CN109164361B - 一种基于极端条件下使用的交流耐压试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于极端条件下使用的交流耐压试验装置及方法，属于交流耐压试验装置领域。该交流耐压试验装置包括高温工业风循环系统、高温环境试验房、冷却系统和交流高压试验电源系统。本发明装置设计使用交流高压试验电源产生66kV高电压，经过置于外部的阶梯自冷型绝缘套管和置于内部自伸缩型穿墙套管的芯电极引入高温环境试验房内与被试验套管连接，并将试验套管的另一端接地，形成完整的试验电路。本发明适合于500℃以上高温环境使用的66kV穿墙套管的交流耐压试验要求。
Description
技术领域
本发明属于交流耐压试验装置领域，是一种大型高温大容量固体储热炉在高温高电压状态下的电源接入技术，具体涉及一种基于极端条件下使用的交流耐压试验装置及方法。
背景技术
由于北方地区冬季供暖期存在大规模弃风现象，故为了缓解风电消纳矛盾，提高清洁能源利用率而研制大容量、高可靠性的电储热装置具有实际价值。在当前能源互联网迅速发展及电能联系日渐紧密的环境下，储能系统与大容量风力发电、光伏发电、燃料电池等新能源的发电系统结合，通过储能元件和装置对机组的出力进行调控，在电力统中发挥着调峰、电压补偿、频率调节等作用。
近年来，新型的储能方式发展迅速，主要分为五大类：机械储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、电磁储能(超级电容器、超导储能等)、电化学储能(各种蓄电池储能)、热储能、化学储能。
本发明提出一种直接将66kV电压等级、容量90MW/台的高温固态储热装置的电源接入和高温炉体结构设计方法，该设计方法解决了高压电场和高温度场共同作用所引起的绝缘可靠性问题以及炉内、外形成的超大温差所导致的诸多难题。工程应用证明，该设计方法满足大容量、高可靠性的电储热装置使用要求，具有推广前景。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，旨在提出一种基于高温极端条件下使用的66kV穿墙套管的交流耐压试验装置。
本发明的技术方案：
一种基于极端条件下使用的交流耐压试验装置，该交流耐压试验装置包括高温工业风循环系统27、高温环境试验房、冷却系统14和交流高压试验电源系统；
所述的高温环境试验房包括出风口24、进风口25、可移动试验台23、导电极22、金属丝编织管21和穿墙套管20；其中，可移动试验台23置于高温环境试验房内，其上方设置穿墙套管20，穿墙套管20穿透高温环境试验房的墙体17，并一直延伸至冷却系统14上方；穿墙套管20的内部设置金属丝编织管21，金属丝编织管21内部设置导电极22，导电极22的一端与高温环境试验房的地网连接，另一端与交流高压试验电源系统相连；高温环境试验房的墙体17上设置出风口24和进风口25，出风口24和进风口25处分别设置温度传感器，且分别通过管道与高温工业风循环系统27相连，高温工业风循环系统27依据出风口24和进风口25的温度差，通过管道上的控制阀门26实现试验房温度的智能控制，进而对导电极22进行进行加热；
所述穿墙套管20与墙体17接触的部分设置U型环16，用于支撑穿墙套管20，U型环16的上下两端设置弹簧15，以缓冲穿墙套管20热胀冷缩所造成的体积变换；
位于高温环境试验房外的穿墙套管20上，依次套设四组大伞裙11和均压环10，从墙体17开始向外，大伞裙11和均压环10的直径逐渐变小呈圆锥体状；每个均压环10上设置出水口12和进水口13，用于连接冷却系统14，保证在大温差状态工作时穿墙套管20整体温度呈阶梯式均衡下降，所有均压环10相互并联接地；位于高温环境试验房外部的导电极22连接套管9，连接套管9的两端设置法兰7，且法兰7下方对应设置绝缘支柱8，绝缘支柱8接地；
