雙回供電下高壓電極鍋爐絕緣與運行可靠性分析

徐國富 李晨頡 李興

摘 要：緊湊型、大功率是電加熱鍋爐目前的發(fā)展趨勢。文章采用Comsol靜電場仿真對三相高壓電極鍋爐在雙回路供電系統(tǒng)下的靜電場進行仿真模擬，并簡要分析了水體電導率和雙側(cè)回路相位差對鍋爐正常運行工況下，電場分布及三相電流平衡度的影響。文章根據(jù)仿真模擬結(jié)果指導產(chǎn)品設(shè)計，防止實際工程投入運行后鍋體出現(xiàn)整體或局部絕緣問題，為電加熱鍋爐在不同地區(qū)、不同供電工況下的絕緣設(shè)計提供案例和設(shè)計實證。

關(guān)鍵詞：靜電場分布;絕緣水平;電流不平衡;雙回供電

中圖分類號：U17文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）05-009-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.005

高壓電極鍋爐，是直接利用6kV及以上的高壓電源，利用一定電導率的水溶液作為電阻發(fā)熱，產(chǎn)生高溫熱水或蒸汽的設(shè)備，單臺設(shè)備的加熱功率可達到50MW及以上。其主要應(yīng)用場合有：替代高污染燃料的鍋爐，減少霧霾，改善環(huán)境;充分利用、消納新能源，可以避免、減少棄風、棄光等能源浪費現(xiàn)象;平穩(wěn)電網(wǎng)，實現(xiàn)火電廠靈活深度調(diào)峰。

高壓電極鍋爐的內(nèi)部工作環(huán)境較為苛刻，汪喆[1]做了一些分析。在復雜的氣—液混合環(huán)境下，不合理的電極布置可能會導致局部場強集中，產(chǎn)生局部放電危害設(shè)備的正常運行。并且由于電極鍋爐普遍功率大，在實際使用中常受到用戶的配電容量限制，電源可能需要來自不同變電站，加電在同一臺鍋爐上，供電可能存在相位差。臨近相電極存在相位差時可能導致電流不平衡，降低供電可靠性。因此，有必要通過數(shù)值模擬分析鍋爐受電后的內(nèi)部電場分布情況，對電場集中區(qū)域進行絕緣水平評估并分析三相電流的平衡度，判斷是否存在零序電流，在實際工程中投入前發(fā)現(xiàn)潛在的絕緣與供電可靠性問題。文章第二部分將對所建立的模型進行描述，第三部分針對靜電場與三相電流在不同工況下的模擬結(jié)果進行理論分析。

1 仿真模型建立

電極鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，文章所建立的靜電場仿真模型如圖2所示。由于存在集膚效應(yīng)并考慮到電極制作與安裝的難易程度，其中每相電極由一定尺寸的黃銅電極構(gòu)成環(huán)形電極陣列。設(shè)計合理的三相電極間距、電極距桶內(nèi)壁間距，電極距內(nèi)桶底部間距。三相電壓波形如圖3所示，相電壓峰值為8.16kV，通過10kV變電站直接供電驅(qū)動。

2 仿真模擬結(jié)果分析

2.1 內(nèi)筒設(shè)置環(huán)壁面絕緣隔板，裝置內(nèi)部（三相導體）靜電場分布模擬

圖4與圖5為內(nèi)筒環(huán)壁面設(shè)置有絕緣隔板，鍋爐內(nèi)部出現(xiàn)電場極大值時，靜電場與電勢分布。仿真時間0.02s內(nèi)，內(nèi)筒內(nèi)部場強最大值為9.65kV/cm（電極表面），電極表面最大場強相比無絕緣隔板且無金屬隔板時（24.15kV/cm），由于電場強度在不同介電常數(shù)的介質(zhì)中的反比分配，其數(shù)值明顯減小。而聚四氟乙烯絕緣隔板中，最大場強可以達到4.75kV/cm，由于聚四氟乙烯的擊穿場強很高，很薄的聚四氟乙烯薄膜其工頻擊穿場強就可以達到200kV/cm，故無需擔心絕緣隔板的直接擊穿。

由于場強最大值集中在三相電極之間，而與內(nèi)筒內(nèi)壁較近的單相分裂電極，其表面場強遠小于三相電極間的場強，故針對以上電場分布特點提出以下拓撲優(yōu)化建議：增大三相電極間距離，以直接減小極間電場強度;增大每相電極內(nèi)側(cè)的分裂電極數(shù)量與直徑，減小外側(cè)（靠近內(nèi)筒壁）分裂電極的數(shù)量，以減小電場畸變程度。

2.2 雙側(cè)供電電源相位偏差對裝置內(nèi)部電場分布的影響

圖6與圖7為雙側(cè)電源無相位偏差與偏差10度時鍋爐內(nèi)部電場強度分布。雙側(cè)供電電源無相位偏差時，場強最大值為10.46kV/cm，雙側(cè)供電電源存在10度相位偏差時，場強最大值為10.96kV/cm。可見雙側(cè)供電電源存在相位偏差，會在一定程度上增加場強最大值。

為了更明顯地看出場強隨相位偏差的變化規(guī)律，作出相位偏差在0～120度范圍內(nèi)場強最大值的變化趨勢如圖8所示。由圖8可知，在一定范圍內(nèi)，電極表面場強最大值隨著兩臺變壓器相位偏差的增大而增大，故有必要控制兩臺變壓器的相位偏差以降低電極表面場強最大值，提高筒體工頻耐受電壓。

3 結(jié)語

根據(jù)以上模擬結(jié)果，按照鍋爐產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)，鍋爐的耐壓和絕緣等級設(shè)計小于25kV/cm時，一般相位偏差均可以安全運行。

新疆醫(yī)科大學電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)，設(shè)計采用2臺16MW電極鍋爐，2臺8MW電極鍋爐。其中，16MW電極鍋爐采用兩路進線，來自不同的變壓器。根據(jù)以上模擬結(jié)果，于2020年投入使用后，正常工作兩個采暖季，達到設(shè)計要求。

大容量高壓電極鍋爐受到當?shù)毓╇娙萘肯拗疲枰捎貌煌儔赫舅碗姇r，通過合理設(shè)計，可以實現(xiàn)在給同一個電極鍋爐供電下正常使用。

參考文獻

[1] 汪喆，戴剛平，張大長，等.浸沒式電極鍋爐筒體的絕緣性能研究[J].科技風，2019（3）：162-163.