双回供电下高压电极锅炉绝缘与运行可靠性分析

徐国富 李晨颉 李兴

摘 要：紧凑型、大功率是电加热锅炉目前的发展趋势。文章采用Comsol静电场仿真对三相高压电极锅炉在双回路供电系统下的静电场进行仿真模拟，并简要分析了水体电导率和双侧回路相位差对锅炉正常运行工况下，电场分布及三相电流平衡度的影响。文章根据仿真模拟结果指导产品设计，防止实际工程投入运行后锅体出现整体或局部绝缘问题，为电加热锅炉在不同地区、不同供电工况下的绝缘设计提供案例和设计实证。

关键词：静电场分布;绝缘水平;电流不平衡;双回供电

中图分类号：U17文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）05-009-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.005

高压电极锅炉，是直接利用6kV及以上的高压电源，利用一定电导率的水溶液作为电阻发热，产生高温热水或蒸汽的设备，单台设备的加热功率可达到50MW及以上。其主要应用场合有：替代高污染燃料的锅炉，减少雾霾，改善环境;充分利用、消纳新能源，可以避免、减少弃风、弃光等能源浪费现象;平稳电网，实现火电厂灵活深度调峰。

高压电极锅炉的内部工作环境较为苛刻，汪喆[1]做了一些分析。在复杂的气—液混合环境下，不合理的电极布置可能会导致局部场强集中，产生局部放电危害设备的正常运行。并且由于电极锅炉普遍功率大，在实际使用中常受到用户的配电容量限制，电源可能需要来自不同变电站，加电在同一台锅炉上，供电可能存在相位差。临近相电极存在相位差时可能导致电流不平衡，降低供电可靠性。因此，有必要通过数值模拟分析锅炉受电后的内部电场分布情况，对电场集中区域进行绝缘水平评估并分析三相电流的平衡度，判断是否存在零序电流，在实际工程中投入前发现潜在的绝缘与供电可靠性问题。文章第二部分将对所建立的模型进行描述，第三部分针对静电场与三相电流在不同工况下的模拟结果进行理论分析。

1 仿真模型建立

电极锅炉结构示意图如图1所示，文章所建立的静电场仿真模型如图2所示。由于存在集肤效应并考虑到电极制作与安装的难易程度，其中每相电极由一定尺寸的黄铜电极构成环形电极阵列。设计合理的三相电极间距、电极距桶内壁间距，电极距内桶底部间距。三相电压波形如图3所示，相电压峰值为8.16kV，通过10kV变电站直接供电驱动。

2 仿真模拟结果分析

2.1 内筒设置环壁面绝缘隔板，装置内部（三相导体）静电场分布模拟

图4与图5为内筒环壁面设置有绝缘隔板，锅炉内部出现电场极大值时，静电场与电势分布。仿真时间0.02s内，内筒内部场强最大值为9.65kV/cm（电极表面），电极表面最大场强相比无绝缘隔板且无金属隔板时（24.15kV/cm），由于电场强度在不同介电常数的介质中的反比分配，其数值明显减小。而聚四氟乙烯绝缘隔板中，最大场强可以达到4.75kV/cm，由于聚四氟乙烯的擊穿场强很高，很薄的聚四氟乙烯薄膜其工频击穿场强就可以达到200kV/cm，故无需担心绝缘隔板的直接击穿。

由于场强最大值集中在三相电极之间，而与内筒内壁较近的单相分裂电极，其表面场强远小于三相电极间的场强，故针对以上电场分布特点提出以下拓扑优化建议：增大三相电极间距离，以直接减小极间电场强度;增大每相电极内侧的分裂电极数量与直径，减小外侧（靠近内筒壁）分裂电极的数量，以减小电场畸变程度。

2.2 双侧供电电源相位偏差对装置内部电场分布的影响

图6与图7为双侧电源无相位偏差与偏差10度时锅炉内部电场强度分布。双侧供电电源无相位偏差时，场强最大值为10.46kV/cm，双侧供电电源存在10度相位偏差时，场强最大值为10.96kV/cm。可见双侧供电电源存在相位偏差，会在一定程度上增加场强最大值。

为了更明显地看出场强随相位偏差的变化规律，作出相位偏差在0～120度范围内场强最大值的变化趋势如图8所示。由图8可知，在一定范围内，电极表面场强最大值随着两台变压器相位偏差的增大而增大，故有必要控制两台变压器的相位偏差以降低电极表面场强最大值，提高筒体工频耐受电压。

3 结语

根据以上模拟结果，按照锅炉产品设计参数，锅炉的耐压和绝缘等级设计小于25kV/cm时，一般相位偏差均可以安全运行。

新疆医科大学电极锅炉蓄热系统，设计采用2台16MW电极锅炉，2台8MW电极锅炉。其中，16MW电极锅炉采用两路进线，来自不同的变压器。根据以上模拟结果，于2020年投入使用后，正常工作两个采暖季，达到设计要求。

大容量高压电极锅炉受到当地供电容量限制，需要采用不同变压站送电时，通过合理设计，可以实现在给同一个电极锅炉供电下正常使用。

参考文献

[1] 汪喆，戴刚平，张大长，等.浸没式电极锅炉筒体的绝缘性能研究[J].科技风，2019（3）：162-163.