CN112038015A - 一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管，穿墙套管内设有绝缘隔热层，绝缘隔热层内设有导电杆和电容芯子，且电容芯子包裹在导电杆外，绝缘隔热层与电容芯子和导电杆间填充有浸渍绝缘介质，穿墙套管与导电杆间设有阻热环。绝缘隔热层包括石英外层和陶瓷内层，且石英外层和陶瓷内层间设有真空腔，真空腔内间隔设置有垫块。浸渍绝缘介质为六氟化硫气体和环氧树脂。通过对其设计原理进行研究，并分析高温固体电储热装置穿墙套管的高温绝缘特性，设计一种电压等级易于提高的高温固体电储热装置穿墙套管，建立了一套完整的高温绝缘设计标准和计算方法，可以有效的避免在设计中出现绝缘过裕设计和材料浪费的问题。
Description
技术领域
本发明涉及穿墙套管技术领域，具体为一种能耐受66kV以上高电压和储热炉内800℃以上高温的高温固体电储热装置穿墙套管设计和计算方法。
背景技术
高温固体电储热技术是最近几年兴起的一项新型大容量调峰技术，具有良好的柔性特性和热电解耦能力，成为大容量储能技术的研究热点之一。穿墙套管作为高温固体电储热装置的主要绝缘设备，高温工作环境使高温固体电储热装置的绝缘问题更加突出，穿墙套管材料选择和结构的设计显得尤为重要。现有的高温固体电储热装置穿墙套管绝缘结构简单、型式单一，因此电压等级难以提高。此外，由于高温固体电储热装置穿墙套管技术较新，套管使用环境恶劣，虽然国内已有用于商用的设计方案，但尚未形成完整的设计理论和计算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管及设计方法，形成一套完整的计算方法和评价标准，以避免造成绝缘的过裕设计和材料的浪费。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管，所述穿墙套管内设有绝缘隔热层，所述绝缘隔热层内设有导电杆和电容芯子，且电容芯子包裹在导电杆外，所述绝缘隔热层与电容芯子和导电杆间填充有浸渍绝缘介质；
所述穿墙套管与导电杆间设有阻热环。
优选的，所述绝缘隔热层包括石英外层和陶瓷内层，且石英外层和陶瓷内层间设有真空腔，所述真空腔内间隔设置有垫块。
优选的，所述浸渍绝缘介质为六氟化硫气体和环氧树脂。
本发明还提供一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管的设计方法，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，主要计算尺寸内容为：绝缘层个数n、炉内外台阶长度λ1和λ2、各层极板长度lx和各层极板半径rx，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dmin，并根据工作电压下，最大电场强度Erm不高于有害局部放电电压的原则，求得局部放电起始场强Ek，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lx和半径rx；
(二)依据其绝缘设计原则，设定绝缘性能评价指标，主要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，可以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Erm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Es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主要为空气绝缘，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；计算内容主要包括：外绝缘内径re；外绝缘的各层套管厚度dex；真空层各层厚度dvx；套管径向热阻Rr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re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de1、de2、de3；
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dvx；
c、套管的结构为同心圆柱结构，因此沿轴向划分微元，每一个微元都可以近似为同心圆环，采用同心圆柱模型来计算套管的径向传热热阻Rr，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小于其它部分，可以认为为短路；真空层的热容远小于其它部分，可以忽略不记，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，可以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；计算内容主要包括：阻热环体积Vr；隔热层下底半径rr2和长度Lr；阻热环的径向热阻Ra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Vr；
b、选取隔热层厚度dr为5mm，阻热环的上底半径rr1等于套管外绝缘的最大半径，并设定阻热环的长度Lr与下底半径rr2的比值为1.2，通过体积计算公式分别求出Lr与rr2；
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，可以认为为开路；储热层轴向热阻小于其它部分，可以认为为短路；外隔热层轴向热阻远大于其它部分，可以认为为开路；导电杆、外隔热层的热容远小于其它部分，可以忽略不记，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，主要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Te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、最大温度梯度可以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、径向温差可以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主要指标，根据高温固体电储热装置穿墙套管的设计特点，可以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Te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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过对其设计原理进行研究，并分析高温固体电储热装置穿墙套管的高温绝缘特性，设计一种电压等级易于提高的高温固体电储热装置穿墙套管，建立了一套完整的高温绝缘设计标准和计算方法，可以有效的避免在设计中出现绝缘过裕设计和材料浪费的问题。
附图说明
图1为本发明高温固体电储热装置穿墙套管的结构示意图。
图2为本发明高温固体电储热装置穿墙套管的绝缘计算流程图。
图3为本发明高温固体电储热装置穿墙套管的径向隔热计算流程图。
图4为本发明高温固体电储热装置穿墙套管的炉内套管的RC热网络简化模型。
图5为本发明高温固体电储热装置穿墙套管的组热环的RC热网络简化模型。
