越理想；

b、根據(jù)在工作電壓下，穿墻套管不能發(fā)生局部放電的要求，以及在電容式套管中，電容芯子極板的邊緣最容易發(fā)生局部放電的特點(diǎn)，選擇用電容芯子極板邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)判斷是否發(fā)生局部放電，并以最大電場(chǎng)強(qiáng)度E_rm與極板邊緣場(chǎng)強(qiáng)的比值為局部放電安全裕度；

c、根據(jù)在干試閃絡(luò)電壓下，電容芯子極板的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)小于閃絡(luò)發(fā)生場(chǎng)強(qiáng)的原則，以軸向閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)E_s和極板軸向場(chǎng)強(qiáng)的比值為閃絡(luò)安全裕度；

d、由于高溫固體電儲(chǔ)熱裝置穿墻套管的外絕緣為空氣絕緣，套管表面電場(chǎng)強(qiáng)度值應(yīng)小于空氣的擊穿電壓，因此以空氣擊穿電壓與套管表面電場(chǎng)強(qiáng)度的比值為外絕緣安全裕度；

隔熱設(shè)計(jì)部分，包括以下步驟：

（一）、對(duì)高溫固體電儲(chǔ)熱裝置穿墻套管進(jìn)行徑向隔熱計(jì)算，得到爐內(nèi)套管RC熱網(wǎng)絡(luò)模型，并通過(guò)仿真來(lái)判斷真空層的厚度是否合理；計(jì)算內(nèi)容包括：外絕緣內(nèi)徑r_e；外絕緣的各層套管厚度d_ex；真空層各層厚度d_vx；套管徑向熱阻R_r和熱容C；具體步驟如下：

a、根據(jù)高溫固體電儲(chǔ)熱裝置穿墻套管的外絕緣內(nèi)徑略高于電容芯子最外層半徑的原則，預(yù)留出電容芯子形變距離，從而確定r_e的值；然后根據(jù)外絕緣材料以及加工難度和強(qiáng)度的要求選定外絕緣層套管厚度d_e1、d_e2、d_e3；

b、通過(guò)電容充電原理，設(shè)定爐內(nèi)溫度、電容芯子最外層預(yù)期溫度和加熱時(shí)長(zhǎng)，并利用真空層厚度的計(jì)算公式求得真空層各層厚度d_vx；

c、套管的結(jié)構(gòu)為同心圓柱結(jié)構(gòu)，因此沿軸向劃分微元，每一個(gè)微元都近似為同心圓環(huán)，采用同心圓柱模型來(lái)計(jì)算套管的徑向傳熱熱阻R_r，并根據(jù)熱容的定義求得套管的熱容C；

d、根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，忽略導(dǎo)電桿的熱阻和熱容；石英層和陶瓷層徑向熱阻遠(yuǎn)大于其它部分，認(rèn)為為開(kāi)路；真空層的熱容遠(yuǎn)小于其它部分，忽略不記，從而得到爐內(nèi)套管的RC熱網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型；

e、通過(guò)RC熱網(wǎng)絡(luò)仿真快速得到電容芯子最外層的仿真溫度，來(lái)判斷其是否超過(guò)電容芯子材料的耐溫溫度以確定所設(shè)計(jì)真空層厚度是否合理，調(diào)整真空層厚度求得合適的真空層厚度參數(shù)；

（二）、根據(jù)阻熱環(huán)的設(shè)計(jì)原理，對(duì)高溫固體電儲(chǔ)熱裝置穿墻套管進(jìn)行阻熱環(huán)隔熱計(jì)算，得到阻熱環(huán)的RC熱網(wǎng)絡(luò)模型，并通過(guò)仿真來(lái)判斷阻熱環(huán)的結(jié)構(gòu)是否合理；計(jì)算內(nèi)容包括：阻熱環(huán)體積V_r；隔熱層下底半徑r_r2和長(zhǎng)度L_r；阻熱環(huán)的徑向熱阻R_a和熱容；具體步驟如下：

