郭尹亮，林秀麗，韓佳妍

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院， 遼寧沈陽(yáng)110819)

圓形線—板式電極極板電流密度分布研究

郭尹亮，林秀麗，韓佳妍

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院， 遼寧沈陽(yáng)110819)

電流密度分布是圓形線—板式電除塵器重要的電氣特性之一。為進(jìn)一步弄清圓形線—板式電極極板電流密度的分布規(guī)律，提高該類型電除塵器的除塵效率，有效防止反電暈，文中在異極距(b)為100 mm的條件下，分別測(cè)定了同樣極板面積下1～8根電暈線的總放電電流情況；利用Tassicker邊界探頭(BP)法測(cè)定電暈線束狀放電點(diǎn)正下方的電流密度分布。結(jié)果表明，總電暈電流隨電暈線數(shù)量增加先增大后減小。當(dāng)外加電壓為40～60 kV、電暈線數(shù)量為2根時(shí)總電流值總是最大。單根電暈線束狀放電點(diǎn)正下方的電流密度分布與t分布模型有較好的一致性；雙根電暈線內(nèi)側(cè)電流密度由于電暈線間的放電抑制作用而低于t分布值，雙電暈線外側(cè)電流密度當(dāng)r≥0.4b時(shí)與t分布趨于一致，最大電流密度值出現(xiàn)在外側(cè)0.2b附近。

電除塵器；線—板式電極；伏安特性；電流密度分布；t分布

高電壓放電技術(shù)是環(huán)保工程重要的應(yīng)用技術(shù)[1]，而極板電流密度分布是影響環(huán)保工程重要裝備—電除塵器除塵性能的重要電氣特性[2-5]。得到較大且均勻的電流密度分布，是優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)的重要目標(biāo)之一。Wang等[6]、Amoruso等[7]、Mckinney等[8]、黨小慶等[9]，文遠(yuǎn)高等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了芒刺—板式電極的極板電流密度分布狀態(tài)，研究結(jié)果表明芒刺式電極的極板電流密度分布符合Warberg分布。郭尹亮等[11]利用高斯電通量定理推導(dǎo)出點(diǎn)狀放電的電流密度t分布模型，且證明在一定間距內(nèi)相鄰芒刺間有放電抑制作用。圓形電暈線電極與芒刺電極放電結(jié)構(gòu)不同，在一定電暈線間距下極板電流密度分布會(huì)受到相鄰電暈線放電的抑制。Anagnostopoulos等[12]模擬了線—板式電極的極板電流密度分布狀況，發(fā)現(xiàn)電流密度分布形態(tài)較接近芒刺式電極放電的Warberg分布，但并未進(jìn)一步闡明電暈線間距對(duì)電流密度分布的影響。對(duì)于工業(yè)用線板式電除塵器，在同一電場(chǎng)通道內(nèi)，放電極往往由位于同一平面的多根電暈線組成，電暈線間距通常在可產(chǎn)生相互影響的范圍內(nèi)。Kasdi[13]測(cè)量了3根和5根光滑電暈線電極的電流密度分布，討論了電暈線間距對(duì)放電性能的影響，數(shù)值模擬了線板式電極的電流密度分布，但其結(jié)果較為理想化，未考慮實(shí)驗(yàn)用邊界探頭與束狀放電點(diǎn)的相對(duì)位置問(wèn)題。

為進(jìn)一步闡明相鄰電暈線對(duì)線板式電極接地極板電流密度分布的影響規(guī)律，從而優(yōu)化電除塵器電極結(jié)構(gòu)，以提高除塵性能，本工作著重開展以下研究：①在同一收塵極板面積下分別測(cè)定1～8根電暈線放電的總電流，即伏安特性(V-I特性)，并分析電暈線數(shù)量與總電流大小的關(guān)系；②BP法[14]測(cè)定單電暈線電極束狀放電點(diǎn)(tuft discharge point)正下方附近的電流密度分布，并與電流密度分布的t分布規(guī)律作對(duì)比分析；③測(cè)定雙電暈線電極束狀放電點(diǎn)正下方的電流密度分布，分析相鄰電暈線對(duì)極板電流密度分布的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。接地極板中心開孔處放入置微電流探頭，探頭表面與極板平面平齊并用絕緣材料分隔，如圖2所示。

接地極板和微電流探頭分別通過(guò)毫安表與納安表接地。電暈線采用鋁制極線，其直徑為1.9 mm。接地極板使用5.0 mm厚鋁制極板，尺寸為330.0 mm×290.0 mm。極板中央開孔直徑為5.2 mm，可在水平方向上平移。異極距為100 mm。微電流探頭為直徑5.0 mm的金屬鋁棒。高壓電源采用紋波為1%的600 W負(fù)直流高壓電源。