所述的交流高压试验电源系统包括高压电源控制台1、交流电压电源箱2、变压器3、限流电阻4、分压器5和保护球隙6；高压电源控制台1用于调控整个交流耐压试验装置使用过程中的电压；高压电源控制台1与交流电压电源箱2相连，交流电压电源箱2输出交流高压，并依次连接变压器3和限流电阻4，对交流高压进行升压处理；限流电阻4与导电极22相连；在变压器3两侧并联保护球隙6，以防止试验端短路损坏高压电源控制台1和交流电压电源箱2；分压器5一端与导电极22相连，采集施加在样品上的交流电压数值，另一端与高压电源控制台1相连，输出试验电压信号，供高压电源控制台1显示、调控。
所述导电极22的材质为镍基耐热铜合金；所述穿墙套管20是同时具有耐500℃以上高温、阶梯循环冷却及均压功能的的绝缘套管；所述的连接套管9是具有伸缩功能的绝缘套管；所述的墙体17内部设置隔热层18。
所述连接套管9为带有波纹管式结构的硅胶绝缘套管，确保在高温状态下所产生的热变形通过波纹管式结构得到有效释放，同时减小由高温引起的热震动；所述法兰7的端面采用高温胶粘和不锈钢圈密封处理，并加装均压环改善法兰周围电场环境。
所述的高压电源控制台1是具有均压环的升压变压器，是具有手自一体的升降压功能和过流保护功能的控制台。
一种基于极端条件下使用的交流耐压试验方法，具体如下：
(1)将所需检测的穿墙套管20固定在高温环境试验房内的可移动试验台23上，将导电极22的一端接地，保证所有的连接牢靠无松动，接地良好；
(2)开启高温工业风循环系统27，将具有500℃以上的工业风输送至高温环境试验房中，同时监测出风口24和进风口25的温度是否达到试验所需温度值，并保温一段时间，使空间温度和被试品充分均匀受热；
(3)同时启动冷却系统14，对穿墙套管20墙体外的部分进行阶梯循环冷却，并持续监测温度变化，调整冷却速率；
(4)待高温环境试验房内部和外部的温度均符合试验要求后，连接交流高压试验电源系统。
(5)启动总电源，开启高压电源控制台1的电源，利用自动升压旋钮缓慢升压至160kV，观察过程有无异常现象，保持电压160kV维持1min，观察被试品有无异常现象；然后利用自动升压旋钮缓慢降压至0kV，断开高压电源控制台1的电源和总电源，试验系统放电。
(6)关闭高温工业风循环系统27，自然冷却至室温，待高温环境试验房外部的穿墙套管20的温度降至室温后，关闭冷却系统14。
(7)试验房冷却至室温取出穿墙套管20，试验完毕。
本发明的有益效果：
1.本发明通过所述高温工业风循环系统提供500℃以上最高可达800℃的高温试验环境，并能保证试验房内温度均匀；穿墙套管所穿过的墙体处装有U型环以及弹簧，解决了所述穿墙套管在高温环境下膨胀的套管自伸缩的问题。
2.本发明的冷却系统是指在均压环的中空部分设计出冷却水管道，所述均压环设计成越靠近高温环境试验房的均压环直径越大，距离高温环境试验房越远的均压环直径越小，均压环和伞裙组合呈圆锥体状分布，从而均压环镂空部分通过的冷却水管道也越来越窄，保证了在大温差状态工作时穿墙套管整体温度呈阶梯式均衡下降，实现了梯度冷却的目的。
3.本发明的交流高压试验电源系统为本试验提供了160kV的交流高电压，整个测试装置为穿墙套管提供了160kV、500℃以上的高电压高温度的测试环境，能够真实地模拟了研制高温储热装置中所需的穿墙套管的实际运行环境，进而实现穿墙套管在高温度高电压环境下的绝缘性能试验。
4.本发明所述66kV穿墙套管高温环境下交流耐压试验装置中所述连接套管为带有波纹管式结构的硅胶绝缘套管，确保在高温状态下所产生的热变形通过波纹管式结构得到有效释放，同时减小由高温引起的热震动。
附图说明
图1为66kV穿墙套管高温环境下交流耐压试验装置。
