低低溫和濕式電除塵器的絕緣優化設計及應用
2016-04-06 15:35:01
摘要：目前低低溫、濕式電除塵技術已成為燃煤電廠實現煙氣 “超低排放”的主流技術。低低溫、濕式電除塵器的絕緣水平在很大程度是由絕緣子的表面狀況，即表面電荷的積聚、帶電微粒的運動以及表面覆蓋物(酸露和水膜等介質)的影響程度和場強所決定。本文較為深入的研究和探討了影響高壓電場絕緣性能的因素，提出了低低溫和濕式電除塵器絕緣性能優化方法，并介紹了低低溫電除塵器絕緣改造實例。
關鍵詞：低低溫電除塵器;濕式電除塵器;表面爬電;絕緣優化;防露型絕緣子
0 引言
“節能減排”是目前我國發展經濟的一項基本國策，也是“十二五”工作計劃的重中之重。燃煤電廠為了實現煤耗下降8克標準煤/ kW?h的目標，在鍋爐煙道設置熱交換器，將煙氣中的熱量置
換出來，進行二次利用，以節約能耗。
隨著燃煤電廠煙氣“超低排放”呼聲的越演越烈，人們對實現“超低排放”技術的關注度也越來越高。為了實現“超低排放”要求，可利用SO3具有團聚微小粉塵和容易荷電的特性來提高除塵
效率，低低溫(90℃以下)電除塵器便應運而生。此外，還可采用濕式電除塵技術。目前低低溫、濕式電除塵技術已成為燃煤電廠實現煙氣“超低排放”的主流技術。
在電除塵器中工作的直流絕緣子與交流絕緣子不同，應重點考慮絕緣子表面的沿面放電，即表面爬電問題。根據電除塵器多年的運行經驗，其80%的故障是電氣故障，電氣故障的90%是絕緣故障，而絕緣故障絕大部分原因是絕緣子表面爬電引起的，這是電除塵絕緣子不可避免的核心問題，而低低溫電除塵器入口煙氣溫度在酸露點以下，濕式電除塵器工作在飽和濕煙氣環境中，尤其需引起高度重視。
1 影響直流高壓電場絕緣性能的主要因素
1.1 表面電荷積聚影響絕緣子沿面放電
由于在絕緣子的表面存在電場的法向分量，當施加一定時間(數分鐘至數天)的直流電壓后，絕緣子表面積聚的電荷使原電場發生了畸變，將可能發生沿面放電[1]。
圖1為日本三菱公司K.Nakanishi, A.Yoshioka[2]等人對中間實心的圓桶形絕緣子模型施加一系列直流電壓后，得到的絕緣子表面擊穿電壓隨電荷密度的關系
絕緣子長時間處于直流電場中時，其表面電荷的積聚會使沿面放電電壓下降。例如，在0.44MPa的SF6氣體壓力下能承受600kV電壓的絕緣子經幾小時直流電壓作用后，其放電電壓降低到300kV[3]。可以看出，絕緣子表面電荷積聚是影響直流絕緣性能的一個重要因素。
1.2自由導電微粒影響直流絕緣性能粉塵中導電微粒附著于絕緣子表面時，將直接成為絕緣子的閃絡路徑，縮短了沿面放電的距離，極大地降低了絕緣子的閃絡電壓。附著在絕緣子表面的這些導電微粒形狀多樣，尺寸不一，有幾至幾十微米的粉末，也有幾毫米團粒。試驗研究證實，這些導電微粒對絕緣子的閃絡電壓的影響與顆粒大小、形狀以及在絕緣子上的位置有關。位于支撐絕緣子的中間位置時，當微粒由3mm長增加至6mm時，閃絡電壓下降約25%[4];在絕緣子表面相同的位置上，若微粒長度軸向與同軸電場方向一致，則絕緣水平明顯下降;若兩者相互垂直，其閃絡電壓不受影響[5]。當進入電除塵器的煙氣溫度較高(如以往燃煤電廠的煙氣溫度一般都控制在120℃以上)，這些導電微粒都呈孤立、分散的狀態，通過運動附著于絕緣子表面時，呈隨機的雜亂無章分布，則絕緣水平下降不明顯;如果煙氣溫度下降至接近或低于酸露點溫度，SO3會冷凝并吸附在絕緣子表面，形成爬電通道。同樣，在濕式電除塵器中，如果絕緣子表面被水膜覆蓋，也會形成爬電通道。
