低低温和湿式电除尘器的绝缘优化设计及应用

目前低低温、湿式电除尘技术已成为燃煤电厂实现烟气“超低排放”的主流技术。低低温、湿式电除尘器的绝缘水平在很大程度是由绝缘子的表面状况，即表面电荷的积聚、带电微粒的运动以及表面覆盖物(酸露和水膜等介质)的影响程度和场强所决定。本文较为深入的研究和探讨了影响高压电场绝缘性能的因素，提出了低低温和湿式电除尘器绝缘性能优化，并介绍了低低温电除尘器绝缘改造实例。引言“节能减排”是目前我国发展经济的一项基本国策，也是“十二五”工作的重中之重。燃煤电厂为了实现煤耗下降8克煤/kW•h的目标，在锅炉烟道设置热交换器，将烟气中的热量置换出来，进行二次利用，以节约能耗。随着燃煤电厂烟气“超低排放”呼声的越演越烈，人们对实现“超低排放”技术的关注度也越来越高。为了实现“超低排放”要求，可利用SO3具有团聚微小粉尘和容易荷电的特性来提高除尘效率，低低温(90℃以下)电除尘器便应运而生。此外，还可采用湿式电除尘技术。目前低低温、湿式电除尘技术已成为燃煤电厂实现烟气“超低排放”的主流技术。在电除尘器中工作的直流绝缘子与交流绝缘子不同，应重点考虑绝缘子表面的沿面放电，即表面爬电问题。根据电除尘器多年的运行经验，其80%的故障是电气故障，电气故障的90%是绝缘故障，而绝缘故障绝大部分原因是绝缘子表面爬电引起的，这是电除尘绝缘子不可避免的核心问题，而低低温电除尘器入口烟气温度在酸露点以下，湿式电除尘器工作在饱和湿烟气环境中，尤其需引起高度重视。1影响直流高压电场绝缘性能的主要因素1.1表面电荷积聚影响绝缘子沿面放电由于在绝缘子的表面存在电场的法向分量，当施加一定时间(数分钟至数天)的直流电压后，绝缘子表面积聚的电荷使原电场发生了畸变，将可能发生沿面放电[1]。图1为日本三菱公司K.Nakanishi,A.Yoshioka[2]等人对中间实心的圆桶形绝缘子模型施加一系列直流电压后，得到的绝缘子表面击穿电压随电荷密度的关系绝缘子长时间处于直流电场中时，其表面电荷的积聚会使沿面放电电压下降。例如，在0.44MPa的SF6气体压力下能承受600kV电压的绝缘子经几小时直流电压作用后，其放电电压降低到300kV[3]。可以看出，绝缘子表面电荷积聚是影响直流绝缘性能的一个重要因素。1.2自由导电微粒影响直流绝缘性能粉尘中导电微粒附着于绝缘子表面时，将直接成为绝缘子的闪络路径，缩短了沿面放电的距离，极大地降低了绝缘子的闪络电压。附着在绝缘子表面的这些导电微粒形状多样，尺寸不一，有几至几十微米的粉末，也有几毫米团粒。试验研究证实，这些导电微粒对绝缘子的闪络电压的影响与颗粒大小、形状以及在绝缘子上的位置有关。位于支撑绝缘子的中间位置时，当微粒由3mm长增加至6mm时，闪络电压下降约25%[4];在绝缘子表面相同的位置上，若微粒长度轴向与同轴电场方向一致，则绝缘水平明显下降;若两者相互垂直，其闪络电压不受影响[5]。当进入电除尘器的烟气温度较高(如以往燃煤电厂的烟气温度一般都控制在120℃以上)，这些导电微粒都呈孤立、分散的状态，通过运动附着于绝缘子表面时，呈随机的杂乱无章分布，则绝缘水平下降不明显;如果烟气温度下降至接近或低于酸露点温度，SO3会冷凝并吸附在绝缘子表面，形成爬电通道。同样，在湿式电除尘器中，如果绝缘子表面被水膜覆盖，也会形成爬电通道。由此可见，当直流电场中的导电物质附着于绝缘子表面时，将成为影响直流电场高压绝缘性能的另一重大因素。2低低温和湿式电除尘器绝缘优化方法2.1合理选择足够的爬电距离低低温和湿式电除尘器绝缘设计的目标是将沿面放电电压提高到纯气体间隙击穿电压的水平，以使绝缘的击穿发生在气体介质中，而不是沿绝缘子表面发生。因此选择足够的爬电距离是必须的。设计绝缘子尺寸时必须注意高压电极对地之间沿绝缘子表面的爬电距离。绝缘子表面状况极为重要，干的表面与附着酸雾的表面，以及覆了水膜的表面大不相同。对有可能污染绝缘子表面的物质(烟尘)，应了解其粉尘比电阻值，作为设计的依据。运行经验表明，在干烟气状态下，当高、中比电阻粉尘时，单位电压(单位为kV)的防爬电距离为0.3英寸～0.4英寸，即7.6mm～10.2mm[7]。