图中：1高压电源控制台；2交流电压电源箱；3变压器；4限流电阻；5分压器；6保护球隙；7法兰；8绝缘支柱；9连接套管；10均压环；11大伞裙；12出水口；13进水口；14冷却系统；15弹簧；16U型环；17墙体；18隔热层；19试验室门；20穿墙套管；21金属丝编织管；22导电极；23可移动试验台；24出风口；25进风口；26控制阀门；27高温工业风循环系统；
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
一种基于高温极端条件下使用的66kV穿墙套管的交流耐压试验装置，该交流耐压试验装置包括高温工业风循环系统27、高温环境试验房、冷却系统14和交流高压试验电源系统；
所述的高温环境试验房包括出风口24、进风口25、可移动试验台23、导电极22、金属丝编织管21和穿墙套管20；其中，可移动试验台23置于高温环境试验房内，其上方设置穿墙套管20，穿墙套管20穿透高温环境试验房的墙体17，并一直延伸至冷却系统14上方；穿墙套管20的内部设置金属丝编织管21，金属丝编织管21内部设置导电极22，导电极22的一端与高温环境试验房的地网连接，另一端与交流高压试验电源系统相连；高温环境试验房的墙体17上设置出风口24和进风口25，出风口24和进风口25处分别设置温度传感器，且分别通过管道与高温工业风循环系统27相连，高温工业风循环系统27依据出风口24和进风口25的温度差，通过管道上的控制阀门26实现试验房温度的智能控制，进而对导电极22进行进行加热；
所述穿墙套管20与墙体17接触的部分设置U型环16，用于支撑穿墙套管20，U型环16的上下两端设置弹簧15，以缓冲穿墙套管20热胀冷缩所造成的体积变换；
位于高温环境试验房外的穿墙套管20上，依次套设多组大伞裙11和均压环10，从墙体17开始向外，大伞裙11和均压环10的直径逐渐变小；每个均压环10上设置出水口12和进水口13，用于连接冷却系统14，保证在大温差状态工作时穿墙套管20整体温度呈阶梯式均衡下降，所有均压环10相互并联接地；位于高温环境试验房外部的导电极22连接套管9，连接套管9的两端设置法兰7，且法兰7下方对应设置绝缘支柱8，绝缘支柱8接地；
所述的交流高压试验电源系统包括高压电源控制台1、交流电压电源箱2、变压器3、限流电阻4、分压器5和保护球隙6；高压电源控制台1用于调控整个交流耐压试验装置使用过程中的电压；高压电源控制台1与交流电压电源箱2相连，交流电压电源箱2输出交流高压，并依次连接变压器3和限流电阻4，对交流电压进行升压处理；限流电阻4与导电极22相连；在变压器3两侧并联保护球隙6，以防止试验端短路损坏高压电源控制台1和交流电压电源箱2；分压器5一端与导电极22相连，采集施加在样品上的交流电压数值，另一端与高压电源控制台1相连，输出试验电压信号，供高压电源控制台1显示、调控。
所述导电极22的材质为镍基耐热铜合金；所述穿墙套管20是同时具有耐500℃以上高温、阶梯循环冷却及均压功能的的绝缘套管；所述的连接套管9是具有伸缩功能的绝缘套管；所述的墙体17内部设置隔热层18。
所述连接套管9为带有波纹管式结构的硅胶绝缘套管，确保在高温状态下所产生的热变形通过波纹管式结构得到有效释放，同时减小由高温引起的热震动；所述法兰7的端面采用高温胶粘和不锈钢圈密封处理，并加装均压环改善法兰周围电场环境。
所述的高压电源控制台1是具有均压环的升压变压器，是具有手自一体的升降压功能和过流保护功能的控制台。
一种基于高温极端条件下使用的66kV穿墙套管的交流耐压试验装置的使用方法，具体如下：
(1)将所需检测的穿墙套管20固定在高温环境试验房内的可移动试验台23上，将导电极22的一端接地，保证所有的连接牢靠无松动，接地良好；