圖1 電流密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

Fig.1 Experimental setup for current density measurement

圖2 極板與邊界探頭

Fig.2 Assembly diagram of ground plate and probe

2 結(jié)果和討論

2.1 線板式電極的V-I特性

V-I特性測(cè)定從1根電暈線開始，每組實(shí)驗(yàn)加裝一根電暈線，電暈線間距相應(yīng)縮短，電暈線最多為8根。電暈線與接地極板的距離(異極距)為100 mm。電暈線數(shù)量和電暈線間距的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 電暈線數(shù)量與同極距的對(duì)應(yīng)關(guān)系
Tab.1 Relation between the number of corona wires and wire-to-wire spacing

電暈線數(shù)量12345678電暈線間距/mm～1601008060403020

不同電暈線數(shù)量對(duì)應(yīng)的V-I特性曲線如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，在一定極板面積上，給定的電暈線數(shù)量下，總電流均隨電壓增大而增大。圖4反映了電暈線根數(shù)與總電流之間的關(guān)系。圖4表明，在各外加電壓下，總電流隨電暈線數(shù)量的變化趨勢(shì)較為一致，即在同一極板面積上，隨著電暈線數(shù)量的增加，同極距相應(yīng)減小，總電流則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且總在電暈線數(shù)量為2根時(shí)總電流達(dá)到最大值；電暈線數(shù)量為8根時(shí)總電流最小。可見(jiàn)，同極距在100 mm以內(nèi)時(shí)，即電暈線數(shù)量為3～8根時(shí)，各電暈線的電暈放電受到了相鄰電暈線顯著抑制，且同極距越小，抑制作用越顯著。

另外，從V-I特性測(cè)定結(jié)果看，多根電暈線條件下，在同極距為160～60 mm，即電暈線數(shù)量為2～5根時(shí)，各條電暈線的束狀放電仍然較顯著，而在同極距為40～20 mm，即電暈線數(shù)量為6～8根時(shí)均未觀測(cè)到顯著的束狀放電，除最外側(cè)的兩條電暈線外?？梢?jiàn)，束狀放電的激烈程度與電暈電流的大小有較好的一致性。

圖3 線—板式電極伏安特性曲線

Fig.3 V-I characteristics of wire-plate electrode

圖4 不同電暈線數(shù)量下的總電流

Fig.4 Total current of varied number of wires

2.2 電流密度分布

點(diǎn)狀放電條件下的接地極板電流密度分布服從自由度n=4的t分布，如圖5所示[11]。其數(shù)學(xué)模型為：

j(r)/j(0)=[1+(r/b)2]-5/2，

(1)

其中，j(r)為距離芒刺正對(duì)位置為r處的電流密度，j(0)是芒刺正對(duì)位置的電流密度，b為芒刺尖端到極板的距離。

電暈線放電由極線上的若干個(gè)束狀放電構(gòu)成，為方便與點(diǎn)狀放電的t分布理論作對(duì)比分析，將電流密度探頭置于束狀放電點(diǎn)的正下方來(lái)測(cè)定束狀放電點(diǎn)正下方的電流密度分布。

式(1)表明，點(diǎn)狀放電的任一點(diǎn)處的極板電流密度與0點(diǎn)(芒刺正對(duì)極板的位置)電流密度的比值和該點(diǎn)距0點(diǎn)的距離與芒刺尖端到極板的距離的比值r/b有關(guān)。因此，對(duì)電暈線電流密度的實(shí)驗(yàn)曲線縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)仍分別選取j(r)/j(0)和r/b。

圖6為單根電暈線束狀放電點(diǎn)正下方接地極板電流密度分布的情況。圖6顯示，t分布值對(duì)單根電暈線放電束狀放電點(diǎn)正下方的電流密度實(shí)測(cè)值的平均誤差在外加電壓為45 kV和60 kV時(shí)分別為5.1%和4.9%。再結(jié)合實(shí)測(cè)電流密度分布與t分布理論值的趨勢(shì)性分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)t分布模型與單電暈線束狀放電點(diǎn)正下方的電流密度分布有較好一致性。

圖5 點(diǎn)狀放電接地極板電流密度t分布曲線

Fig.5t-distribution curve of current density on the ground plane for point discharge

圖6 單電暈線電流密度分布

Fig.6 Current density of single wire-plate electrode

雙電暈線電流密度分布測(cè)定的橫坐標(biāo)0點(diǎn)依然取在電暈線束狀放電點(diǎn)正下方，起始點(diǎn)為從0點(diǎn)向左S/2的距離(S為電暈線間距)，即測(cè)量的起始點(diǎn)選定在雙電暈線的中間位置。電暈線間距S選擇5個(gè)值，分別為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm和100 mm。各間距下的電流密度分布情況如圖7～圖11所示。