按工作电压72kV计，一般燃煤电厂电除尘器用绝缘子的表面爬电距离宜为500mm～700mm。很显然，在干烟气状态下的爬电距离不能满足低低温和湿式电除尘器的要求，尤其对湿烟气状态下的绝缘性能以及爬电距离的选择。为确保绝缘性能，湿烟气状态下绝缘子的表面爬电距离宜取干烟气状态爬电距离的1.5倍～2倍，即单位电压的防爬电距离取15mm/kV～20mm/kV，按工作电压72kV计，一般湿式电除尘器用绝缘子的表面爬电距离宜为1000mm～1400mm，而工作电压较低时，其爬电距离可减小。如果采用防露型绝缘子或对普通绝缘子采取加热保温和热风吹扫等措施，使绝缘子的表面始终保持干燥，则可采用干烟气状态下的表面爬电距离。实践证明，防露型绝缘子可适用于低低温电除尘器、湿式电除尘器以及电除雾器的工况条件。2.2优化电场结构，使场强分布均匀化直流绝缘子电场强度的分布与交流不同，交流绝缘子电场强度按电容分布，而直流绝缘子的电场强度受绝缘子电阻的影响，随着电阻的变化而变化。其中绝缘子表面电场随表面电阻的变化比体积电阻的变化更明显，且这种变化是非线性的。改变电场电阻和电极的分布可使绝缘子表面电场更为均匀，以降低绝缘子周围的合场强。图2和图3是为某燃煤电厂低低温电除尘器设计的绝缘子等效电路和电场场强示意图。改造前总场强E0全部加在支撑瓷套上，支撑瓷套高度600mm，额定电压72kV，每千伏的爬电距离为8.3mm。如果降低烟气温度，使其低于酸露点，在瓷套内壁凝露的话，明显绝缘能力不足。如图3所示，改造时在瓷套的盖板上加了1只穿墙套管，使最大爬电距离达到1050mm。而且总场强E0分别由瓷套承担E1和穿墙承担E2，大大减轻了瓷套的绝缘负担。图中瓷套与穿墙套管同轴布置，瓷套安装在电除尘器顶棚大梁(地电极)上，瓷套的高压端上盖板与穿墙套管的法兰同为等电位组成中间电极，穿过穿墙套管轴芯的阴极吊杆为高压电极。在瓷套内壁与穿墙套管下部外壁之间的电场E套内实际上是由E12和E22组成，E12与E22为同轴电场，且方向相反，即E套内=E22-E12，可见，如此布置瓷套内的场强由于E12和E22相互抵消而减小，使吸附在绝缘子表面的带电微粒失去动力，无法迁移，避免绝缘子表面出现沿面放电。另外，在瓷套下部与阴极吊杆之间的电场中，由于E0的切向分量和E12的电场方向同时指向地电极，使地电极附近的电场得到加强，这样就有可能阻止带电微粒进入瓷套内，从而使绝缘条件得到改善。2.3采用防露型绝缘子2.3.1用于低低温电除尘器的防露型绝缘子对于低低温电除尘器，为防止绝缘子结露爬电，可采用热风吹扫措施和防露型绝缘子两种措施之一。绝缘子内部装有发热体，也称内热式防露型绝缘子。1)防露型支撑瓷套绝缘子防露型支撑瓷套绝缘子的材料为95瓷，内部装有发热体，其结构示意图如图4所示。低低温电除尘器一个供电分区的4个吊点安装4只防露型支撑瓷套绝缘子。防露型支撑瓷套绝缘子可以直接裸露在烟气中，独到的防露效果和紧凑的绝缘结构，可显著提高电除尘器内部高压绝缘的可靠性。防露型绝缘瓷套由上部的圆锥段和下部的圆柱段组成，具有抗压强度高(>2000MPa)、高温绝缘性能好，500℃时体积电阻率仍能保持在4×1010Ω˙cm²/cm、抗热震性的温度范围宽(>700℃)、耐腐蚀、抗衰老等优点。发热体直接安装在防露型绝缘瓷套下部的沟槽内，发热体所发出的热量绝大部分被防露型绝缘瓷套直接吸收，并迅速传递到防露型绝缘瓷套的内、外表面，使其表面保持一定的温度。发热体功率和电压：1200W、220V。在常温环境中，当接通电源3小时后，瓷套的内壁温度可达并保持在120℃±30℃。如果在80℃～90℃的热烟气中，瓷套的内壁温度可达并保持在150℃以上。当潮湿的烟气中的水分或酸露还未接触到瓷套，便被其表面散发出来的热量所蒸发，使其表面始终保持干燥的绝缘环境。2)防露型拉棒绝缘子防露型拉棒绝缘子由外部的防露型绝缘拉棒和内部的发热体组成，其结构示意图如图5所示。可直接裸露在烟气中。