圆形线—板式电极极板电流密度分布研究

郭尹亮，林秀丽，韩佳妍

(东北大学资源与土木工程学院， 辽宁沈阳110819)

圆形线—板式电极极板电流密度分布研究

郭尹亮，林秀丽，韩佳妍

(东北大学资源与土木工程学院， 辽宁沈阳110819)

电流密度分布是圆形线—板式电除尘器重要的电气特性之一。为进一步弄清圆形线—板式电极极板电流密度的分布规律，提高该类型电除尘器的除尘效率，有效防止反电晕，文中在异极距(b)为100 mm的条件下，分别测定了同样极板面积下1～8根电晕线的总放电电流情况；利用Tassicker边界探头(BP)法测定电晕线束状放电点正下方的电流密度分布。结果表明，总电晕电流随电晕线数量增加先增大后减小。当外加电压为40～60 kV、电晕线数量为2根时总电流值总是最大。单根电晕线束状放电点正下方的电流密度分布与t分布模型有较好的一致性；双根电晕线内侧电流密度由于电晕线间的放电抑制作用而低于t分布值，双电晕线外侧电流密度当r≥0.4b时与t分布趋于一致，最大电流密度值出现在外侧0.2b附近。

电除尘器；线—板式电极；伏安特性；电流密度分布；t分布

高电压放电技术是环保工程重要的应用技术[1]，而极板电流密度分布是影响环保工程重要装备—电除尘器除尘性能的重要电气特性[2-5]。得到较大且均匀的电流密度分布，是优化电极结构的重要目标之一。Wang等[6]、Amoruso等[7]、Mckinney等[8]、党小庆等[9]，文远高等[10]通过实验分析了芒刺—板式电极的极板电流密度分布状态，研究结果表明芒刺式电极的极板电流密度分布符合Warberg分布。郭尹亮等[11]利用高斯电通量定理推导出点状放电的电流密度t分布模型，且证明在一定间距内相邻芒刺间有放电抑制作用。圆形电晕线电极与芒刺电极放电结构不同，在一定电晕线间距下极板电流密度分布会受到相邻电晕线放电的抑制。Anagnostopoulos等[12]模拟了线—板式电极的极板电流密度分布状况，发现电流密度分布形态较接近芒刺式电极放电的Warberg分布，但并未进一步阐明电晕线间距对电流密度分布的影响。对于工业用线板式电除尘器，在同一电场通道内，放电极往往由位于同一平面的多根电晕线组成，电晕线间距通常在可产生相互影响的范围内。Kasdi[13]测量了3根和5根光滑电晕线电极的电流密度分布，讨论了电晕线间距对放电性能的影响，数值模拟了线板式电极的电流密度分布，但其结果较为理想化，未考虑实验用边界探头与束状放电点的相对位置问题。

为进一步阐明相邻电晕线对线板式电极接地极板电流密度分布的影响规律，从而优化电除尘器电极结构，以提高除尘性能，本工作着重开展以下研究：①在同一收尘极板面积下分别测定1～8根电晕线放电的总电流，即伏安特性(V-I特性)，并分析电晕线数量与总电流大小的关系；②BP法[14]测定单电晕线电极束状放电点(tuft discharge point)正下方附近的电流密度分布，并与电流密度分布的t分布规律作对比分析；③测定双电晕线电极束状放电点正下方的电流密度分布，分析相邻电晕线对极板电流密度分布的影响规律。

1 实验装置

实验装置如图1所示。接地极板中心开孔处放入置微电流探头，探头表面与极板平面平齐并用绝缘材料分隔，如图2所示。

接地极板和微电流探头分别通过毫安表与纳安表接地。电晕线采用铝制极线，其直径为1.9 mm。接地极板使用5.0 mm厚铝制极板，尺寸为330.0 mm×290.0 mm。极板中央开孔直径为5.2 mm，可在水平方向上平移。异极距为100 mm。微电流探头为直径5.0 mm的金属铝棒。高压电源采用纹波为1%的600 W负直流高压电源。

图1 电流密度测量实验装置示意图

Fig.1 Experimental setup for current density measurement

图2 极板与边界探头

Fig.2 Assembly diagram of ground plate and probe

2 结果和讨论

2.1 线板式电极的V-I特性

V-I特性测定从1根电晕线开始，每组实验加装一根电晕线，电晕线间距相应缩短，电晕线最多为8根。电晕线与接地极板的距离(异极距)为100 mm。电晕线数量和电晕线间距的对应关系见表1。