由此可見，當直流電場中的導電物質附著于絕緣子表面時，將成為影響直流電場高壓絕緣性能的另一重大因素。
2低低溫和濕式電除塵器絕緣優化方法
2.1 合理選擇足夠的爬電距離
低低溫和濕式電除塵器絕緣設計的目標是將沿面放電電壓提高到純氣體間隙擊穿電壓的水平，以使絕緣的擊穿發生在氣體介質中，而不是沿絕緣子表面發生。因此選擇足夠的爬電距離是必須的。
設計絕緣子尺寸時必須注意高壓電極對地之間沿絕緣子表面的爬電距離。絕緣子表面狀況極為重要，干的表面與附著酸霧的表面，以及覆了水膜的表面大不相同。對有可能污染絕緣子表面的物質(煙塵)，應了解其粉塵比電阻值，作為設計的依據。
運行經驗表明，在干煙氣狀態下，當高、中比電阻粉塵時，單位電壓(單位為kV)的防爬電距離為0.3英寸～0.4英寸，即7.6mm～10.2mm[7]。按工作電壓72kV計，一般燃煤電廠電除塵器用絕緣子的表面爬電距離宜為500mm～700mm。
很顯然，在干煙氣狀態下的爬電距離不能滿足低低溫和濕式電除塵器的要求，尤其對濕煙氣狀態下的絕緣性能以及爬電距離的選擇。為確保絕緣性能，濕煙氣狀態下絕緣子的表面爬電距離宜取干煙氣狀態爬電距離的1.5倍～2倍，即單位電壓的防爬電距離取15mm/kV～20mm/kV，按工作電壓72kV計，一般濕式電除塵器用絕緣子的表面爬電距離宜為1000mm～1400mm，而工作電壓較低時，其爬電距離可減小。
如果采用防露型絕緣子或對普通絕緣子采取加熱保溫和熱風吹掃等措施，使絕緣子的表面始終保持干燥，則可采用干煙氣狀態下的表面爬電距離。實踐證明，防露型絕緣子可適用于低低溫電除塵器、濕式電除塵器以及電除霧器的工況條件。
2.2 優化電場結構，使場強分布均勻化
直流絕緣子電場強度的分布與交流不同，交流絕緣子電場強度按電容分布，而直流絕緣子的電場強度受絕緣子電阻的影響，隨著電阻的變化而變化。其中絕緣子表面電場隨表面電阻的變化比體積電阻的變化更明顯，且這種變化是非線性的。改變電場電阻和電極的分布可使絕緣子表面電場更為均勻，以降低絕緣子周圍的合場強。
圖2和圖3是為某燃煤電廠低低溫電除塵器設計的絕緣子等效電路和電場場強示意圖。
改造前總場強E0全部加在支撐瓷套上，支撐瓷套高度600mm，額定電壓72kV，每千伏的爬電距離為8.3mm。如果降低煙氣溫度，使其低于酸露點，在瓷套內壁凝露的話，明顯絕緣能力不足。
如圖3所示，改造時在瓷套的蓋板上加了1只穿墻套管，使最大爬電距離達到1050mm。而且總場強E0分別由瓷套承擔E1和穿墻承擔E2，大大減輕了瓷套的絕緣負擔。圖中瓷套與穿墻套管同軸布置，瓷套安裝在電除塵器頂棚大梁(地電極)上，瓷套的高壓端上蓋板與穿墻套管的法蘭同為等電位組成中間電極，穿過穿墻套管軸芯的陰極吊桿為高壓電極。
在瓷套內壁與穿墻套管下部外壁之間的電場E套內實際上是由E12和E22組成， E12與E22為同軸電場，且方向相反，即E套內= E22-E12，可見，如此布置瓷套內的場強由于E12和E22相互抵消而減小，使吸附在絕緣子表面的帶電微粒失去動力，無法遷移，避免絕緣子表面出現沿面放電。
另外，在瓷套下部與陰極吊桿之間的電場中，由于E0的切向分量和E12的電場方向同時指向地電極，使地電極附近的電場得到加強，這樣就有可能阻止帶電微粒進入瓷套內，從而使絕緣條件得到改善。
