燃气壁挂炉点火失效原因分析及预防措施

毛锡韶 金国华 贺小林 成伟

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 燃气壁挂炉发展概况

2018年3月11日第十三届全国人民代表大会上通过的宪法修正案中明确把“生态文明、和谐美丽”纳入新宪法，减少对不可再生资源的使用和依赖，已成为当今社会经济发展必须要考虑的问题。

近年来，我国对北方城市燃煤锅炉进行了大量的“煤改气”工作。实践证明，“煤改气”后，城市冬季空气质量有了大幅度的改善。在“煤改气”的过程中，由燃气壁挂锅炉（以下简称“壁挂炉”）组成的独立分布式采暖系统成为一种较理想的选择。

壁挂炉的主要优点有：（1）使用壁挂炉，可有效减少集中供暖产生的损失（例如：城市热网损失、庭院管网损失等），公共设施和后期的维护费用投入低；（2）壁挂炉可同时提供采暖和生活用水，用户无需再购置生活热水设备；（3）由壁挂炉组成的独立采暖系统，对于用户来说具有极大的灵活性。除采暖周期不再受政府规定的采暖起止时间限制外，用户还可根据自身的需要调节室内温度，极大地提高了采暖舒适度。

综上，随着北方“煤改气”工作的持续开展，壁挂炉的推广和普及将迎来新的发展机遇。

2 点火失效问题及分析

虽然燃气壁挂炉在国外有50多年的发展历史，但在国内是近几年才开始快速发展，技术积累相对薄弱，在使用过程中也渐渐暴露出点火失效等常见的问题，需要在产品设计阶段进行全面分析并针对性的采取技术措施。本文重点针对点火失效问题进行分析（备注：非产品本身因素导致的点火失效，如供气、电网等因素不在分析范围内）。

3 问题的分析

结合实际应用情况，本文将从理论分析、失效机理和试验验证三个方面对点火失效问题进行分析。

3.1 理论分析

燃气壁挂炉的点火原理与避雷针的尖端放电原理类似，放电大小主要取决于单位面积的电荷量和两个电极之间的电场强度。

此外，外界环境影响，如温度、湿度、气压及空气质量等因素也会对放电大小产生影响。

假设两个电极平行排布，即

其中：

ε—介电常数，真空状态下为1，空气比真空稍微大一些，可以等效为1；

S—为极间面积；

k—静电常数，k=9×109Nm2/C2；

d—极间距离；

π—圆周率。

由点电荷产生的电场公式

尖端放电条件分析：极间电场需达到电离两极之间的介质（空气），产生与导体带电相反的离子并与导体的电荷中和，从而出现放电火花。电极的形状也会影响尖端放电，在其他因素相同的条件下，导体形状越尖，尖端效应越明显。在同一导体上，与曲率小的部位相比，曲率大的部位就是尖端。由Q=Sσ=4πr2.σ，其中σ为电荷分布密度，在单位面积内，曲率越大（即尖端越尖），尖端聚集的电荷越多，在距离不变的情况下，产生的电场越强；当环境保持不变的情况下，放电越明显。

图1 点火连接示意图

3.2 影响因素分析

3.2.1 温度因素的影响分析

当极间发生电离后，自由离子（或电子）的速度与温度成正比，温度越高，速度越快，携带的能量越高，发生碰撞时产生的热量越多。所以温度越高，越容易出现尖端放电现象。

3.2.2 湿度因素的影响分析

影响机理为：当极间发生电离后，产生的自由离子或电子会与空气中的水分子相结合，湿度高说明空气中水分子增多，自由离子或电子与水分子的碰撞机会增多，碰后形成活动能力很差的负离子，碰撞能量减弱，则不易发生放电现象。

但当空气存在其他比空气更容易电离的介质时（如空气受到污染时，空气中存在其他导电介质，当湿度增大时，介电常数ε比理想空气增大很多，此时反而更容易发生放电）。

3.2.3 气压因素的影响分析

气压变低时，气体分子间距变大，电子或离子的平均自由程度越大，加速时间越长，动能越大，发生碰撞电离就更容易。

综上分析，两极之间的电压越高，放电效应越容易发生，但电压越高，对线材绝缘等级的要求也越高，因此，一般根据实际应用场合，将电压控制在12kV≤U≤20kV范围内。

两极之间的距离越小，放电效应越显著，但距离太小，会造成电离的自由离子或电子的行程较短，发生碰撞时产生的能量也较低。

同时，当两个电极之间距离太近时，放电时产生的能力容易经电极（电极导热效果明显好于空气）传导作用把产生的热量传走，不利于热聚集，不足以形成高温团，造成点火失败，因此，一般根据实际应用场合，将两个电极放电距离范围为3mm≤L≤5mm。

