燃?xì)獗趻鞝t點(diǎn)火失效原因分析及預(yù)防措施

毛錫韶 金國(guó)華 賀小林 成偉

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 燃?xì)獗趻鞝t發(fā)展概況

2018年3月11日第十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)上通過的憲法修正案中明確把“生態(tài)文明、和諧美麗”納入新憲法，減少對(duì)不可再生資源的使用和依賴，已成為當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須要考慮的問題。

近年來，我國(guó)對(duì)北方城市燃煤鍋爐進(jìn)行了大量的“煤改氣”工作。實(shí)踐證明，“煤改氣”后，城市冬季空氣質(zhì)量有了大幅度的改善。在“煤改氣”的過程中，由燃?xì)獗趻戾仩t（以下簡(jiǎn)稱“壁掛爐”）組成的獨(dú)立分布式采暖系統(tǒng)成為一種較理想的選擇。

壁掛爐的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）使用壁掛爐，可有效減少集中供暖產(chǎn)生的損失（例如：城市熱網(wǎng)損失、庭院管網(wǎng)損失等），公共設(shè)施和后期的維護(hù)費(fèi)用投入低；（2）壁掛爐可同時(shí)提供采暖和生活用水，用戶無需再購(gòu)置生活熱水設(shè)備；（3）由壁掛爐組成的獨(dú)立采暖系統(tǒng)，對(duì)于用戶來說具有極大的靈活性。除采暖周期不再受政府規(guī)定的采暖起止時(shí)間限制外，用戶還可根據(jù)自身的需要調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，極大地提高了采暖舒適度。

綜上，隨著北方“煤改氣”工作的持續(xù)開展，壁掛爐的推廣和普及將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。

2 點(diǎn)火失效問題及分析

雖然燃?xì)獗趻鞝t在國(guó)外有50多年的發(fā)展歷史，但在國(guó)內(nèi)是近幾年才開始快速發(fā)展，技術(shù)積累相對(duì)薄弱，在使用過程中也漸漸暴露出點(diǎn)火失效等常見的問題，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行全面分析并針對(duì)性的采取技術(shù)措施。本文重點(diǎn)針對(duì)點(diǎn)火失效問題進(jìn)行分析（備注：非產(chǎn)品本身因素導(dǎo)致的點(diǎn)火失效，如供氣、電網(wǎng)等因素不在分析范圍內(nèi)）。

3 問題的分析

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，本文將從理論分析、失效機(jī)理和試驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面對(duì)點(diǎn)火失效問題進(jìn)行分析。

3.1 理論分析

燃?xì)獗趻鞝t的點(diǎn)火原理與避雷針的尖端放電原理類似，放電大小主要取決于單位面積的電荷量和兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度。

此外，外界環(huán)境影響，如溫度、濕度、氣壓及空氣質(zhì)量等因素也會(huì)對(duì)放電大小產(chǎn)生影響。

假設(shè)兩個(gè)電極平行排布，即

其中：

ε—介電常數(shù)，真空狀態(tài)下為1，空氣比真空稍微大一些，可以等效為1；

S—為極間面積；

k—靜電常數(shù)，k=9×109Nm2/C2；

d—極間距離；

π—圓周率。

由點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)公式

尖端放電條件分析：極間電場(chǎng)需達(dá)到電離兩極之間的介質(zhì)（空氣），產(chǎn)生與導(dǎo)體帶電相反的離子并與導(dǎo)體的電荷中和，從而出現(xiàn)放電火花。電極的形狀也會(huì)影響尖端放電，在其他因素相同的條件下，導(dǎo)體形狀越尖，尖端效應(yīng)越明顯。在同一導(dǎo)體上，與曲率小的部位相比，曲率大的部位就是尖端。由Q=Sσ=4πr2.σ，其中σ為電荷分布密度，在單位面積內(nèi)，曲率越大（即尖端越尖），尖端聚集的電荷越多，在距離不變的情況下，產(chǎn)生的電場(chǎng)越強(qiáng)；當(dāng)環(huán)境保持不變的情況下，放電越明顯。

圖1 點(diǎn)火連接示意圖

3.2 影響因素分析

3.2.1 溫度因素的影響分析

當(dāng)極間發(fā)生電離后，自由離子（或電子）的速度與溫度成正比，溫度越高，速度越快，攜帶的能量越高，發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的熱量越多。所以溫度越高，越容易出現(xiàn)尖端放電現(xiàn)象。

