蒋川
网能菱重（北京）综合能源工程技术服务有限公司 北京 100052
摘要:本文介绍了电极式锅炉的分类和基本原理以及现阶段国内范围的制热、蓄热应用情况，结合实际工程分析介绍了不同类型的电极式锅炉供配电系统的设计方案，为其他工程的电制（蓄）热系统电气配套设计提供可参考的案例。
关键词:电极式锅炉 电能替代 10kV供电 供配电系统 中压接地系统
1、引言
自1905年欧洲第一台电极式锅炉问世以来，电极式锅炉以其优良的性能迅速在区域能源领域超越常规电热锅炉的市场占比。电极式锅炉较常规电热锅炉而言有着诸多优点，是电能替代设备推广的趋势。但因其单台设备用电负荷较大，设备用电负荷在3MW~70MW之间，因此对于设备供配电系统的设计亦与常规电热锅炉差别很大。本文将通过实际工程介绍电极式锅炉的供配电系统设计方案。
2、电热锅炉简介
常规电热锅炉通常以常压水箱作为蓄热体，此类设备占地面积大、系统热效率较低，后续改进的承压蓄热一体化锅炉虽能有效减小设备占地面积，但其单台设备不能适用大于100m3的蓄热体积，大大限制了其在区域能源领域的应用推广。
电极式锅炉是利用三相电流流过设定电导率的炉水释放大量热能从而生产可加以控制和利用的热水的一种锅炉，其主体结构中包含了高电阻绝缘的压力容器及三相电极。电极锅炉的基本结构形式见图1。在锅炉运行时，通过升降电极移动保护装置调节电极与炉水接触的面积从而实现功率自0%~100%的无极调节。在节能领域，电极锅炉可结合大型蓄能设备，在低谷电价时段把蓄能装置内的介质加温，在高电价时使用，既可以节省运行费用，亦可以起到平衡电网负荷的作用。
.jpg)
与常规电热锅炉相比，电极锅炉有着启动速度快、系统简单、占地面积小、运行效率高及节能效果良好等优点。其与常规电热锅炉性能对比详见表1。
.jpg)
根据水流与电极的接触方式不同，电极锅炉主要有浸入式和喷射式两种结构形式。浸入式电极锅炉是指连接电源的电极直接浸没在锅炉的炉水中进行加热。
炉水与锅炉外壁采用内外筒绝缘隔离的方式，连接内筒和外筒的材料为不导电的玻璃纤维材料，内外筒之间的良好绝缘性能可有效避免锅炉金属外筒体带电。喷射式电极锅炉是将炉水直接喷射到电极上进行加热，因此电极与锅炉金属筒体是“相对隔离”的，金属筒体不需要绝缘。浸入式锅炉拥有系统简单可靠、产生蒸汽质量高及维护要求较低等优点，在电极锅炉市场占比相对较高。而喷射式锅炉因其加热原理带来的安全性等原因，在行业内一直饱受争议，此项技术目前只在北美地区独立发展，在欧洲已被禁止，在国内亦较少采用。
3、工程概况
本工程为天津地区某大型园区能源站项目，园区主要功能为办公及部分生产厂房，项目供热总面积约18.1万m2，能源站主体为单层建筑，局部二层设置办公区域，总建筑面积约为2000m2。制热系统采用电蓄热方式，按照谷电时段蓄热，平峰电时段蓄热供暖配置。能源站内设置浸入式电极锅炉4台，每台锅炉用电负荷8MW，配套一次、二次热水循环泵各4台与锅炉对应，另配置真空脱气机1台。室外空地设置有效容积为3180m3的蓄热水罐2台作为蓄热装置。制热系统用电设备明细详见表2。
.jpg)
4、电压等级选择
电极式锅炉的加热原理是使用电将水直接加热，因水的电阻较低，此类设备的供电电压一般采用中压，电压等级在6~20kV之间选择。相同的锅炉，加热电压不一样，其功率也不相同，加热功率与电压的平方成正比。对于较大容量的锅炉，应选择供电电压较高的电压等级，否则锅炉尺寸及占地面积会很大，影响总体的系统配置。
根据锅炉的技术参数要求，本工程8MW电极式锅炉采用的供电电压等级为10kV，其他配套泵组及配套设备电源采用0.4kV低压供电。
5、负荷等级
在《锅炉房设计标准》GB50041-2020第15.2.1规定：锅炉房的供电负荷级别和供电方式应根据工艺要求、锅炉容量、热负荷的重要性和环境特征等因素，按现行国家标准《供配电系统设计规范》GB50052 的有关规定确定。而《电能替代设备接入电网技术条件 第2部分：电锅炉》（以下简称《电锅炉规范》）DL/T2034.2-2019第4.4.2条规定：a）对于仅由电锅炉设备供热的应用场合，宜按2级以上负荷配电，其中的辅机设备也宜采用2级负荷供电；b）如果除电锅炉设备供热之外，还有其他备用供热热源的应用场合，可按3级负荷配电，但锅炉辅机等设备宜按2级以上负荷配电。本工程所在的园区采用的是以电锅炉制热为单一热源供热方式，按照上述依据，将电极锅炉及其配套泵组的负荷等级确定为二级负荷。