1、穿墙套管；2、电容芯子；3、浸渍绝缘介质；4、导电杆；5、阻热环；6、石英外层；7、陶瓷内层；8、真空腔；9、垫块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：电容式高温固体电储热装置穿墙套管，采用电容芯子2提升耐压等级和耐温水平，同时选用环氧树脂和六氟化硫气体作为穿墙套管1的浸渍绝缘介质3，将六氟化硫作为穿墙套管1的填充介质，一方面提高套管内的电晕起始电压，另一方面利用六氟化硫气体较高的耐受温度和相对于套管其它部件较低热导率，对电容芯子2起隔热保护作用。将环氧树脂作为浸渍介质，可以具有更好的浸渍作用，提高套管电容芯子2的电场均匀度。为减少高温下电容芯子2绝缘性能的劣化，和防止六氟化硫的腐蚀，选用芳纶纤维为电容芯子2的制作材料。穿墙套管1内设置有绝缘隔热层，绝缘隔热层包括石英外层6和陶瓷内层7，选用陶瓷为其内层，与导电杆和电容芯子共同构成六氟化硫气体腔，选用石英玻璃为外层绝缘材料，与内陶瓷管构成真空腔8，起防止闪络和隔热作用。
穿墙套管1与导电杆4间设有阻热环5，通过设置阻热环5吸收导电杆4向套管传导的热量，阻热环5是由多个储热层和隔热层交替组成的同心圆台结构，其作用是将导电杆4向套管传导的热量吸收，防止套管内部温度过高，因此储热层由高导热系数，高密度，高热容，高熔点的氧化铝陶瓷制成，隔热层由低热扩散率的硅酸铝纤维制成。
设置径向绝缘隔热层阻隔套管表面向套管内部传导的热量，利用真空腔8内低气体密度的特点，既可以有效隔热，也可以降低气体热电离程度，有效防止穿墙套管1的电晕和击穿。为保障内外层瓷套在真空腔8低气压的环境下不发生形变，真空腔8内还必须间隔布置垫块9，增加内外层套管的强度。但由于垫块9的导热系数高于周围真空，所以，垫块9的存在会降低真空腔8的隔热效果，因此，高温固体电制热储热装置穿墙套管在设计时，应考虑垫块9及真空腔厚度8的影响，采用双层真空腔结构(如图4)。穿墙套管1外设有置于炉内部分的瓷棱和置于炉外部分的伞裙，浸渍绝缘介质3还接通有均压装置。
请参阅图2-5，本发明还提供一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管的设计方法，该方法包括绝缘设计和隔热设计两部分。
高温固体电储热装置穿墙套管绝缘设计，包括以下步骤：
(一)对高温固体电储热装置穿墙套管进行绝缘计算，求得电容芯子的尺寸，主要计算尺寸内容为：绝缘层个数n、炉内外台阶长度λ1和λ2、各层极板长度lx和各层极板半径rx。具体计算步骤如下：
a、为了提高套管的局部放电性能，选取电容式套管的最小绝缘厚度dmin，一般为1～1.2mm，并根据工作电压下，最大电场强度Erm不高于有害局部放电电压的原则，求得Erm。计算公式为：
上述式中，d为绝缘层厚度，εr为绝缘材料相对介电常数，kl为极板边缘局部放电系数，UK为局部放电电压，Ek为局部放电起始场强。对于胶纸套管而言，Erm可取EK值；对于油纸套管，还需取1.5～2倍的裕度。
根据上述得到的最小绝缘厚度dmin和最大电场强度Erm的结果，通过公式计算绝缘层数n。公式为：
上述式中，U为工作电压，ΔU为每层电压，k2为场强安全裕度。
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λ1、λ2。计算公式为：
上述式中，U为工作电压，n为绝缘层数。电容芯子炉内台阶长度λ1的值一般为炉外台阶长度λ2的k3倍，k3为路内外台阶长度比。
c、选择合适的长度比值ξl，一般为3.6～4.1之间，并根据计算公式得出各层极板的长度lx。计算公式为：
上述式中，ln为接地极板长度，n为绝缘层数，ξ为均匀比值(ξ＝l0/ln＝rn/r0)，l0为零层极板长度。
d、选择合适的长度比值ξ1，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半径rx。公式为：
上述式中，l1为中间第一层极板长度，ln为接地极板长度，U为工作电压，n为绝缘层数，Erm为最大电场强度。
e、根据图2所示流程图，利用有限元仿真软件可以计算出合理的场强安全裕度k2和炉内外台阶长度比k3。
(二)依据其绝缘设计原则，设定绝缘性能评价指标，主要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，可以采用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。公式为：
b、根据在工作电压下，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Erm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Es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主要为空气绝缘，套管表面电场强度值应小于空气的击穿电压(3MV/m)，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。
高温固体电储热装置穿墙套管隔热设计，该方法包括以下步骤：
(一)如图3所示，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。计算内容主要包括：外绝缘内径re；套管外绝缘的各层厚度dex；真空层各层厚度dvx；套管径向热阻Rr和电容芯子热容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re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套管外绝缘的各层厚度dex，陶瓷材料厚度一般选取为15～25mm，石英玻璃材料一般选取为10～15mm。
b、套管的结构为同心圆柱结构，因此沿轴向划分微元，每一个微元都可以近似为同心圆环，采用同心圆柱模型来计算套管的径向传热热阻Rr。计算公式为：
上述式中，λ为导热系数，L为微元轴向长度，rout，rin分别为微元外半径和微元内半径。
根据热容的定义为系统单位温升所需要的热量，求得电容芯子的热容C。公式为：
C＝cmm
上述式中，cm为比热容，m为质量。
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dvx。计算公式为：
上述式中，λ为导热系数，L为微元轴向长度，t为加热时长，Cc为电容芯子热容，T为炉内温度，Tc为电容芯子最外层预期温度，re为外绝缘内径，de1为套管外绝缘的内层厚度，n为真空层数。
c、如果b中求得真空层厚度不做调整的话，这一步骤直接跳过，继续往下进行；反之，需要逆向推导出电容芯子的热容Cc。
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小于其它部分，可以认为为短路；真空层的热容远小于其它部分，可以忽略不记，从而得到炉内套管的RC热网络简化模型如图4所示。
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，可以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。计算内容主要包括：阻热环体积Vr；隔热层下底半径rr2和长度Lr；阻热环的径向热阻Ra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Vr。计算公式为：
