高壓電制熱儲熱裝置穿墻套管高溫絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計*

程緒可， 樊金鵬，2， 蘇 蠡， 趙清松， 張 釗

(1. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 沈陽 110004； 2. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 沈陽 110870； 3. 國網(wǎng)沈陽供電公司， 沈陽 110004)

電制熱儲熱裝置參與風(fēng)電消納是目前緩解棄風(fēng)現(xiàn)象最為有效的方案之一，通過將電制熱儲熱裝置與熱電機組進行熱電聯(lián)產(chǎn)改造，對提升電網(wǎng)風(fēng)電消納容量，改善北方燃煤供暖局面具有重要作用[1-3].進一步提高電制熱儲熱裝置的儲熱容量和電壓等級是緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力，提高風(fēng)能等可再生能源利用率的新思路.

高壓絕緣套管在各類電氣設(shè)備中都具有廣泛的應(yīng)用，其絕緣設(shè)計及計算都已經(jīng)有較為成熟的研究.謝雄杰等對一種SF6氣體絕緣的直流穿墻套管的外絕緣進行研究與設(shè)計，獲得不同污穢條件下的套管閃絡(luò)特性[4]；張施令等對一種高壓干式直流套管的絕緣性能與溫度的計算及分析進行大量研究，得出套管的電熱耦合模型，并對套管的溫度場和電場進行分析[5-8]；Ostrenko等研究了在直流下，絕緣材料電阻率對電場強度的非線性依賴性[9]；沈陽工業(yè)大學(xué)林莘教授等對600 kV換流變壓器套管的傳熱性能進行數(shù)值模擬和試驗驗證[10].然而，根據(jù)已有的研究，現(xiàn)有套管的研究均不能完全適用于電制熱儲熱裝置穿墻套管，但仍具備參考意義.

本文以耐受高壓66 kV，耐受高溫800 ℃的穿墻套管設(shè)計為例，研究關(guān)于套管高溫絕緣、外隔熱及阻熱環(huán)等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計方法.針對穿墻套管的絕緣、隔熱特點，研究電制熱儲熱裝置穿墻套管的設(shè)計計算方法.通過加溫加壓實驗測試，證明耐高溫穿墻套管設(shè)計方法的合理性.

1 電制熱儲熱裝置

電制熱儲熱裝置是為提高電網(wǎng)消納風(fēng)電能力，設(shè)計出的一種加熱供暖產(chǎn)品，可以利用風(fēng)能特性，消納棄風(fēng).電制熱儲熱裝置采用電阻加熱方式，把電能轉(zhuǎn)換為熱能，通過輻射換熱、對流換熱方式把熱量傳遞并存儲到儲熱材料中，當(dāng)需要利用這部分熱量時，通過對流換熱方式將空氣加熱，空氣流經(jīng)汽水換熱器將熱量供給到供暖系統(tǒng)[11].電制熱儲熱裝置如圖1所示.

圖1 電制熱儲熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of electric heating storage device

高電壓耐高溫穿墻套管與電熱元件相連，依據(jù)蓄熱爐的設(shè)計計算，單根電熱元件的電熱功率為1 667 W，由于爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)的對流散熱作用，導(dǎo)電桿端部導(dǎo)熱過程中會有一定熱損耗，因此，設(shè)定導(dǎo)電桿的傳熱功率為1 500 W.穿墻套管爐內(nèi)部分的外表面與爐內(nèi)循環(huán)空氣發(fā)生對流換熱，經(jīng)計算套管表面的對流換熱系數(shù)為82 W/(m2·K).穿墻套管爐外部分的外表面與大氣空氣發(fā)生對流散熱，散熱系數(shù)為52 W/(m2·K).

電制熱儲熱裝置穿墻套管針對套管沿導(dǎo)電桿和爐內(nèi)空氣的傳熱，分別設(shè)計阻熱環(huán)和外隔熱層，降低套管絕緣介質(zhì)溫度，如圖2所示.

圖2 穿墻套管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of wall bushing

2 耐高溫穿墻套管關(guān)鍵設(shè)計

2.1 高溫絕緣設(shè)計

硅橡膠或陶瓷是最常見的高壓套管絕緣材料，目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用.近年來，隨著電制熱儲熱裝置的發(fā)展，石英也開始作為高壓套管的絕緣材料，并得到應(yīng)用.表1為三種常用絕緣材料性能的比較.