2.3采用防露型絕緣子
2.3.1用于低低溫電除塵器的防露型絕緣子
對于低低溫電除塵器，為防止絕緣子結露爬電，可采用熱風吹掃措施和防露型絕緣子兩種措施之一。絕緣子內部裝有發熱體，也稱內熱式防露型絕緣子。
1) 防露型支撐瓷套絕緣子
防露型支撐瓷套絕緣子的材料為95瓷，內部裝有發熱體，其結構示意圖如圖4所示。低低溫電除塵器一個供電分區的4個吊點安裝4只防露型支撐瓷套絕緣子。
防露型支撐瓷套絕緣子可以直接裸露在煙氣中，獨到的防露效果和緊湊的絕緣結構，可顯著提高電除塵器內部高壓絕緣的可靠性。防露型絕緣瓷套由上部的圓錐段和下部的圓柱段組成，有抗壓強度高(>2000MPa)、高溫絕緣性能好，500℃時體積電阻率仍能保持在4×1010Ω˙cm2/cm、抗熱震性的溫度范圍寬(>700℃)、耐腐蝕、抗衰老等優點。
發熱體直接安裝在防露型絕緣瓷套下部的溝槽內，發熱體所發出的熱量絕大部分被防露型絕緣瓷套直接吸收，并迅速傳遞到防露型絕緣瓷套的內、外表面，使其表面保持一定的溫度。發熱體功率和電壓：1200W、220V。在常溫環境中，當接通電源3小時后，瓷套的內壁溫度可達并保持在120℃±30℃。如果在80℃～90℃的熱煙氣中，瓷套的內壁溫度可達并保持在150℃以上。當潮濕的煙氣中的水分或酸露還未接觸到瓷套，便被其表面散發出來的熱量所蒸發，使其表面始終保持干燥的絕緣環境。
2) 防露型拉棒絕緣子
防露型拉棒絕緣子由外部的防露型絕緣拉棒和內部的發熱體組成，其結構示意圖如圖5所示。可直接裸露在煙氣中。具有抗拉伸強度高(額定拉伸負荷100kN)，高溫絕緣性能好，抗熱震性的溫
度范圍寬(>700℃)，耐腐蝕，抗衰老等優點。
發熱體直接安裝在防露型絕緣拉棒內部的溝槽內，發熱體所發出的熱量絕大部分被防露型絕緣拉棒直接吸收，并迅速傳遞到絕緣拉棒的內、外表面，使其表面保持一定的溫度。發熱體功率和電壓：250W、36V。接通電源3小時后，防露型絕緣拉棒內發熱體的升溫效果及作用與防露型絕緣瓷套的發熱體相同。
防露型拉棒絕緣子可用于懸吊總重為10噸的陰極框架，低低溫電除塵器一個供電分區的4個吊點的絕緣分別安裝3只防露型絕緣拉棒和1只防露型支撐瓷套絕緣子，其安裝如圖6所示。防露型拉
棒絕緣子也可用于陰極框架側部的防擺支撐。
2.3.2用于濕式電除塵器的防露型絕緣子
對于濕式電除塵器，可采用防露型支撐瓷套絕緣子和防露型拉棒絕緣子來防止絕緣子結露爬電，但其結構和安裝方式與低低溫電除塵器略有差異。另外，還可采用防露型支柱絕緣子和防露型防擺絕緣子。
1)防露型支柱絕緣子
防露型支柱絕緣子由外部的絕緣支柱和內部的發熱體組成，可直接裸露在煙氣中。具有抗壓強度高、高溫絕緣性能好、抗熱震性的溫度范圍寬(>700℃)、耐腐蝕、抗衰老等優點。
發熱體直接安裝在絕緣支柱底部的溝槽內，發熱體所發出的熱量絕大部分被絕緣支柱直接吸收，并迅速傳遞到絕緣支柱的內、外表面，使其表面保持一定的溫度。發熱體功率和電壓：250 W～300W、36V。接通電源3小時后，防露型絕緣支柱發熱體的升溫效果及作用與低低溫電除塵器防露型絕緣瓷套的發熱體相同。
防露型支柱絕緣子一般采用2只一組，安裝在電除塵器的頂部抬著陰極吊桿，也可從陰極框架的側部伸出懸臂梁，將4只防露型支柱安裝在電除塵器本體兩側外的框架上，抬著陰極框架。防露
型支柱絕緣子安裝示意圖如圖7所示，其局部放大圖如圖8所示。