6、供电电源
对于电极式锅炉供电电源接入方式的确定，应按照其负荷容量及与电网接地系统是否匹配两方面进行考量。
就负荷容量而言，因我国各地区的城市电网存在一定差异性，国家标准《城市电力规划规范》GBT50293 及《城市配电网规划设计规范》GB50613并未对不同电压等级的供电线路所带负载的能力作出明确要求。而国家电网颁布的《2016年国家电网公司业扩供电方案编制导则》中规定（如表3所示），在城市市政电源含有35kV电压等级的情况下，单路10kV电源供电，其最大带负载容量不宜超过10MVA。若单台电极锅炉的用电负荷超过此限定值，则需与供电部门协商或配置专用变压器自更高电压等级电源接入。
.jpg)
表3 2016年国家电网公司业扩供电方案编制导则 供电电压等级确定（节选）
本工程4台8MW电极锅炉及其配套泵组设备供电采用4路10kV电源接入，其中3路电源为3台电极锅炉直接供电，每路电源带负荷8MVA；1路电源为1台电极锅炉及1台10/0.4kV，800kVA变压器供电，此路电源带负荷8.8MVA。
就与电网接地系统是否匹配而言，需按照电极锅炉的具体型式分别考虑。电极式锅炉分为浸入式和喷射式两种，根据电极锅炉的工作原理及技术参数，两种锅炉的等效接线形式均为Y0型，浸入式锅炉以内筒壁作为中性点，中性点不接地，因其三相完全平衡，对于供电电源并无特殊要求，但需考虑锅炉的保护接地。而喷射式锅炉，由于是将炉水喷射到电极上进行加热，其三相负载不平衡度较大，因此只有中性点直接接地一种接地形式，对于中性点不接地的电源系统，需为其配置专设变压器供电。
我国35kV以下电网早期一直采用中性点不接地的形式，但由于城市电网的不断发展，近几十年内，本项目所在的地区已逐渐改造为中性点经小电阻接地的形式，对于此种接地系统的，本工程选用的浸入式锅炉可以直接接入电网。
其他锅炉配套泵组由800kVA变压器低压供电，在本文内不再在赘述此部分。
7、供配电系统
1）主接线
《电锅炉规范》DL/T2034.2-2019第4.2条规定：采用10kV供电的锅炉，宜采用专用回路供电。因此，本工程8MW电极式锅炉由上级变配电站引入10kV电源直接供电。因电极锅炉为纯阻性负载，cos≈1，无谐波并且因锅炉具备无极能量调节功能，其启动时冲击电流很小，在进行配电设计时无需配置补偿、滤波及降压启动装置。只需按照供电部门要求配置隔离、进线、计量及馈线单元并在锅炉附近加设就地隔离装置即可。单台8MW锅炉设备主接线图详见图2：
.jpg)
2）保护电器
锅炉配电设备的过电流保护电器规格确定应保证其额定电流不小于锅炉的实际额定电流440A，其短路分断能力不小于锅炉的三相预期短路电流17.3kA。因此本工程锅炉配电设备的进线、馈线开关均选择中压真空断路器VD4/P 12.12.25。断路器额定电压12kV，额定电流1250A，短路分断能力25kA，满足使用要求。
10kV继电保护采用REF综合继保，实现三相三段定时限过流保护及电流速断保护，进线增加零序保护及失压保护，并根据浸入式电极锅炉特点在馈线设置三相不平衡保护。
3）导体
电极锅炉配电导体的类型通常采用电缆或管型母线。10kV铜芯电缆的持续载流量在1000A以下，适用于单台负荷较小的电极锅炉。管型母线的持续载流量范围在1000A~12000A之间，可适用于几十兆瓦的大型电极锅炉，但管型母线因敷设方式及造价的影响，其敷设距离不宜过长，可用于自建筑物内配电装置至末端锅炉的配电导体，不宜作为较远距离室外送电，因此在进行大型电极锅炉配电设计时，宜考虑将专设变压器设置于锅炉房附近位置。
.jpg)