Pt＝cmmΔTr，
上述式中，P为导电杆传热功率，t为加热时间，cm为比热容，m为质量，ΔTr为阻热环的设计平均温升，kr为设计裕度，可设为1.3～1.6，ρ为阻热环材料密度。
b、选取隔热层厚度dr为5mm，阻热环的上底半径rr1等于套管外绝缘的最大半径，并设定阻热环的长度Lr与下底半径rr2的比值为1.2，通过体积计算公式分别求出Lr与rr2。
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Ra。公式为：
上述式中，λ为导热系数，L为微元径向长度，rout，rin分别为微元外半径和微元内半径。
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，可以认为为开路；储热层轴向热阻小于其它部分，可以认为为短路；外隔热层轴向热阻远大于其它部分，可以认为为开路；导电杆、外隔热层的热容远小于其它部分，可以忽略不记，从而得到阻热环的RC热网络简化模型如图5所示。
(三)依据其隔热设计原则，设定隔热性能评价指标，主要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Te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、最大温度梯度可以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、径向温差可以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主要指标，根据高温固体电储热装置穿墙套管的设计特点，可以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Te为阻热环与套管一侧贴近导电杆的温度，当该温度小于SF6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。计算公式为：
上述式中，cm为比热容，m为质量，ΔTs为阻热环平均温升的仿真值，P为导电杆传热功率；t为加热时间；ΔTr为阻热环的设计平均温升。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种电容式高温固体电储热装置穿墙套管，其特征在于：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)。
2.根据权利要求1所述的电容式高温固体电储热装置穿墙套管，其特征在于：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)。
3.根据权利要求1所述的电容式高温固体电储热装置穿墙套管，其特征在于：所述浸渍绝缘介质(3)为六氟化硫气体和环氧树脂。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的电容式高温固体电储热装置穿墙套管的设计方法，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，主要计算尺寸内容为：绝缘层个数n、炉内外台阶长度λ1和λ2、各层极板长度lx和各层极板半径rx，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dmin，并根据工作电压下，最大电场强度Erm不高于有害局部放电电压的原则，求得局部放电起始场强Ek，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lx和半径rx；
(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，可以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Erm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Es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主要为空气绝缘，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；计算内容主要包括：外绝缘内径re；外绝缘的各层套管厚度dex；真空层各层厚度dvx；套管径向热阻Rr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re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de1、de2、de3；
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dvx；
c、套管的结构为同心圆柱结构，因此沿轴向划分微元，每一个微元都可以近似为同心圆环，采用同心圆柱模型来计算套管的径向传热热阻Rr，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小于其它部分，可以认为为短路；真空层的热容远小于其它部分，可以忽略不记，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，可以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；计算内容主要包括：阻热环体积Vr；隔热层下底半径rr2和长度Lr；阻热环的径向热阻Ra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Vr；
b、选取隔热层厚度dr为5mm，阻热环的上底半径rr1等于套管外绝缘的最大半径，并设定阻热环的长度Lr与下底半径rr2的比值为1.2，通过体积计算公式分别求出Lr与rr2；
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，可以认为为开路；储热层轴向热阻小于其它部分，可以认为为短路；外隔热层轴向热阻远大于其它部分，可以认为为开路；导电杆、外隔热层的热容远小于其它部分，可以忽略不记，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，主要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Te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、最大温度梯度可以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、径向温差可以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主要指标，根据高温固体电储热装置穿墙套管的设计特点，可以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Te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。
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