為了更好地防濕，防露型支柱絕緣子的外表面設計成下掠式傘裙(翅)，如圖9所示。傘翅下方45°虛線范圍內的表面為雨淋遮蔽面，設計時其展開長度不應小于絕緣子干狀態下的爬電距離。
2)防露型防擺絕緣子
濕式電除塵器的陰極框架全部被噴淋水籠罩，防擺絕緣子又是水平安裝，防濕尤為重要。防擺絕緣子安裝如圖10所示。
絕緣子室外應加裝防水罩，以防噴淋水直接噴灑在絕緣子表面。
濕式電除塵器所用的絕緣子金屬附件應全部采用防腐不銹鋼，以延長使用壽命。
3優化絕緣結構在低低溫電除塵器改造中的實際應用
3.1改造方案
華能南京電廠#2爐300MW機組經低低溫電除塵器改造后，電除塵入口煙氣溫度在露點以下。由于煙氣溫度的下降，電除塵器內的絕緣子表面出現凝露，導致表面爬電，絕緣失效，為保證安全運行，瓷瓶加熱將連續投用，會面臨如下問題：一是單純連續投用加熱器能否有效避免爬電現象的發生，還有待于運行的實踐檢驗;二是電耗大，瓷瓶加熱方式采用電加熱，總功率150kW，如果連續投用，功耗很大;三是瓷瓶修理費用勢必增加(電加熱器和瓷瓶連續投用容易損壞，需要更換);四是機組在線運行，更換損壞瓷瓶和加熱器既不安全，也不方便。因此有必要對瓷瓶絕緣水平進行提升改造。
因電除塵器后面溫度更低，為更好檢驗實際效果，選取其中的一個供電分區進行絕緣改造，并作為試驗電場。電除塵器每個電場陰極框架除了通過4個瓷瓶來懸吊并實現絕緣，還要對陰極振打軸進行絕緣，四、五電場還在陰極框架的下部安裝了防擺絕緣子。因此，此次試驗除了對電除塵器懸吊方式進行改造外，還應對轉軸絕緣子和防擺絕緣子同步進行改進。
改造方案如下：
(1)在原普通工業電瓷絕緣及支撐的基礎上，每只工業電瓷套管加裝防露型穿墻套管，使絕緣子的總爬電距離達1000mm，用增加爬電距離方法來避免和解決瓷瓶內壁爬電問題。
具體改造步驟為：
1)安裝施工前應測量陰陽極框架間相互位置和空間距離，并做好記錄;
2)用提升工具鉤住陰極框架的大梁，旋緊螺母，將陰極框架提升1~5mm;
3)拆除原上蓋板，將加長短接與陰極吊桿旋緊，并用電焊燒牢。注意燒電焊時，必須對絕緣瓷套做好防護，焊渣、火花等不得飛濺到瓷表面，以免對絕緣瓷套造成損傷;
4)然后按順序將上蓋板、石棉密封墊、穿墻套管、緩沖墊、壓蓋和螺帽等零部件安裝;
5)旋緊大螺帽后，將提升工具拆除。最后通過大螺帽調整陰極框架的高度，將陰極框架恢復原狀。陰極吊桿的頂端與絕緣子室頂蓋的空間高度必須大于200mm;
6)最后接入高壓電源。將焊接在壓蓋上的接線端子接上高壓電源線排,電源接頭必須接觸良好，可用螺栓并牢壓緊，也可用電焊焊接。但如果用電焊焊接時，同樣應注意保護好瓷絕緣子。
改造后的結構圖如圖11所示。
(2)將振打旋轉軸絕緣子換成大爬距絕緣子，爬電距離增加到1000mm以上。
(3)將陰極框架下部絕緣板的8根金屬夾持臂換成95瓷絕緣臂，使下部防擺絕緣子的爬電距離也增加到1000mm以上。
3.2 效果
改造工作于2014年10初完成，經過絕緣改造后的電場的二次電壓明顯升高，與相鄰的電場比較，其運行電壓也較高，說明該電場絕緣良好。經過半年來實際運行，證實改造效果良好。
由此可見，這種絕緣結構完全能夠勝任在低低溫電除塵器的濕煙氣環境下工作。甚至不必投運電加熱器，絕緣子也能維持正常運行，節能效果顯著。據估算，對于300MW機組的電除塵器來講，每年可節約電能110萬度。
4 結論
