电极式热水锅炉直接接入市政电网的可行性探讨

刘书农 / 董 锐(中国中元国际工程公司, 北京市 100089)

近期在某高原地区城市区域集中供暖项目的设计中，考虑当地能源结构(没有煤炭、石油和天然气，只有电力且水电资源比较丰富)的特点，采用了电极式热水锅炉的方案。据了解，该系统仅在国内某些电厂中有过应用，在城市电网中还没有使用的先例。现将电气专业在设计中遇到的一些问题及解决方案做简单介绍。

1 电极式热水锅炉工作原理

电极式热水锅炉主要分为两类：

第一类是全浸没式，即：锅炉内充满了水，工作时一是通过加药、加水系统来调节水的电导率；二是通过锅炉顶上电机的旋转带动电极外圈绝缘罩的上下移动，来调节电极与水的接触面积。通过上述两种方式，可调节电极间水电阻的大小，也即通过I2*R将锅炉内的水加热并可调节锅炉的功率。该类锅炉的功率调节范围在25%～100%之间，参见图1。

第二类是喷水式，即：锅炉内仅有少量的水，工作时一是通过加药、加水系统来调节水的电导率；二是通过锅炉下方的变频水泵来调节水量，也即调节喷嘴喷到电极上的水量，通过I2*R将该部分水加热并使其中极少部分汽化，再通过锅炉本体上自带的热交换器将外部循环水加热。该类锅炉的功率调节范围在0%～100%之间，参见图2。

2 电气专业设计中遇到的问题、分析论证及解决方案

2.1 电极式热水锅炉的电气参数、等效的接线形式及对供电电源的要求

1)由于是将水加热，而水的电阻又较低，因此一般需要采用中压(3～20kV)系统直接供电，本项目采用的是10kV。

2)锅炉功率从几MW到几十MW都有，本项目采用的有7MW、8MW和9MW。

3)由于负载是水电阻，因此其功率因数接近1，且无谐波。锅炉启动也无冲击电流。

4)根据锅炉的工作原理，其等效的电气系统接线形式为Y形系统，而对其中性点(即锅炉的金属外壳)有两种处理方式：a.用接地线将其直接接地(该方案适用于用户自设专用变压器的系统，此时即使三相电源不平衡或某相断线，锅炉房内也是等电位，因此锅炉外无需另加任何防护装置)；b.采用绝缘支撑架将其与地绝缘，此时所有进出锅炉的金属管道均需通过绝缘段与锅炉连接(注：由于管道内水电阻的存在，此系统的接线形式其实是中性点经电阻接地。该方案可直接使用在市政电源为不接地或经消弧线圈接地的系统，但此时为了防止运行或故障时三相电源不平衡而导致锅炉外壳的高电位，需在锅炉外加装隔离防护外罩)。

5)对于全浸没式锅炉，中性点采用两种处理方式的产品都有，只是对与地绝缘型的锅炉，厂家要求在电气回路的保护中，除通常的参数外，需增设三相电源不平衡保护(要求不大于5A)；而对于喷水式锅炉，只有中性点直接接地这一种产品，因此在厂家的资料中，要求锅炉由专用变压器(△/Y型)供电，且需采用三相四线(地线)接线方式。

2.2 设计中电气专业遇到的问题

1)前期工艺专业在比较和选择上两类锅炉时，都倾向于喷水式。从上述简介中可知，该锅炉除了变频水泵外，没有其他的运动部件，因此工作时的可靠性高、维护量少，同时其功率调节范围也大，0%～100%间几乎可无级调节。

2)但是对电专业来说，从锅炉中性点接地做法、安全性以及节省投资上考虑，全浸没式又优于喷水式，这是因为：

(1)当地10kV系统接地形式为不接地系统。

(2)全浸没式有可直接用于该电源的产品(因其接地电阻可以做到很大，达上千甚至几千Ω，因此可不用另加专用变压器)，同时产品还自带隔离防护外罩，安全性也可得到很好保证。