表1 絕緣穿墻套管性能比較Tab.1 Comparison of insulative wall bushings

通過比較可以看出，硅橡膠的耐受溫度很低，然而實際中，電制熱儲熱裝置內(nèi)的溫度可以達(dá)到500～800 ℃.因此，硅橡膠很難作為高溫套管絕緣材料使用.陶瓷和石英兩種絕緣材料的耐受溫度都很高，且陶瓷略高于石英，但都能符合電制熱儲熱裝置穿墻套管使用要求.在高溫環(huán)境下，陶瓷的脆性和抗熱振能力較差，且膨脹系數(shù)也高于石英，當(dāng)套管內(nèi)溫差較大時，陶瓷套管容易發(fā)生破裂.在實際制作中，石英的加工難度較大，不適合大型套管的制作.因此，66 kV及以下的耐高溫穿墻套管適合采用石英為絕緣材料，66 kV及以上則適合采用陶瓷.

流體介質(zhì)與絕緣材料可以形成復(fù)合絕緣，同時具有散熱作用，能有效提高套管絕緣能力.當(dāng)采用電容式套管時，流體介質(zhì)則還可以作為浸漬劑.表2為流體絕緣介質(zhì)性能比較.對比表2可知，普通礦物油的燃點很低，很難應(yīng)用于電制熱儲熱裝置穿墻套管.高燃點絕緣油和SF6的耐受溫度相對較高，但仍需相應(yīng)的隔熱措施才能使用，且高燃點絕緣油的耐受溫度低于SF6.因此，500 ℃以下的蓄熱裝置適合采用高燃點絕緣油，500 ℃以上則必須使用SF6.

表2 流體絕緣介質(zhì)性能比較Tab.2 Comparison of properties of fluid insulation media

2.2 外隔熱設(shè)計

穿墻套管外隔熱層的主要作用除阻隔爐內(nèi)空氣向套管內(nèi)部的傳熱外，還必須滿足足夠的絕緣條件.因此，本文所設(shè)計穿墻套管的外隔熱層采用真空腔進行隔熱，如圖3所示.利用真空腔內(nèi)低氣體密度的特點，既可以有效隔熱，也可以降低氣體熱電離程度，有效防止套管的電暈和擊穿.

圖3 外隔熱層示意圖Fig.3 Schematic diagram of external insulation layer

為保障內(nèi)外層瓷套在真空腔低氣壓的環(huán)境下發(fā)生形變，真空腔內(nèi)還必須間隔布置墊塊，增加內(nèi)外層套管的強度.但由于墊塊的導(dǎo)熱系數(shù)高于周圍真空，墊塊的存在會降低真空層的隔熱效果.因此，電制熱儲熱裝置穿墻套管在設(shè)計時，應(yīng)考慮墊塊及真空腔厚度的影響，適當(dāng)采用雙層真空腔結(jié)構(gòu).

2.3 阻熱環(huán)設(shè)計

針對導(dǎo)電桿傳熱的隔熱問題，本文設(shè)計了一種阻熱環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖4所示.該結(jié)構(gòu)是由多個儲熱層和隔熱層組成的同心圓臺結(jié)構(gòu)，其中，儲熱層由高導(dǎo)熱系數(shù)、高密度、高熱容的儲熱材料制成，作用為存儲由導(dǎo)電桿傳導(dǎo)的熱量，避免高溫危害耐高溫穿墻套管的內(nèi)部絕緣.隔熱層由低熱擴散率的保溫材料制成，其作用一方面是阻止由爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)向阻熱環(huán)的對流傳熱，減小儲熱層的儲熱壓力，另一方面是增加儲熱層間的熱阻，使阻熱環(huán)內(nèi)的溫度分布更均勻，提高儲熱層的利用率.

圖4 阻熱環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic structure of heat blocking ring

根據(jù)儲熱層與隔熱層的特點，本文所設(shè)計阻熱環(huán)選用氧化鋁陶瓷制作儲熱層，氧化鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)為21 W/(m·℃)，密度為3 700 kg/m3，平均比熱容為850 kJ/(m3·℃)，熔點為2 000 ℃，滿足儲熱要求，且氧化鋁陶瓷為常用絕緣材料，具有良好的電絕緣性能.本文所設(shè)計阻熱環(huán)選用硅酸鋁纖維制作隔熱層，硅酸鋁纖維的導(dǎo)熱系數(shù)為0.13 W/(m·℃)，密度為256 kg/m3，平均比熱容為1 093 kJ/(m3·℃)，滿足隔熱要求.

為充分利用儲熱層，本文所述阻熱環(huán)為圓臺狀，設(shè)定圓臺的高與下底半徑的比值為1.2，為研究儲熱層與隔熱層的配合特點，儲熱層層數(shù)分別設(shè)計為6層.