《电锅炉规范》DL/T2034.2-2019第4.6条规定：a）小于等于8MW的电锅炉设备接入电网时，室外部分可采用架空或埋地方式敷设。因此，本工程室外供电导体选择铠装铜芯交联电缆，埋地敷设。导体截面选择主要按照导体载流量条件确定。导体的载流量是指导体在某一特定的环境和敷设条件下，其稳定工作温度不超过其绝缘允许最高持续工作温度的最大负载电流。在某一确定的敷设方式下，导体截面对应的载流量不应小于线路的实际运行电流值。基于此要求，本工程8MW锅炉进线电缆选择YJV22-8.7/15kV-3x400m2，电缆采用埋地敷设，按照土壤热阻系数2.0考虑，其持续载流量487A。满足导体载流量要求。
8、接地及电击防护
依据电极锅炉的工作原理，其等效接线形式为Y0型。对于喷射式锅炉，其接地形式只有中性点直接接地一种。而浸入式锅炉因其三相完全平衡，中性点不接地，但其金属外筒体需做可靠的保护接地。
在本文第5节供电电源中曾提及，因项目当地电网普遍采用中性点经小电阻接地的接地形式，其小电阻接地阻值为10Ω。本工程选用的浸入式锅炉接入小电阻接地系统示意如图5。
.jpg)
由图5可以看出，若锅炉发生单相接地故障，因电源侧为经小电阻接地系统，故障电流经、和小电阻R返回电源从而形成通路，电流值可以达到数百安培，这使得保护电器将以毫秒级快速动作以切断电源。但锅炉外壳的保护性接地与低压设备共用锅炉房建筑接地极，这就使高压设备单相接地故障所产生的故障电压将沿PE线传导至低压设备外壳。
若10/0.4kV变压器低压侧为TN系统，因系统内包含相线、中性线和PE线在内的回路导体以及装置外露可导电部分的电位同时升高，其设备及线路的绝缘不会出线损坏，但须设置等电位联结以避免人身电击事故。若低压侧为TT系统，则这一故障电压很有可能超过低压电气设备绝缘允许承受的过电压1200V（详见表4）。为避免过电压对低压设备造成绝缘损坏，应从限制故障电流及尽量减小接地电阻两方面考虑。项目当地供电部门将10kV经小电阻接地系统的接地故障电流限制在600A以下，在此条件下，锅炉房的接地电阻阻应按照≤1200/600=2Ω考虑。而TT系统的电击防护宜设置RCD作为故障防护。
综上所述，本工程锅炉房内设置总等电位联结，以降低人身电击事故的风险。另外锅炉可配置玻璃隔断作为防护物，与自动切断电源共同组成基本防护和故障防护的适当组合。锅炉配套低压设备根据接地系统及预期接触电压设置故障防护措施或增设辅助等电位联结等附加防护。
9、结语
电极式锅炉作为中压大容量设备，其配套的供配电工程技术与常规用电设备有很较不同。在进行供配电设计时应着重关注如下问题：
（1）锅炉设备的负荷等级应按照是否为单一热源供能划分为二级负荷或三级负荷，但锅炉配套泵组均宜按照二级负荷确定；
（2）电源的接入方式应按照电极锅炉的形式、电源的接地形式、电压等级及负荷等级等因素依据国家及电力行业规范综合确定；
（3）导体的选择应按照锅炉的容量、导体敷设方式及敷设距离等因素确定；
（4）若采用低压配电锅炉配套设备与电极锅炉配电设备共用接地装置，在进行接地电阻计算时，还应考虑暂态过电压对于低压设备的影响,并设置等电位联结。
设计人员在进行供配电设计时应与工艺工程师、上级电力部门及锅炉专业厂家充分沟通，按照项目的具体情况确定可靠、安全的供配电方案。本文依据实际工程介绍了电极式锅炉供配电系统的大致方案，为设计人员提供可参考的案例。
参考文献
[1] 刘书农，董锐.电极式热水锅炉直接接入市政电网的可行性探讨 [J].智能建筑电气技术.2012,06:94-97.
[2] 王振声，胥正祥，吴生庭.10kV电缆线路短路电流计算及应用 [J].智能建筑电气技术.2007,03:88-92.
[3] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册 第四版 [M].北京：中国电力出版社,2016
[4] 国家能源局.电能替代设备接入电网技术条件 第1部分：通则. DL/T2034.1-2019 [S].北京：中国电力出版社,2019.
[5] 国家能源局.电能替代设备接入电网技术条件 第2部分：电锅炉. DL/T2034.2-2019