3.2.2 濕度因素的影響分析

影響機(jī)理為：當(dāng)極間發(fā)生電離后，產(chǎn)生的自由離子或電子會(huì)與空氣中的水分子相結(jié)合，濕度高說明空氣中水分子增多，自由離子或電子與水分子的碰撞機(jī)會(huì)增多，碰后形成活動(dòng)能力很差的負(fù)離子，碰撞能量減弱，則不易發(fā)生放電現(xiàn)象。

但當(dāng)空氣存在其他比空氣更容易電離的介質(zhì)時(shí)（如空氣受到污染時(shí)，空氣中存在其他導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)濕度增大時(shí)，介電常數(shù)ε比理想空氣增大很多，此時(shí)反而更容易發(fā)生放電）。

3.2.3 氣壓因素的影響分析

氣壓變低時(shí)，氣體分子間距變大，電子或離子的平均自由程度越大，加速時(shí)間越長(zhǎng)，動(dòng)能越大，發(fā)生碰撞電離就更容易。

綜上分析，兩極之間的電壓越高，放電效應(yīng)越容易發(fā)生，但電壓越高，對(duì)線材絕緣等級(jí)的要求也越高，因此，一般根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，將電壓控制在12kV≤U≤20kV范圍內(nèi)。

兩極之間的距離越小，放電效應(yīng)越顯著，但距離太小，會(huì)造成電離的自由離子或電子的行程較短，發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量也較低。

同時(shí)，當(dāng)兩個(gè)電極之間距離太近時(shí)，放電時(shí)產(chǎn)生的能力容易經(jīng)電極（電極導(dǎo)熱效果明顯好于空氣）傳導(dǎo)作用把產(chǎn)生的熱量傳走，不利于熱聚集，不足以形成高溫團(tuán)，造成點(diǎn)火失敗，因此，一般根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，將兩個(gè)電極放電距離范圍為3mm≤L≤5mm。

連接電極的兩條線相當(dāng)于電容兩極，通電后存在著大量的正負(fù)電荷，由上述理論可知，當(dāng)距離較近時(shí)，兩線之間存在極強(qiáng)的電場(chǎng)，出現(xiàn)放電（電暈）現(xiàn)象，相當(dāng)于形成通路，加之導(dǎo)線存在電阻特性，造成電極尖端的電壓比輸出電壓低，尖端電荷相對(duì)會(huì)減少，尖端放電效果較差。

因此，理論上線材絕緣等級(jí)越高越好，線與線之間距離越遠(yuǎn)越好，但考慮實(shí)際布線要求及成本要求，目前行業(yè)線材主要以UL3573（10KV）線材為主。

表1 項(xiàng)目一對(duì)比數(shù)據(jù)

3.3 機(jī)理的分析

（1）電暈機(jī)理：電暈放電是極不均勻電場(chǎng)中的一種自持放電現(xiàn)象，在極不均勻電場(chǎng)中，氣體間隙還沒有擊穿之前，電極曲率較大的附近的空間的局部的場(chǎng)強(qiáng)就已經(jīng)很大了，從而在這局部強(qiáng)場(chǎng)中產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離，但離電極稍遠(yuǎn)處場(chǎng)強(qiáng)已大為減弱，故此電離區(qū)域不能擴(kuò)展到很大，只能在電極的表面產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

電暈的放電強(qiáng)度取決于加在電極之間的電壓大小、電極的形狀、極間距離、氣體的性質(zhì)和密度。

（2）脈沖點(diǎn)火器通過升壓線圈、電容充放電回路，使額定輸出電壓不低于12kV，屬高壓脈沖電場(chǎng)發(fā)生器，點(diǎn)火針間隙一般控制在3～5mm，但空氣溫、濕度的變化，將直接影響點(diǎn)火針的放電效果（溫、濕度越低、空氣導(dǎo)電性能越差，同樣間隙下點(diǎn)火成功率越低）。