本文較為深入的研究和探討了影響高壓電場絕緣性能的因素，提出了低低溫和濕式電除塵器絕緣性能優化方法，并介紹了低低溫電除塵器絕緣改造實例。主要結論為：
(1)低低溫、濕式電除塵器的絕緣水平在很大程度是由絕緣子的表面狀況，即表面電荷的積聚、帶電微粒的運動以及表面覆蓋物(酸露和水膜等介質)的影響程度和場強所決定。
(2)為確保低低溫和濕式電除塵器的絕緣性能，需加大絕緣子的爬電距離，濕煙氣狀態下絕緣子的表面爬電距離宜取干煙氣狀態爬電距離的1.5倍～2倍，即單位電壓的防爬電距離取15mm/kV～20mm/kV。可根據工作電壓選取絕緣子的表面爬電距離。
(3)通過改變電場結構，合理布置電阻和電極可使絕緣子表面電場更為均勻，以降低絕緣子周圍的合場強。
(4)防露型絕緣子結構簡單，能耗低，可靠性好。對于低低溫電除塵器，可采用防露型支撐瓷套絕緣子、防露型拉棒絕緣子和防露型穿墻套管絕緣子來防止絕緣子結露爬電，濕式電除塵器還可采用防露型支柱絕緣子和防露型防擺絕緣子即絕緣拉棒。
(5)防露型絕緣子已在華能南京電廠#2爐300MW機組低低溫電除塵器改造項目中得到應用驗證，經過絕緣改造后的電場二次電壓明顯升高，效果良好。
參考文獻
[1] Volov E.HVDCgas insulated apparatus: electric field specificity and insulation design concept[J]. IEEE Trans on Electrical Insulation Magazinc, 18(2):7-14.
[2]Nakanishi, Yoshioka A, Arahata Y, et al. Surface ging on epoxy spacer at DC stress incompressed SF6 gas [J]. IEEE Trans on Power Apparatus and system, 1983, PA-102
(12):3919-3927.
[3] Cooke C M. Bulk ging of epoxy insulation underDC stress [C]. IEEE Intem. Sympos. Electr.
Insul,Boston,1980.
[4]Khan Y, Sakai K, Hara M, et al. Motionbehavior and deactivation method of fyee-conduction particle around spacerbetween diverging conducting plates under DC voltage
in atmospheric air[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003,10(3):444-457.
[5] 湯浩，吳廣寧，范建斌，等.直流氣體絕緣輸電線路的絕緣設計[J].電網技術，2008，32(6)：65-70.
[6] 賈江波，陳敏，楊蘭均，等.GIS中絕緣子附近自由導電微粒無害化研究[J].高壓電器，2004，40(5)：370-372.
[7] Billsteinkuhler.電除塵器的絕緣件的設計與選擇[J].電除塵及氣體凈化，1997，3(2)：29-31.
(轉載自《北極星節能環保網》）