表1 电晕线数量与同极距的对应关系
Tab.1 Relation between the number of corona wires and wire-to-wire spacing

电晕线数量12345678电晕线间距/mm～1601008060403020

不同电晕线数量对应的V-I特性曲线如图3所示。由图3可见，在一定极板面积上，给定的电晕线数量下，总电流均随电压增大而增大。图4反映了电晕线根数与总电流之间的关系。图4表明，在各外加电压下，总电流随电晕线数量的变化趋势较为一致，即在同一极板面积上，随着电晕线数量的增加，同极距相应减小，总电流则呈现先增大后减小的趋势，且总在电晕线数量为2根时总电流达到最大值；电晕线数量为8根时总电流最小。可见，同极距在100 mm以内时，即电晕线数量为3～8根时，各电晕线的电晕放电受到了相邻电晕线显著抑制，且同极距越小，抑制作用越显著。

另外，从V-I特性测定结果看，多根电晕线条件下，在同极距为160～60 mm，即电晕线数量为2～5根时，各条电晕线的束状放电仍然较显著，而在同极距为40～20 mm，即电晕线数量为6～8根时均未观测到显著的束状放电，除最外侧的两条电晕线外。可见，束状放电的激烈程度与电晕电流的大小有较好的一致性。

图3 线—板式电极伏安特性曲线

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

图4 不同电晕线数量下的总电流

Fig.4 Total current of varied number of wires

2.2 电流密度分布

点状放电条件下的接地极板电流密度分布服从自由度n=4的t分布，如图5所示[11]。其数学模型为：

j(r)/j(0)=[1+(r/b)2]-5/2，

(1)

其中，j(r)为距离芒刺正对位置为r处的电流密度，j(0)是芒刺正对位置的电流密度，b为芒刺尖端到极板的距离。

电晕线放电由极线上的若干个束状放电构成，为方便与点状放电的t分布理论作对比分析，将电流密度探头置于束状放电点的正下方来测定束状放电点正下方的电流密度分布。

式(1)表明，点状放电的任一点处的极板电流密度与0点(芒刺正对极板的位置)电流密度的比值和该点距0点的距离与芒刺尖端到极板的距离的比值r/b有关。因此，对电晕线电流密度的实验曲线纵坐标与横坐标仍分别选取j(r)/j(0)和r/b。

图6为单根电晕线束状放电点正下方接地极板电流密度分布的情况。图6显示，t分布值对单根电晕线放电束状放电点正下方的电流密度实测值的平均误差在外加电压为45 kV和60 kV时分别为5.1%和4.9%。再结合实测电流密度分布与t分布理论值的趋势性分布规律，发现t分布模型与单电晕线束状放电点正下方的电流密度分布有较好一致性。

图5 点状放电接地极板电流密度t分布曲线

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

图6 单电晕线电流密度分布

Fig.6 Current density of single wire-plate electrode

双电晕线电流密度分布测定的横坐标0点依然取在电晕线束状放电点正下方，起始点为从0点向左S/2的距离(S为电晕线间距)，即测量的起始点选定在双电晕线的中间位置。电晕线间距S选择5个值，分别为20 mm、40 mm、60 mm、80 mm和100 mm。各间距下的电流密度分布情况如图7～图11所示。

图7 电晕线间距为20mm时的电流密度分布

Fig.7 Current density distribution atS=20 mm

图8 电晕线间距为40 mm时的电流密度分布

Fig.8 Current density distribution atS=40 mm

图9 电晕线间距为60 mm时的电流密度分布

Fig.9 Current density distribution atS=60 mm

图10 电晕线间距为80 mm时的电流密度分布

Fig.10 Current density distribution atS=80 mm

图11 电晕线间距为100 mm时的电流密度分布Fig.11 Current density distribution at S=100 mm

从图7～图11可见，不同电晕线间距下双电晕线内侧电流密度的测定结果显示出相似的规律性。在电晕线内侧，即r/b<0时，电流分布低于t分布值，且越靠近两根电晕线中间位置，与t分布的差异越显著。由此可见，双电晕侧内侧电流密度分布不符合t分布规律。电晕线内侧由于相邻电晕线的相互抑制作用形成低电流区。

由以往的研究可知，双芒刺放电时，理论上在芒刺中间位置处的电流密度趋近于0，即在该位置无电流。而从图7～图11所示的电流密度分布曲线上看，在双电晕线的中间位置处，电流均大于0，以45 kV为例，当S为100 mm时达到t分布值的49.2%，在S降低到20 mm时则达到t分布值的76.9%。这与以往对双芒刺中间位置处的电流密度测定结果一样，无法在这一电流密度理论值为0的位置上准确检测出0电流。其主要原因是微电流探头仍具有一定面积而导致电流密度无法精确至0位。