具有抗拉伸强度高(额定拉伸负荷100kN)，高温绝缘性能好，抗热震性的温度范围宽(>700℃)，耐腐蚀，抗衰老等优点。发热体直接安装在防露型绝缘拉棒内部的沟槽内，发热体所发出的热量绝大部分被防露型绝缘拉棒直接吸收，并迅速传递到绝缘拉棒的内、外表面，使其表面保持一定的温度。发热体功率和电压：250W、36V。接通电源3小时后，防露型绝缘拉棒内发热体的升温效果及作用与防露型绝缘瓷套的发热体相同。防露型拉棒绝缘子可用于悬吊总重为10吨的阴极框架，低低温电除尘器一个供电分区的4个吊点的绝缘分别安装3只防露型绝缘拉棒和1只防露型支撑瓷套绝缘子，其安装如图6所示。防露型拉棒绝缘子也可用于阴极框架侧部的防摆支撑。2.3.2用于湿式电除尘器的防露型绝缘子对于湿式电除尘器，可采用防露型支撑瓷套绝缘子和防露型拉棒绝缘子来防止绝缘子结露爬电，但其结构和安装方式与低低温电除尘器略有差异。另外，还可采用防露型支柱绝缘子和防露型防摆绝缘子。1)防露型支柱绝缘子防露型支柱绝缘子由外部的绝缘支柱和内部的发热体组成，可直接裸露在烟气中。具有抗压强度高、高温绝缘性能好、抗热震性的温度范围宽(>700℃)、耐腐蚀、抗衰老等优点。发热体直接安装在绝缘支柱底部的沟槽内，发热体所发出的热量绝大部分被绝缘支柱直接吸收，并迅速传递到绝缘支柱的内、外表面，使其表面保持一定的温度。发热体功率和电压：250W～300W、36V。接通电源3小时后，防露型绝缘支柱发热体的升温效果及作用与低低温电除尘器防露型绝缘瓷套的发热体相同。防露型支柱绝缘子一般采用2只一组，安装在电除尘器的顶部抬着阴极吊杆，也可从阴极框架的侧部伸出悬臂梁，将4只防露型支柱安装在电除尘器本体两侧外的框架上，抬着阴极框架。防露型支柱绝缘子安装示意图如图7所示，其局部放大图如图8所示。为了更好地防湿，防露型支柱绝缘子的外表面设计成下掠式伞裙(翅)，如图9所示。伞翅下方45°虚线范围内的表面为雨淋遮蔽面，设计时其展开长度不应小于绝缘子干状态的爬电距离。2)防露型防摆绝缘子湿式电除尘器的阴极框架全部被喷淋水笼罩，防摆绝缘子又是水平安装，防湿尤为重要。防摆绝缘子安装如图10所示。绝缘子室外应加装防水罩，以防喷淋水直接喷洒在绝缘子表面。湿式电除尘器所用的绝缘子金属附件应全部采用防腐不锈钢，以延长使用寿命。3优化绝缘结构在低低温电除尘器改造中的实际应用3.1改造华能南京电厂#2炉300MW机组经低低温电除尘器改造后，电除尘入口烟气温度在露点以下。由于烟气温度的下降，电除尘器内的绝缘子表面出现凝露，导致表面爬电，绝缘失效，为保证安全运行，瓷瓶加热将连续投用，会面临如下问题：一是单纯连续投用加热器能否有效避免爬电现象的发生，还有待于运行的实践检验;二是电耗大，瓷瓶加热方式采用电加热，总功率150kW，如果连续投用，功耗很大;三是瓷瓶修理费用势必增加(电加热器和瓷瓶连续投用容易损坏，需要更换);四是机组在线运行，更换损坏瓷瓶和加热器既不安全，也不方便。因此有必要对瓷瓶绝缘水平进行提升改造。因电除尘器后面温度更低，为更好检验实际效果，选取其中的一个供电分区进行绝缘改造，并作为试验电场。电除尘器每个电场阴极框架除了通过4个瓷瓶来悬吊并实现绝缘，还要对阴极振打轴进行绝缘，四、五电场还在阴极框架的下部安装了防摆绝缘子。因此，此次试验除了对电除尘器悬吊方式进行改造外，还应对转轴绝缘子和防摆绝缘子同步进行改进。改造方案如下：(1)在原普通工业电瓷绝缘及支撑的基础上，每只工业电瓷套管加装防露型穿墙套管，使绝缘子的总爬电距离达1000mm，用增加爬电距离方法来避免和解决瓷瓶内壁爬电问题。具体改造步骤为：1)安装施工前应测量阴阳极框架间相互位置和空间距离，并做好;2)用提升工具钩住阴极框架的大梁，旋紧螺母，将阴极框架提升1~5mm;3)拆除原上盖板，将加长短接与阴极吊杆旋紧，并用电焊烧牢。注意烧电焊时，必须对绝缘瓷套做好防护，焊渣、火花等不得飞溅到瓷表面，以免对绝缘瓷套造成损伤;4)然后按顺序将上盖板、石棉密封垫、穿墙套管、缓冲垫、压盖和螺帽等零部件安装;5)旋紧大螺帽后，将提升工具拆除。最后通过大螺帽调整阴极框架的高度，将阴极框架恢复原状。