连接电极的两条线相当于电容两极，通电后存在着大量的正负电荷，由上述理论可知，当距离较近时，两线之间存在极强的电场，出现放电（电晕）现象，相当于形成通路，加之导线存在电阻特性，造成电极尖端的电压比输出电压低，尖端电荷相对会减少，尖端放电效果较差。

因此，理论上线材绝缘等级越高越好，线与线之间距离越远越好，但考虑实际布线要求及成本要求，目前行业线材主要以UL3573（10KV）线材为主。

表1 项目一对比数据

3.3 机理的分析

（1）电晕机理：电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电现象，在极不均匀电场中，气体间隙还没有击穿之前，电极曲率较大的附近的空间的局部的场强就已经很大了，从而在这局部强场中产生强烈的电离，但离电极稍远处场强已大为减弱，故此电离区域不能扩展到很大，只能在电极的表面产生放电现象。

电晕的放电强度取决于加在电极之间的电压大小、电极的形状、极间距离、气体的性质和密度。

（2）脉冲点火器通过升压线圈、电容充放电回路，使额定输出电压不低于12kV，属高压脉冲电场发生器，点火针间隙一般控制在3～5mm，但空气温、湿度的变化，将直接影响点火针的放电效果（温、湿度越低、空气导电性能越差，同样间隙下点火成功率越低）。

（3）如图1所示，当点火针放电效果受环境因素影响有所下降后，又因脉冲点火器持续输出的高电压，将直接在A-B-C回路上存在高压电势差且无处释放，从而形成了持续的高压电场，在该电场的作用下，空气中的带电质点将在电场中“薄弱点”（电离率最高的点/位置），发生一定概率的电离放电现象。

（4）脉冲点火器A因插接端口间相隔较远，空气被电离的概率较小。点火针C如上述第（2）点分析，产生电离的概率也较小。相比之下引出线间的B，是出现电晕的高概率点，且随着线材绝缘性能一致性有所波动时，加上引线间发生缠绕之后，随着引线曲率的加大，因而局部空气电离的现象更加显著。

3.4 试验的验证

3.4.1 验证项目一

实验目的：验证温度、湿度因素的影响。

采用同一套点火针、脉冲点火器，仅改变温、湿度，对比数据如表1所示。

结论：点火针的温、湿度对放电距离有影响，且随着温、湿度的增大放电距离也会增大。环境湿度和温度越低，点火越困难，越容易失效。

3.4.2 验证项目二

实验目的：走线方式因素的影响。

两根点火针分开测试最高放电电压为15.4kV；将两根点火线缠绕在一起测试最高电压为12.2kV，衰减率为20.78%；引线无缠绕的点火针针头放电距离为14mm，引线缠绕点火针放电距离为12mm。

结论：走线方式对放电有影响，分开走线放电距离大，缠绕走线放电距离小。

3.4.3 验证项目三

在暗房中将两根点火针引线缠绕在一起，调大点火针间隙（大于10mm），通电测试发现缠绕点有微弱的蓝光，分析为电晕放电现象。

部分竞品使用耐压更高的UL1911线材（15KV），通过取样威能的UL1911线，通过复测上述实验一《实验室验证——缠绕走线现象》，发现同样存在高压电晕放电现象。

综合以上验证情况，可以看出：

（1）低温、低湿环境对点火针最大放电距离有所缩短；

（2）点火针引线分开、缠绕走线，最高放电电压有差异，分开走线放电距离大，缠绕走线放电距离小；

（3）电晕现象对放电有影响。

3.4.4 分析小结

（1）北方低温低湿环境下，空气导电性下降，点火针的有效放电距离被缩小。

（2）点火针走线存在局部缠绕，加之引线较长，一定程度上也更容易产生电晕放电，导致放电针位置压降过大。

上述因素相互叠加，导致壁挂炉出现点火失败的现象。

4 设计预防建议措施

4.1 走线形式

试验证明，点火针走线如存在局部缠绕，一定程度上容易产生电晕放电，加上使用环境的温、湿度对点火针点火效果亦有影响，点火针的两根引出线要考虑分开走线且引线长度应尽量减少。

4.2 线材选型问题

测试标准问题，针对高压脉冲下电晕导致的压降，要有明确的测试指标。

4.3 试验验证要充分

要充分考虑壁挂炉的使用环境和条件（如：低温、干燥等），验证在不同工况和条件下的长期可靠性。