在电晕线外侧，双电晕线放电规律仍不能完全符合t分布规律。从各个间距的电流密度分布图上看，最大电流密度并未出现在束状放电点正对极板的位置，而是在电晕线外侧0.2b附近。这与实验观测到的双电晕线束状放电方向向外侧偏转的实验现象相吻合。在电晕线外侧r≥0.4b时，电流密度才与t分布规律趋于一致。

3 结 语

在本研究模型的尺度内，在同样的极板面积下电晕线数量不少于3根时，由于相邻电晕线间的放电抑制作用，总电晕电流随电晕线数量增加而减小。单电晕线束状放电点正下方的电流密度分布服从t分布规律，与芒刺电极接地极板电流密度分布规律相同。双电晕线放电，电晕线内侧电流密度低于t分布值。在本研究实验条件下，最大电流密度向电晕线外侧偏转至0.2b附近。当r≥0.4b时，电流密度与t分布值趋于一致。对于芒刺式放电电极，不论单根还是多根，t分布理论均能够较好地描述放电点正下方的电流密度分布；但对于多电晕线式电极结构，t分布理论尚无法准确描述束状放电点下方的电流密度分布情况。对于多电晕线的情形，还需通过理论及实验研究进一步修正t分布模型。

[1] 赵会良, 罗承沐, 覃穆，等.电除尘中的高压供电技术[J]. 高电压技术, 1996, 22(1): 66-69.

[2] JEDRUSIK M, SWIERCZOK A.The correlation between corona current distribution and collection of fine particles in a laboratory-scale electrostatic precipitator[J]. J Electrostat，2013, 71(3): 199-203.

[3] LI Z H, SHAO C, XU Z H, et al.Experimental study of electric field characteristics for barbed electrodes in wire-plate electrostatic precipitator[J]. Control Engineering of China, 2015, 22(2): 213-221.

[4] 郭尹亮, 向晓东, 盖龄童.芒刺电除尘器板电流密度分布及芒刺间距优化[J]. 高电压技术, 2010, 36(4): 1021-1025.

[5] JAWOREK A, KRUPA A, CZECH T. Modern electrostatic devices and methods for exhaust gas cleaning: A brief review[J]. J Electrostat, 2007, 65(3): 133-155.

[6] WANG X, CHANG J C, XU C Y, et al. Electrical characteristics of electrostatic precipitator with a wet membrane-based collecting electrode[J]. J Electrostat, 2016, 80(4): 85-94.

[7] AMORUSO V, LATTARULO F.Am improved graphical method to explain some Warburg law deficiencies[J]. J Electrostat, 2001,51: 307-312.

[8] MCKINNEY P J, DAVIDSON J H, LEONE D M.Current distributions for brabed plate-to-plane coronas[J]. IEEE Trans Ind Appl, 1991,28(6): 1424-1431.

[9] 党小庆, 杨春方, 王迪,等.电除尘器收尘极板表面电流密度分布实验研究[J]. 重型机械，2005，51(2)：71-75.

[10]文远高, 符永正.电除尘器常用极线与735C形板配置时板面电流密度分布的研究[J]. 工业安全与环保, 1997, 23(3): 7-10.

[11]郭尹亮, 向晓东, 陈宝智.芒刺—板式电除尘器收尘极板电流密度分布规律研究[J]. 安全与环境学报, 2008, 8(6), 53-55.

[12]ANAGNOSTOPOULOS J, BERGELES G. Corona discharge simulation in wire-duct electrostatic precipitator[J]. J Electrostat, 2002, 54(2): 129-147.

[13]KASDI A.Computation and measurement of corona current density and V-I characteristics in wires-to-plates electrostatic precipitator[J]. J Electrostat, 2016, 81: 1-8.

[14]TASSICKER O J.Bounday probe for measurement of current density and electric field strength with special reference to ionized gases[J]. Proc IEE, 1974, 121(3):213.

(责任编辑 裴润梅)

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

国家自然科学基金资助项目 (51204032);国家“十二五”科技支撑计划(2015BAK16B01)

郭尹亮(1980—)，内蒙古赤峰人，东北大学讲师，博士；E-mail：6213720@qq.com。

郭尹亮，林秀丽，韩佳妍.圆形线—板式电极极板电流密度分布研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(6)：1899-1904.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1899

O461; X513

A

1001-7445(2016)06-1899-06