阴极吊杆的顶端与绝缘子室顶盖的空间高度必须大于200mm;6)最后接入高压电源。将焊接在压盖上的接线端子接上高压电源线排,电源接头必须接触良好，可用螺栓并牢压紧，也可用电焊焊接。但如果用电焊焊接时，同样应注意保护好瓷绝缘子。改造后的结构图如图11所示。(2)将振打旋转轴绝缘子换成大爬距绝缘子，爬电距离增加到1000mm以上。(3)将阴极框架下部绝缘板的8根金属夹持臂换成95瓷绝缘臂，使下部防摆绝缘子的爬电距离也增加到1000mm以上。3.2效果改造工作于2014年10初完成，经过绝缘改造后的电场的二次电压明显升高，与相邻的电场比较，其运行电压也较高，说明该电场绝缘良好。经过半年来实际运行，证实改造效果良好。由此可见，这种绝缘结构完全能够胜任在低低温电除尘器的湿烟气环境下工作。甚至不必投运电加热器，绝缘子也能维持正常运行，节能效果显著。据估算，对于300MW机组的电除尘器来讲，每年可节约电能110万度。4结论本文较为深入的研究和探讨了影响高压电场绝缘性能的因素，提出了低低温和湿式电除尘器绝缘性能优化方法，并介绍了低低温电除尘器绝缘改造实例。主要结论为：(1)低低温、湿式电除尘器的绝缘水平在很大程度是由绝缘子的表面状况，即表面电荷的积聚、带电微粒的运动以及表面覆盖物(酸露和水膜等介质)的影响程度和场强所决定。(2)为确保低低温和湿式电除尘器的绝缘性能，需加大绝缘子的爬电距离，湿烟气状态下绝缘子的表面爬电距离宜取干烟气状态爬电距离的1.5倍～2倍，即单位电压的防爬电距离取15mm/kV～20mm/kV。可根据工作电压选取绝缘子的表面爬电距离。(3)通过改变电场结构，合理布置电阻和电极可使绝缘子表面电场更为均匀，以降低绝缘子周围的合场强。(4)防露型绝缘子结构简单，能耗低，可靠性好。对于低低温电除尘器，可采用防露型支撑瓷套绝缘子、防露型拉棒绝缘子和防露型穿墙套管绝缘子来防止绝缘子结露爬电，湿式电除尘器还可采用防露型支柱绝缘子和防露型防摆绝缘子即绝缘拉棒。(5)防露型绝缘子已在华能南京电厂#2炉300MW机组低低温电除尘器改造项目中得到应用验证，经过绝缘改造后的电场二次电压明显升高，效果良好。参考文献[1]VolovE.HVDCgasinsulatedapparatus:electricfieldspecificityandinsulationdesignconcept[J].IEEETransonElectricalInsulationMagazinc,18(2):7-14.[2]Nakanishi,YoshiokaA,ArahataY,etal.SurfacegingonepoxyspaceratDCstressincompressedSF6gas[J].IEEETransonPowerApparatusandsystem,1983,PA-102(12):3919-3927.[3]CookeCM.BulkgingofepoxyinsulationunderDCstress[C].IEEEIntem.Sympos.Electr.Insul,Boston,1980.[4]KhanY,SakaiK,HaraM,etal.Motionbehavioranddeactivationmethodoffyee-conductionparticlearoundspacerbetweendivergingconductingplatesunderDCvoltageinatmosphericair[J].IEEETransonDielectricsandElectricalInsulation,2003,10(3):444-457.[5]汤浩，吴广宁，范建斌，等.直流气体绝缘输电线路的绝缘设计[J].电网技术，2008，32(6)：65-70.[6]贾江波，陈敏，杨兰均，等.GIS中绝缘子附近自由导电微粒无害化研究[J].高压电器，2004，40(5)：370-372.[7]Billsteinkuhler.电除尘器的绝缘件的设计与选择[J].电除尘及气体净化，1997，3(2)：29-31.