(3)喷水式仅有一种产品，即直接接地型，无法直接接到该电源中，因此需按厂家的方案，用户自设专用变压器，这样既增加用户投资又使运行损耗加大。

3)经招标，最后选择了喷水式锅炉，但由于投资的限制，不允许另外增加专用变压器。这就使得本来并不复杂的设计，现在却给电气专业提出了挑战。

2.3 电气专业的分析论证及解决方案

此时电气人员需要考虑在不采用专用变压器的前提下，该类锅炉是否可以直接应用到当地市政电网中。

1)由于当地10kV电源为不接地系统，因此中性点直接接地型锅炉是不能直接接入该电源的。对于该类锅炉，最优的方案还是按厂家的要求增设专用变压器。

2)由于本工程又不能采用这种方式，因此唯一的解决办法就是增加中性点对地电阻，而此办法只能与锅炉厂家共同来完成。但首先需要电气专业给厂家提供该电阻的值，因为如果电阻太小，对电网及系统中其他用户的安全就会产生影响；而如果太大，锅炉自身又很难达到。

3)起初，我们提出让锅炉厂家根据其产品结构，提供一改造方案，并提供所能做到的最大电阻值。厂家按此要求给出的方案是：在锅炉内部喷嘴与水泵间的金属水管间改用一段绝缘段，这样中性点(喷嘴处)与锅炉外壳(还是需直接接地)间就有了水电阻。根据水的电导率、绝缘段长度及绝缘段管内截面积等参数，按公式①、②计算得中性点对地电阻为106～116Ω(因电导率的变化)。

其中：R—电阻(Ω)；G—电导(S)；σ—电导率(μs/cm)；A—绝缘段管内截面积(cm2)；L—绝缘段长度(cm)。

同时厂家要求在锅炉电源的保护中加装零序电流速断(10A)保护，采用瞬动(0.1s)跳闸，将锅炉脱离供电系统。

4)对厂家方案的分析论证

根据厂家改造方案可知，本产品通过电阻值不算太大的水电阻将10kV系统的中性点与地连通，另考虑到同一市政变压器系统中一般不只接有一台锅炉，因此总电阻值会更小，这样就可看做是将当地的10kV不接地系统变成了电阻接地系统。

这样，当电网中另一10kV用户发生单相接地时，该接地电流将增大，使得在该用户地线上的接触电压ΔU远远大于安全电压(50V)限值。再考虑当地各10kV用户变电所的不同形式、设计的年代以及是否有等电位联结措施等因素，即使在我们锅炉电源侧增加了瞬动跳闸保护，也不一定是安全的，见图3。

因此厂家的方案是不可行的。究其原因，主要是此方案仅是在锅炉内部考虑，而锅炉内部水的电导率很大且空间有限(绝缘段无法做长)。但该方案的优点是锅炉外壳已不再是中性点，因此可直接接地，这对锅炉房的运维人员来说安全性更好。

5)解决方案

首先，考虑到厂家方案的优点、我们供暖方案的特点(锅炉台数多、容量大)以及当地电网准备增容改造的情况，我们向供电部门提出对城区所有锅炉房采用专变专网供电，并采用小电阻接地系统，这样厂家的锅炉改造方案就可实施。

但此方案牵扯到城区电网的规划，动静很大，且电网的改造滞后，因此现阶段只能采用其他方案。我们借鉴了全浸没式锅炉的思路，将整个锅炉绝缘，将其放在玻璃隔断的防护间内，锅炉的低压供电电源前加隔离变压器，并在控制上增设安全联锁措施。经与供电部门协商，同意了此方案，并要求每台锅炉的对地电阻值不小于1 000Ω。

3 结束语

对当地供电部门来说这也是个新问题，也准备将其列为研究课题。课题将从整个供电网络上来分析和探讨可靠性、安全性、相互关联及影响等。

[1]《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.GB/T 13870.1-2008 电流对人和家畜的效应第1部分：通用部分[S].北京：中国标准出版社, 2009.