圖7 電暈線間距為20mm時(shí)的電流密度分布

Fig.7 Current density distribution atS=20 mm

圖8 電暈線間距為40 mm時(shí)的電流密度分布

Fig.8 Current density distribution atS=40 mm

圖9 電暈線間距為60 mm時(shí)的電流密度分布

Fig.9 Current density distribution atS=60 mm

圖10 電暈線間距為80 mm時(shí)的電流密度分布

Fig.10 Current density distribution atS=80 mm

圖11 電暈線間距為100 mm時(shí)的電流密度分布Fig.11 Current density distribution at S=100 mm

從圖7～圖11可見(jiàn)，不同電暈線間距下雙電暈線內(nèi)側(cè)電流密度的測(cè)定結(jié)果顯示出相似的規(guī)律性。在電暈線內(nèi)側(cè)，即r/b<0時(shí)，電流分布低于t分布值，且越靠近兩根電暈線中間位置，與t分布的差異越顯著。由此可見(jiàn)，雙電暈側(cè)內(nèi)側(cè)電流密度分布不符合t分布規(guī)律。電暈線內(nèi)側(cè)由于相鄰電暈線的相互抑制作用形成低電流區(qū)。

由以往的研究可知，雙芒刺放電時(shí)，理論上在芒刺中間位置處的電流密度趨近于0，即在該位置無(wú)電流。而從圖7～圖11所示的電流密度分布曲線上看，在雙電暈線的中間位置處，電流均大于0，以45 kV為例，當(dāng)S為100 mm時(shí)達(dá)到t分布值的49.2%，在S降低到20 mm時(shí)則達(dá)到t分布值的76.9%。這與以往對(duì)雙芒刺中間位置處的電流密度測(cè)定結(jié)果一樣，無(wú)法在這一電流密度理論值為0的位置上準(zhǔn)確檢測(cè)出0電流。其主要原因是微電流探頭仍具有一定面積而導(dǎo)致電流密度無(wú)法精確至0位。

在電暈線外側(cè)，雙電暈線放電規(guī)律仍不能完全符合t分布規(guī)律。從各個(gè)間距的電流密度分布圖上看，最大電流密度并未出現(xiàn)在束狀放電點(diǎn)正對(duì)極板的位置，而是在電暈線外側(cè)0.2b附近。這與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的雙電暈線束狀放電方向向外側(cè)偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。在電暈線外側(cè)r≥0.4b時(shí)，電流密度才與t分布規(guī)律趨于一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

在本研究模型的尺度內(nèi)，在同樣的極板面積下電暈線數(shù)量不少于3根時(shí)，由于相鄰電暈線間的放電抑制作用，總電暈電流隨電暈線數(shù)量增加而減小。單電暈線束狀放電點(diǎn)正下方的電流密度分布服從t分布規(guī)律，與芒刺電極接地極板電流密度分布規(guī)律相同。雙電暈線放電，電暈線內(nèi)側(cè)電流密度低于t分布值。在本研究實(shí)驗(yàn)條件下，最大電流密度向電暈線外側(cè)偏轉(zhuǎn)至0.2b附近。當(dāng)r≥0.4b時(shí)，電流密度與t分布值趨于一致。對(duì)于芒刺式放電電極，不論單根還是多根，t分布理論均能夠較好地描述放電點(diǎn)正下方的電流密度分布；但對(duì)于多電暈線式電極結(jié)構(gòu)，t分布理論尚無(wú)法準(zhǔn)確描述束狀放電點(diǎn)下方的電流密度分布情況。對(duì)于多電暈線的情形，還需通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步修正t分布模型。

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(責(zé)任編輯 裴潤(rùn)梅)

Current density distributions for wire-plate electrode

GUO Yin-liang, LIN Xiu-li, HAN Jia-yan

(School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Current density distribution is one of the most important electrical characteristics of wire-plate electrostatic precipitators (ESPs). In order to increase dust removal efficiency and to avert back corona, current density distribution should be investigated. Total corona current of wire-to-plate electrode was measured respectively when the number of discharging wires changes from 1 to 8. The area of ground plate is fixed and the wire-to-plate spacingbis 100 mm. Current density distribution beneath tuft discharge point on the wire was measured using Tassicker boundary probe (BP). Total corona current value first increases and then decreases as the increasing of the number of corona wires. Total current reaches the maximum when the number of wires is 2 and the applied voltage is in the range of 40～60 kV. The experimental results also show that the current density distribution on the plane of single wire to plate electrode followst-distribution model. The current density inside the project of the two wires is less than the value oft-distribution, and approaches to thet-distribution model whenr≥0.4b. The maximum current density emerges whenr=0.2b.

electrostatic precipitator; wire-plate electrode; voltage-current characteristic; current density distribution;t-distribution

2016-08-14；

2016-09-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51204032);國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃(2015BAK16B01)

郭尹亮(1980—)，內(nèi)蒙古赤峰人，東北大學(xué)講師，博士；E-mail：6213720@qq.com。

郭尹亮，林秀麗，韓佳妍.圓形線—板式電極極板電流密度分布研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(6)：1899-1904.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1899

O461; X513

A

1001-7445(2016)06-1899-06