(2)开启高温工业风循环系统27，将具有500℃以上的工业风输送至高温环境试验房中，同时监测出风口24和进风口25的温度是否达到试验所需温度值，并保温一段时间，使空间温度和被试品充分均匀受热；
(3)同时启动冷却系统14，对穿墙套管20墙体外的部分进行阶梯循环冷却，并持续监测温度变化，调整冷却速率；
(4)待高温环境试验房内部和外部的温度均符合试验要求后，连接交流高压试验电源系统。
(5)启动总电源，开启高压电源控制台1的电源，利用自动升压旋钮缓慢升压至160kV，观察过程有无异常现象，保持电压160kV维持1min，观察被试品有无异常现象；然后利用自动升压旋钮缓慢降压至0kV，断开高压电源控制台1的电源和总电源，试验系统放电。
(6)关闭高温工业风循环系统27，自然冷却至室温，待高温环境试验房外部的穿墙套管20的温度降至室温后，关闭冷却系统14。
(7)试验房冷却至室温取出穿墙套管20，试验完毕。
一、交流高压试验电源系统
交流高压实验电源系统为套管的交流耐压试验提供稳定地可调节的工频交流高压，其电压等级为66KV，整个电源系统由四部分组成：交流高压电源箱，高压电源控制台，升压变压器，测量及保护设备。交流电压电源箱可调最高电压为10KV，高压电源控制台可对交流高压电源箱进行控制，可以实现平稳升降压，升压变压器采用的是油浸式双套管变压器，本系统还配有测量和保护系统，通过交流分压器实现对试验电压的实时测量，通过限流电阻以及球形间隙实现对整个实验电路的保护。
二、连接套管及自冷却系统
连接套管主要起到连接以及绝缘的作用，其两端由法兰进行固定，法兰外形为环状，与均压环类似，也可起到均匀电场的作用，法兰内部装有不锈钢密封圈，通过耐高温胶进行粘合，因此具有耐高温抗腐蚀的性能。连接套管本身由硅胶材质制成，具有一定的伸缩性，可以借据套管因加热而导致的体积膨胀的问题；套管内部包裹有导电极，起到通电的作用。为解决高温试验环境所带来的巨大温差问题，本发明设计了一套自冷却系统，穿墙套管室外部分套有三个均压环，内部中空，通有冷却液，底部设有进水口和出水口，接入冷却循环系统，以同时实现阶梯降温和均压的作用。
三、高温环境试验房
高温环境试验房为穿墙套管的交流耐压试验提供高温环境，实验房中心设有可移动试验台，试验台上有试验支架用以固定试验套管，实验房内部墙体涂有隔热层，已实现隔热保温的作用，套管与墙体的连接部分装有有弹簧支撑的U型槽，起到减震以及防膨胀的作用。本实验房通过通入500摄氏度以上的工业风实现对试验样品的均匀加热，实验房内部设有进风口和出风口，并装有温度传感器以实现对试验环境温度的实时控制。
Claims (5)
1.一种基于极端条件下使用的交流耐压试验装置，其特征在于，该交流耐压试验装置包括高温工业风循环系统(27)、高温环境试验房、冷却系统(14)和交流高压试验电源系统；
所述的高温环境试验房包括出风口(24)、进风口(25)、可移动试验台(23)、导电极(22)、金属丝编织管(21)和穿墙套管(20)；其中，可移动试验台(23)置于高温环境试验房内，其上方设置穿墙套管(20)，穿墙套管(20)穿透高温环境试验房的墙体(17)，并一直延伸至冷却系统(14)上方；穿墙套管(20)的内部设置金属丝编织管(21)，金属丝编织管(21)内部设置导电极(22)，导电极(22)的一端与高温环境试验房的地网连接，另一端与交流高压试验电源系统相连；高温环境试验房的墙体(17)上设置出风口(24)和进风口(25)，出风口(24)和进风口(25)处分别设置温度传感器，且分别通过管道与高温工业风循环系统(27)相连，高温工业风循环系统(27)依据出风口(24)和进风口(25)的温度差，通过管道上的控制阀门(26)实现试验房温度的智能控制，进而对导电极(22)进行加热；