3 絕緣、隔熱計算與分析

3.1 絕緣計算與分析

基于上述電制熱儲熱裝置穿墻套管結(jié)構(gòu)，本文對其絕緣計算進行研究.根據(jù)傳統(tǒng)穿墻套管的計算原理，套管的絕緣計算主要包括軸向絕緣和徑向絕緣兩部分.其中軸向絕緣為套管的傘裙設(shè)計，由于高溫環(huán)境下空氣的熱電離作用增強，在軸向絕緣計算時，需計算溫度修正系數(shù)，其余計算與傳統(tǒng)套管無異.因此，本文對電制熱儲熱裝置穿墻套管的軸向絕緣計算方法不做贅述.

高溫蓄熱穿墻套管的徑向絕緣結(jié)構(gòu)由多層圓環(huán)組成，因此在絕緣計算時，包括導(dǎo)電桿表面、內(nèi)瓷套內(nèi)表面和真空腔內(nèi)表面三部分的電場強度計算，當(dāng)這三部分電場強度分別低于流體介質(zhì)、石英套和真空的擊穿場強，并留有大于1.2的裕度時，穿墻套管的絕緣計算合格.各部分的徑向電場強度計算公式為

Ek=V/{rkεk[ln(r2/r1)/ε1+ln(r3/r2)/ε2+…+

1n(rk+1-rk)/εk+…+1n(rn+1-rn)/εn]}

(1)

式中：Ek為第k層邊界的電場強度(導(dǎo)電桿表面為第1層，套管表面為第n+1層)；V為套管耐受電壓；rk為第k層邊界的半徑；εk為第k層絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)(液體介質(zhì)為第1層).

根據(jù)上述計算方法，耐受電壓66 kV、高溫800 ℃的石英-SF6耐高溫穿墻套管的絕緣計算與仿真結(jié)果如表3所示.結(jié)果表明，計算值與仿真值差距不大，能滿足電制熱儲熱裝置穿墻套管技術(shù)要求，并保留一定裕度.

表3 絕緣計算與仿真結(jié)果Tab.3 Insulation calculation and simulation results

由于穿墻套管法蘭處的電場強度遠(yuǎn)高于其他部分，本文對法蘭處的電場強度單獨分析，其仿真結(jié)果如圖5所示.由圖5可知，法蘭處的電場強度并非恒值.由于墻體與法蘭交界面的曲率較小，越靠近法蘭，電場強度的畸變越大，但與計算值差距不大.

圖5 穿墻套管法蘭處電場強度Fig.5 Electric field intensity of wall bushing at flange section

3.2 外隔熱計算與分析

根據(jù)電制熱儲熱裝置穿墻套管的傳熱原理，套管爐內(nèi)部分的傳熱與普通套管不同，導(dǎo)電桿的產(chǎn)熱相對于爐內(nèi)空氣的溫度可以忽略不計.同時，由于套管的主要散熱端在爐外，在穩(wěn)態(tài)條件下，套管的爐內(nèi)部分將被完全加熱，這與事實顯然不符.因此，耐高溫穿墻套管的傳熱計算必須使用暫態(tài)計算模型，并考慮套管材料熱容的儲能作用.

本文采用RC熱網(wǎng)絡(luò)進行計算.根據(jù)傳熱原理，爐內(nèi)套管的RC熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示.圖6中，R為熱阻，表示熱量傳導(dǎo)時遇到的阻力，根據(jù)熱阻可以評估阻熱環(huán)儲熱層的分流能力，依據(jù)圓柱坐標(biāo)系，穿墻套管的熱阻可以分為徑向熱阻Rr和軸向熱阻Ra兩部分；C為熱容，表示不同介質(zhì)對熱量的存儲能力；Q為經(jīng)過阻熱環(huán)后導(dǎo)電桿的傳導(dǎo)功率；U為空氣和爐外套管的溫度.

RC熱網(wǎng)絡(luò)的熱阻和熱容計算公式為

(2)

式中：λ為絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)；L為微元軸向長度；rout、rin分別為套管各層微元外半徑和內(nèi)半徑；cm為材料的比熱容；m為材料的質(zhì)量.

由于本文著重于利用RC熱網(wǎng)絡(luò)研究套管的設(shè)計計算，而非精準(zhǔn)計算溫度分布，因此忽略圖6中的部分熱阻與熱容.經(jīng)計算，導(dǎo)電桿的徑向熱阻和熱容，真空腔的熱容可以忽略為零.真空腔的軸向熱阻可以認(rèn)為是無限大的.通過MATLAB可以搭建RC熱網(wǎng)絡(luò)模型計算各邊界層的溫度，并使各材料的最高溫度不超過其耐受溫度.