（3）如圖1所示，當(dāng)點(diǎn)火針放電效果受環(huán)境因素影響有所下降后，又因脈沖點(diǎn)火器持續(xù)輸出的高電壓，將直接在A-B-C回路上存在高壓電勢(shì)差且無處釋放，從而形成了持續(xù)的高壓電場(chǎng)，在該電場(chǎng)的作用下，空氣中的帶電質(zhì)點(diǎn)將在電場(chǎng)中“薄弱點(diǎn)”（電離率最高的點(diǎn)/位置），發(fā)生一定概率的電離放電現(xiàn)象。

（4）脈沖點(diǎn)火器A因插接端口間相隔較遠(yuǎn)，空氣被電離的概率較小。點(diǎn)火針C如上述第（2）點(diǎn)分析，產(chǎn)生電離的概率也較小。相比之下引出線間的B，是出現(xiàn)電暈的高概率點(diǎn)，且隨著線材絕緣性能一致性有所波動(dòng)時(shí)，加上引線間發(fā)生纏繞之后，隨著引線曲率的加大，因而局部空氣電離的現(xiàn)象更加顯著。

3.4 試驗(yàn)的驗(yàn)證

3.4.1 驗(yàn)證項(xiàng)目一

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證溫度、濕度因素的影響。

采用同一套點(diǎn)火針、脈沖點(diǎn)火器，僅改變溫、濕度，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

結(jié)論：點(diǎn)火針的溫、濕度對(duì)放電距離有影響，且隨著溫、濕度的增大放電距離也會(huì)增大。環(huán)境濕度和溫度越低，點(diǎn)火越困難，越容易失效。

3.4.2 驗(yàn)證項(xiàng)目二

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鹤呔€方式因素的影響。

兩根點(diǎn)火針分開測(cè)試最高放電電壓為15.4kV；將兩根點(diǎn)火線纏繞在一起測(cè)試最高電壓為12.2kV，衰減率為20.78%；引線無纏繞的點(diǎn)火針針頭放電距離為14mm，引線纏繞點(diǎn)火針放電距離為12mm。

結(jié)論：走線方式對(duì)放電有影響，分開走線放電距離大，纏繞走線放電距離小。

3.4.3 驗(yàn)證項(xiàng)目三

在暗房中將兩根點(diǎn)火針引線纏繞在一起，調(diào)大點(diǎn)火針間隙（大于10mm），通電測(cè)試發(fā)現(xiàn)纏繞點(diǎn)有微弱的藍(lán)光，分析為電暈放電現(xiàn)象。

部分競(jìng)品使用耐壓更高的UL1911線材（15KV），通過取樣威能的UL1911線，通過復(fù)測(cè)上述實(shí)驗(yàn)一《實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證——纏繞走線現(xiàn)象》，發(fā)現(xiàn)同樣存在高壓電暈放電現(xiàn)象。

綜合以上驗(yàn)證情況，可以看出：

（1）低溫、低濕環(huán)境對(duì)點(diǎn)火針最大放電距離有所縮短；

（2）點(diǎn)火針引線分開、纏繞走線，最高放電電壓有差異，分開走線放電距離大，纏繞走線放電距離??；

（3）電暈現(xiàn)象對(duì)放電有影響。

3.4.4 分析小結(jié)

（1）北方低溫低濕環(huán)境下，空氣導(dǎo)電性下降，點(diǎn)火針的有效放電距離被縮小。

（2）點(diǎn)火針走線存在局部纏繞，加之引線較長(zhǎng)，一定程度上也更容易產(chǎn)生電暈放電，導(dǎo)致放電針位置壓降過大。

上述因素相互疊加，導(dǎo)致壁掛爐出現(xiàn)點(diǎn)火失敗的現(xiàn)象。

4 設(shè)計(jì)預(yù)防建議措施

4.1 走線形式

試驗(yàn)證明，點(diǎn)火針走線如存在局部纏繞，一定程度上容易產(chǎn)生電暈放電，加上使用環(huán)境的溫、濕度對(duì)點(diǎn)火針點(diǎn)火效果亦有影響，點(diǎn)火針的兩根引出線要考慮分開走線且引線長(zhǎng)度應(yīng)盡量減少。

4.2 線材選型問題

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)問題，針對(duì)高壓脈沖下電暈導(dǎo)致的壓降，要有明確的測(cè)試指標(biāo)。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證要充分

要充分考慮壁掛爐的使用環(huán)境和條件（如：低溫、干燥等），驗(yàn)證在不同工況和條件下的長(zhǎng)期可靠性。