燃氣壁掛爐點火失效原因分析及預防措施

毛錫韶 金國華 賀小林 成偉

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 燃氣壁掛爐發展概況

2018年3月11日第十三屆全國人民代表大會上通過的憲法修正案中明確把“生態文明、和諧美麗”納入新憲法，減少對不可再生資源的使用和依賴，已成為當今社會經濟發展必須要考慮的問題。

近年來，我國對北方城市燃煤鍋爐進行了大量的“煤改氣”工作。實踐證明，“煤改氣”后，城市冬季空氣質量有了大幅度的改善。在“煤改氣”的過程中，由燃氣壁掛鍋爐（以下簡稱“壁掛爐”）組成的獨立分布式采暖系統成為一種較理想的選擇。

壁掛爐的主要優點有：（1）使用壁掛爐，可有效減少集中供暖產生的損失（例如：城市熱網損失、庭院管網損失等），公共設施和后期的維護費用投入低；（2）壁掛爐可同時提供采暖和生活用水，用戶無需再購置生活熱水設備；（3）由壁掛爐組成的獨立采暖系統，對于用戶來說具有極大的靈活性。除采暖周期不再受政府規定的采暖起止時間限制外，用戶還可根據自身的需要調節室內溫度，極大地提高了采暖舒適度。

綜上，隨著北方“煤改氣”工作的持續開展，壁掛爐的推廣和普及將迎來新的發展機遇。

2 點火失效問題及分析

雖然燃氣壁掛爐在國外有50多年的發展歷史，但在國內是近幾年才開始快速發展，技術積累相對薄弱，在使用過程中也漸漸暴露出點火失效等常見的問題，需要在產品設計階段進行全面分析并針對性的采取技術措施。本文重點針對點火失效問題進行分析（備注：非產品本身因素導致的點火失效，如供氣、電網等因素不在分析范圍內）。

3 問題的分析

結合實際應用情況，本文將從理論分析、失效機理和試驗驗證三個方面對點火失效問題進行分析。

3.1 理論分析

燃氣壁掛爐的點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電極之間的電場強度。

此外，外界環境影響，如溫度、濕度、氣壓及空氣質量等因素也會對放電大小產生影響。

假設兩個電極平行排布，即

其中：

ε—介電常數，真空狀態下為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，k=9×109Nm2/C2；

d—極間距離；

π—圓周率。

由點電荷產生的電場公式

尖端放電條件分析：極間電場需達到電離兩極之間的介質（空氣），產生與導體帶電相反的離子并與導體的電荷中和，從而出現放電火花。電極的形狀也會影響尖端放電，在其他因素相同的條件下，導體形狀越尖，尖端效應越明顯。在同一導體上，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，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，產生的電場越強；當環境保持不變的情況下，放電越明顯。

圖1 點火連接示意圖

3.2 影響因素分析

3.2.1 溫度因素的影響分析

當極間發生電離后，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，發生碰撞時產生的熱量越多。所以溫度越高，越容易出現尖端放電現象。

3.2.2 濕度因素的影響分析

影響機理為：當極間發生電離后，產生的自由離子或電子會與空氣中的水分子相結合，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會增多，碰后形成活動能力很差的負離子，碰撞能量減弱，則不易發生放電現象。

但當空氣存在其他比空氣更容易電離的介質時（如空氣受到污染時，空氣中存在其他導電介質，當濕度增大時，介電常數ε比理想空氣增大很多，此時反而更容易發生放電）。

3.2.3 氣壓因素的影響分析

氣壓變低時，氣體分子間距變大，電子或離子的平均自由程度越大，加速時間越長，動能越大，發生碰撞電離就更容易。

綜上分析，兩極之間的電壓越高，放電效應越容易發生，但電壓越高，對線材絕緣等級的要求也越高，因此，一般根據實際應用場合，將電壓控制在12kV≤U≤20kV范圍內。

兩極之間的距離越小，放電效應越顯著，但距離太小，會造成電離的自由離子或電子的行程較短，發生碰撞時產生的能量也較低。

同時，當兩個電極之間距離太近時，放電時產生的能力容易經電極（電極導熱效果明顯好于空氣）傳導作用把產生的熱量傳走，不利于熱聚集，不足以形成高溫團，造成點火失敗，因此，一般根據實際應用場合，將兩個電極放電距離范圍為3mm≤L≤5mm。

連接電極的兩條線相當于電容兩極，通電后存在著大量的正負電荷，由上述理論可知，當距離較近時，兩線之間存在極強的電場，出現放電（電暈）現象，相當于形成通路，加之導線存在電阻特性，造成電極尖端的電壓比輸出電壓低，尖端電荷相對會減少，尖端放電效果較差。

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

表1 項目一對比數據

3.3 機理的分析

（1）電暈機理：電暈放電是極不均勻電場中的一種自持放電現象，在極不均勻電場中，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強就已經很大了，從而在這局部強場中產生強烈的電離，但離電極稍遠處場強已大為減弱，故此電離區域不能擴展到很大，只能在電極的表面產生放電現象。

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

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

（3）如圖1所示，當點火針放電效果受環境因素影響有所下降后，又因脈沖點火器持續輸出的高電壓，將直接在A-B-C回路上存在高壓電勢差且無處釋放，從而形成了持續的高壓電場，在該電場的作用下，空氣中的帶電質點將在電場中“薄弱點”（電離率最高的點/位置），發生一定概率的電離放電現象。

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

3.4 試驗的驗證

3.4.1 驗證項目一

實驗目的：驗證溫度、濕度因素的影響。

采用同一套點火針、脈沖點火器，僅改變溫、濕度，對比數據如表1所示。

結論：點火針的溫、濕度對放電距離有影響，且隨著溫、濕度的增大放電距離也會增大。環境濕度和溫度越低，點火越困難，越容易失效。

3.4.2 驗證項目二

實驗目的：走線方式因素的影響。

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

結論：走線方式對放電有影響，分開走線放電距離大，纏繞走線放電距離小。

3.4.3 驗證項目三

在暗房中將兩根點火針引線纏繞在一起，調大點火針間隙（大于10mm），通電測試發現纏繞點有微弱的藍光，分析為電暈放電現象。

部分競品使用耐壓更高的UL1911線材（15KV），通過取樣威能的UL1911線，通過復測上述實驗一《實驗室驗證——纏繞走線現象》，發現同樣存在高壓電暈放電現象。

綜合以上驗證情況，可以看出：

（1）低溫、低濕環境對點火針最大放電距離有所縮短；

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

（3）電暈現象對放電有影響。

3.4.4 分析小結

（1）北方低溫低濕環境下，空氣導電性下降，點火針的有效放電距離被縮小。

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

上述因素相互疊加，導致壁掛爐出現點火失敗的現象。

4 設計預防建議措施

4.1 走線形式

試驗證明，點火針走線如存在局部纏繞，一定程度上容易產生電暈放電，加上使用環境的溫、濕度對點火針點火效果亦有影響，點火針的兩根引出線要考慮分開走線且引線長度應盡量減少。

4.2 線材選型問題

測試標準問題，針對高壓脈沖下電暈導致的壓降，要有明確的測試指標。

4.3 試驗驗證要充分

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