a、根據(jù)阻熱環(huán)的隔熱原理，高溫固體電儲(chǔ)熱裝置穿墻套管與電熱元件相連，設(shè)計(jì)阻熱環(huán)的儲(chǔ)熱容量與導(dǎo)電桿傳導(dǎo)的熱量相等，從而通過(guò)推導(dǎo)得出阻熱環(huán)的體積V_r；

b、選取隔熱層厚度d_r為5mm，阻熱環(huán)的上底半徑r_r1等于套管外絕緣的最大半徑，并設(shè)定阻熱環(huán)的長(zhǎng)度L_r與下底半徑r_r2的比值為1.2，通過(guò)體積計(jì)算公式分別求出L_r與r_r2；

c、計(jì)算阻熱環(huán)的徑向熱阻和熱容，其方法與外絕緣套管相同，但阻熱環(huán)在傳熱時(shí)，存在軸向分量，該軸向分量的一部分為阻熱環(huán)的熱傳導(dǎo)，通過(guò)隔熱層與儲(chǔ)熱層的配合保持一定的熱流量，因此還需要計(jì)算該部分軸向熱阻；

d、根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，忽略同一層儲(chǔ)熱層或隔熱層的軸向熱阻變化，將阻熱環(huán)的每一層都等效為同體積圓柱，忽略斜邊的影響；隔熱層的徑向熱阻遠(yuǎn)大于其它部分，認(rèn)為為開(kāi)路；儲(chǔ)熱層軸向熱阻小于其它部分，認(rèn)為為短路；外隔熱層軸向熱阻遠(yuǎn)大于其它部分，認(rèn)為為開(kāi)路；導(dǎo)電桿、外隔熱層的熱容遠(yuǎn)小于其它部分，忽略不記，從而得到阻熱環(huán)的RC熱網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型；

（三）、依據(jù)其隔熱設(shè)計(jì)原則，設(shè)定隔熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括介質(zhì)最高溫度和耐溫安全裕度、最大溫度梯度和軸向及徑向溫差、最大應(yīng)力和軸向位移及徑向位移、阻熱環(huán)末端溫度T_e和阻熱率η以及儲(chǔ)熱率δ；具體情況如下：

a、介質(zhì)最高溫度表示套管運(yùn)行過(guò)程中各類絕緣介質(zhì)所能達(dá)到的最高溫度，其值不應(yīng)高于其最高耐受溫度；最高耐受溫度與介質(zhì)最高溫度的比值為耐溫裕度，表示套管各類絕緣介質(zhì)耐溫的安全裕度，根據(jù)儲(chǔ)熱裝置的加熱特點(diǎn)，其值應(yīng)在1.1以上；

b、最大溫度梯度用以研究絕緣介質(zhì)是否因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷而存在傳熱阻礙，軸向、徑向溫差用以研究套管是否存在局部過(guò)熱；

c、最大應(yīng)力和軸向位移、徑向位移為評(píng)價(jià)套管形變的指標(biāo)，根據(jù)高溫固體電儲(chǔ)熱裝置穿墻套管的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使用最大應(yīng)力判斷套管是否存在局部受壓過(guò)大，使用軸向位移、徑向位移判斷結(jié)構(gòu)安全性，要求爐內(nèi)外絕緣各層套管的軸向位移曲線趨勢(shì)相近，末端軸向位移大小相近，徑向位移曲線大小相近；

d、末端溫度T_e為阻熱環(huán)與套管一側(cè)貼近導(dǎo)電桿的溫度，當(dāng)該溫度小于六氟化硫氣體的氣體耐受溫度時(shí)，表示阻熱環(huán)阻熱效果達(dá)標(biāo)；阻熱率η為僅考慮導(dǎo)電桿傳熱時(shí)，阻熱環(huán)儲(chǔ)存熱量與導(dǎo)電桿傳熱熱量的比值，表示阻熱環(huán)對(duì)導(dǎo)電桿傳導(dǎo)熱量的吸收效率；儲(chǔ)熱率δ為同時(shí)考慮輻射傳熱和導(dǎo)電桿傳熱時(shí)，阻熱環(huán)儲(chǔ)存熱量與阻熱環(huán)設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱量的比值，表示阻熱環(huán)的利用率。