圖6 穿墻套管RC熱網(wǎng)絡(luò)Fig.6 RC thermal network of wall bushing

分別使用MATLAB-Simulink軟件計算RC熱網(wǎng)絡(luò)和使用COMSOL仿真軟件做溫度場仿真，其結(jié)果如圖7所示.由圖7可知，相比較于計算值，仿真值的結(jié)果更能反應(yīng)套管溫度的變化形式.但仿真值與計算值的起始與終端溫度基本相同，而RC熱網(wǎng)絡(luò)可以通過降低微元數(shù)量簡化計算，減少計算時間和容量，適合套管的初步設(shè)計.

圖7 套管溫度計算比較Fig.7 Comparison of temperature calculation for wall bushings

3.3 阻熱環(huán)計算與分析

電制熱儲熱裝置穿墻套管阻熱環(huán)的計算同樣適合采用RC熱網(wǎng)絡(luò).阻熱環(huán)的熱阻與熱容的計算將阻熱環(huán)的每一層都等效為同體積圓柱，忽略斜邊的影響.由于阻熱環(huán)的重要作用之一是存儲由導(dǎo)電桿傳導(dǎo)的熱量，因此，阻熱環(huán)可以通過儲熱容量來計算體積，其計算公式為

Pt=cmmΔT

(3)

式中：P為導(dǎo)電桿傳熱功率；t為加熱時間，本文中為7 h；ΔT為阻熱環(huán)的平均溫升，考慮阻熱環(huán)低溫端溫度不應(yīng)超過500 ℃，因此設(shè)定阻熱環(huán)的平均溫升為450 ℃.

根據(jù)阻熱環(huán)的傳熱特點，為簡化RC熱網(wǎng)絡(luò)模型，依據(jù)計算結(jié)果，導(dǎo)電桿的徑向熱阻和儲熱層軸向熱阻遠(yuǎn)小于其他部分，在RC熱網(wǎng)絡(luò)中可以認(rèn)為是短路；隔熱層的徑向熱阻和外隔熱層軸向熱阻遠(yuǎn)大于其他部分，可以認(rèn)為是開路；導(dǎo)電桿、外隔熱層的熱容遠(yuǎn)小于其他部分，可以忽略不計.因此，阻熱環(huán)RC熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖8所示.

圖8 阻熱環(huán)RC熱網(wǎng)絡(luò)Fig.8 RC thermal network of heat blocking ring

分別使用MATLAB-Simulink和COMSOL對阻熱環(huán)進行溫度計算，所得結(jié)果與外隔熱計算相同，可以簡化初步設(shè)計計算.

4 實驗驗證

圖9為耐高溫穿墻套管的絕緣測試裝置，并根據(jù)國標(biāo)GBT 4109-2008內(nèi)容進行測試.測試樣品為石英-SF6耐高溫穿墻套管.

圖9 絕緣測試平臺Fig.9 Insulation test platform

經(jīng)檢測，在1 min工頻電壓實驗中，穿墻套管未發(fā)生閃絡(luò)、擊穿等現(xiàn)象，加熱至800 ℃后也未出現(xiàn)泄露和變形等損傷，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求.

5 結(jié) 論

本文以電壓為66 kV，爐溫為800 ℃的電制熱儲熱裝置的穿墻套管設(shè)計為例，研究了關(guān)于耐高溫穿墻套管的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，得出以下結(jié)論：

1) 電制熱儲熱裝置穿墻套管需同時滿足絕緣和耐溫，66 kV及以下的耐高溫穿墻套管適合采用石英為絕緣材料，66 kV及以上則適合采用陶瓷.500 ℃以下的蓄熱裝置適合采用高燃點絕緣油，500 ℃以上則必須使用SF6.絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，適合采用真空腔作為套管外隔熱方式，并可以使用阻熱環(huán)實現(xiàn)導(dǎo)電桿隔熱.

2) 電制熱儲熱裝置穿墻套管的設(shè)計計算包括絕緣計算、外隔熱計算和阻熱環(huán)計算.其中絕緣計算與普通套管計算方式相同，但需要考慮溫度系數(shù)，66 kV電壓下，其溫度系數(shù)約為2.外隔熱計算和阻熱環(huán)計算適合采用RC熱網(wǎng)絡(luò)進行溫度計算.經(jīng)實驗證明，該設(shè)計計算方法滿足電制熱儲熱裝置穿墻套管設(shè)計要求.