所述穿墙套管(20)与墙体(17)接触的部分设置U型环(16)，用于支撑穿墙套管(20)，U型环(16)的上下两端设置弹簧(15)，以缓冲穿墙套管(20)热胀冷缩所造成的体积变换；
位于高温环境试验房外的穿墙套管(20)上，依次套设四组大伞裙(11)和均压环(10)，从墙体(17)开始向外，大伞裙(11)和均压环(10)的直径逐渐变小呈圆锥体状；每个均压环(10)上设置出水口(12)和进水口(13)，用于连接冷却系统(14)，保证在大温差状态工作时穿墙套管(20)整体温度呈阶梯式均衡下降，所有均压环(10)相互并联接地；位于高温环境试验房外部的导电极(22)连接连接套管(9)，连接套管(9)的两端设置法兰(7)，且法兰(7)下方对应设置绝缘支柱(8)，绝缘支柱(8)接地；
所述的交流高压试验电源系统包括高压电源控制台(1)、交流电压电源箱(2)、变压器(3)、限流电阻(4)、分压器(5)和保护球隙(6)；高压电源控制台(1)用于调控整个交流耐压试验装置使用过程中的电压；高压电源控制台(1)与交流电压电源箱(2)相连，交流电压电源箱(2)输出交流高压，并依次连接变压器(3)和限流电阻(4)，对交流电压进行升压处理；限流电阻(4)与导电极(22)相连；在变压器(3)两侧并联保护球隙(6)，以防止试验端短路损坏高压电源控制台(1)和交流电压电源箱(2)；分压器(5)一端与导电极(22)相连，采集施加在样品上的交流电压数值，另一端与高压电源控制台(1)相连，输出试验电压信号，供高压电源控制台(1)显示、调控。
2.根据权利要求1所述一种基于极端条件下使用的交流耐压试验装置，其特征在于，所述导电极(22)的材质为镍基耐热铜合金；所述穿墙套管(20)是同时具有耐500℃以上高温、阶梯循环冷却及均压功能的绝缘套管；所述的连接套管(9)是具有伸缩功能的绝缘套管；所述的墙体(17)内部设置隔热层(18)。
3.根据权利要求1或2所述一种基于极端条件下使用的交流耐压试验装置，其特征在于，所述连接套管(9)为带有波纹管式结构的硅胶绝缘套管，确保在高温状态下所产生的热变形通过波纹管式结构得到有效释放，同时减小由高温引起的热震动；所述法兰(7)的端面采用高温胶粘和不锈钢圈密封处理，并加装均压环改善法兰周围电场环境。
4.根据权利要求1或2所述一种基于极端条件下使用的交流耐压试验装置，其特征在于，所述的高压电源控制台(1)是具有均压环的升压变压器，是具有手自一体的升降压功能和过流保护功能的控制台。
5.一种基于极端条件下使用的交流耐压试验方法，其特征在于，具体如下：
(1)将所需检测的穿墙套管(20)固定在高温环境试验房内的可移动试验台(23)上，将导电极(22)的一端接地，保证所有的连接牢靠无松动，接地良好；
(2)开启高温工业风循环系统(27)，将具有500℃以上的工业风输送至高温环境试验房中，同时监测出风口(24)和进风口(25)的温度是否达到试验所需温度值，并保温一段时间，使空间温度和被试品充分均匀受热；
(3)同时启动冷却系统(14)，对穿墙套管(20)墙体外的部分进行阶梯循环冷却，并持续监测温度变化，调整冷却速率；
(4)待高温环境试验房内部和外部的温度均符合试验要求后，连接交流高压试验电源系统；
(5)启动总电源，开启高压电源控制台(1)的电源，利用自动升压旋钮缓慢升压至160kV，观察过程有无异常现象，保持电压160kV维持1min，观察被试品有无异常现象；然后利用自动升压旋钮缓慢降压至0kV，断开高压电源控制台(1)的电源和总电源，试验系统放电；
(6)关闭高温工业风循环系统(27)，自然冷却至室温，待高温环境试验房外部的穿墙套管(20)的温度降至室温后，关闭冷却系统(14)；
(7)试验房冷却至室温取出穿墙套管(20)，试验完毕。
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