CN201352880Y - 电弧等离子体发生器的阳极以及电弧等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电弧等离子体发生器的阳极以及电弧等离子体发生器，其中，所述等离子体发生器为多级进气式电弧等离子体发生器，该等离子体发生器包括阴极和阳极，所述阳极包括至少两个部分，其特征在于：任意相邻的两个阳极部分之间导电连接。本实用新型在保证等离子电弧稳定性不受影响的前提下，能够提高等离子体发生器的功率。

Description

电弧等离子体发生器的阳极以及电弧等离子体发生器

技术领域

本实用新型涉及等离子体发生器技术领域，尤其涉及一种电弧等离子体发生器的阳极以及电弧等离子体发生器。

背景技术

当前电站锅炉采用等离子体发生器点燃煤粉，实现无油或少油启动的点火技术已经推广。国内燃煤火力发电厂新建30万千瓦以上的机组80％都配置了等离子点火系统。但现有等离子体发生器输出功率有限，受等离子射流形貌与焓值的限制，在对无烟煤、贫煤以及劣质煤等低挥发性煤种和水分含量较大的褐煤进行点火时，仍存在一定的困难。迫切需要能够输出更高功率的等离子体发生器作为点火源来解决这些难着火煤种的点火问题。

提高等离子体发生器功率的主要途径有：提高输入电流值和提高等离子电弧输出电压两种。然而，等离子电弧的电流值过高时不仅对电缆的电气设备要求苛刻，增加造价，而且由于增多了单位时间内流向阴极的重粒子数量，撞击阴极材料使其发热、挥发、溅射，会发生严重烧损，大大缩短了等离子阴极和阳极的寿命。因此，实际应用中多倾向于通过提高等离子体发生器的输出电压来提高等离子发生器的输出功率。

目前应用于煤粉锅炉等离子点火系统的电弧等离子体发生器中，应用最多的电弧等离子体发生器为阳极单级进气形式。若想提高其输出电压，只能在改进阳极结构的基础上，增大载体风量，将落于阳极的弧根推远，通过拉长电弧的方法增大其电压。但是，由于电弧的长度取决于阳极内气体层流的长度，单级进气阳极只有一个喉口，层流长度较短，而多级进气方式通过多级喉口的压缩，多级进气的补充，能将层流长度拉长，因此，此方法作用有限，功率提高的很少，而且风量过大时，还会影响发生器内的风场及等离子电弧的稳定性，造成断弧或者起弧困难等问题。

要改变电弧的长度，通常采用的是转弧技术，这种等离子体发生器的多个阳极依次绝缘连接，发生器工作时，首先启动阴极和第一阳极之间产生电弧，然后通过第一阳极和阴极的电路回路，在断开阴极和第一阳极之间电路的同时合上阴极和第二阳极之间的电路的方法，使阳极弧根从第一阳极转到第二阳极上；依次方法，还可以将阳极弧根转移到第三阳极、第四阳极...等，通过这种强行转移电弧的手段拉长了电弧，提高了电弧等离子体发生器的电压，从而提高了电弧等离子体发生器的功率，由于此类等离子体发生器在工作过程中，涉及到各个开关的切换，工作过程比较复杂。由于这种发生器的阳极绝缘连接，结构相对复杂、故障点多，而且操作复杂。转弧过程极不稳定，容易烧损阳极之间连接的绝缘件。而且往往要多次操作才能成功，影响设备可靠性。

参见图1，为现有技术中阳极间绝缘的双阳极等离子体发生器结构示意图，该等离子体发生器包括阴极101、第一阳极102、绝缘风环103、冷却水通道104以及第二阳极105。

现有技术的双阳极等离子体发生器的工作原理是：绝缘风环103将第一阳极102和第二阳极105绝缘，冷却水通道104冷却第一阳极102和第二阳极105；启动双阳极等离子体发生器时，先使第一阳极102与电源的正极接通。高频起弧后，在靠近阴极101的第一阳极之间形成电弧，且高温等离子射流流过第二阳极105。断开第一阳极102和电源的连接，在这一瞬间由于高温等离子没有完全复合，在第二阳极105和阴极101之间存在导电通路，电弧被强制拉到较远的第二阳极105上，完成转弧，获得具有更高压降的长电弧。

现有技术的双阳极等离子体发生器虽然能通过两级进气的方法改善发生器内的风场，拉长等离子电弧，提高等离子体的功率，但由于这种发生器的阳极绝缘连接，结构相对复杂、故障点多，而且操作复杂。启动双阳极等离子体发生器时，先使第一阳极与电源的正极接通。高频起弧后，在靠近阴极的第一阳极之间形成电弧，且高温等离子射流流过第二阳极。断开第一阳极和电源的连接，在这一瞬间由于高温等离子没有完全复合，在第二阳极和阴极之间存在导电通路。电弧被强制拉到较远的第二阳极上，完成转弧，获得具有更高压降的长电弧。转弧过程极不稳定，容易烧损阳极之间连接的绝缘件。而且往往要多次操作才能成功，影响设备可靠性。发生器工作时，双弧现象(即同时在阴极与两级阳极之间各存在等离子电弧)时有发生，烧损各级阳极之间的绝缘材料，影响设备安全。

实用新型内容

本实用新型目的在于保证等离子电弧稳定性不受影响的前提下，提供一种输出较大功率的电弧等离子体发生器的阳极以及电弧等离子体发生器。

为此，本实用新型实施例采用如下技术方案：

一种电弧等离子体发生器的阳极，所述等离子体发生器为多级进气式电弧等离子体发生器，该等离子体发生器包括阴极和阳极，所述阳极包括至少两个部分，其中，任意相邻的两个阳极部分之间导电连接。

其中，距离所述阴极最远的阳极部分包含有渐缩渐扩喉口、渐缩喉口、渐缩喉口和渐扩喉口，或者，直段部件。

其中，任意相邻的两个阳极部分之间设置有导流孔，导流孔为切向孔或使气流速度方向同时具有切向和轴向矢量的孔。

其中，导流孔均匀分布在阳极上或者均匀分布在一个风环上。

其中，相邻的两个阳极部分之间端面连接并充分接触，在接触处，距离阴极较远的阳极部分的直径较另一个阳极部分的直径大，使接触处形成导流槽，将所述导流孔导入的介质气体有序地导入到所述等离子体发生器。

其中，所述导流槽与阳极内腔形成通道，将导流孔导出的气流沿着阳极内腔贴壁螺旋式前进并将电弧弧根输送到距离所述阴极最远的阳极部分中。

一种电弧等离子体发生器，所述等离子体发生器为多级进气式电弧等离子体发生器，该等离子体发生器包括阴极和阳极，所述阳极包括至少两个部分，其中，任意相邻的两个阳极部分之间导电连接。

其中，距离所述阴极最远的阳极部分包含有渐缩渐扩喉口、渐缩喉口、渐缩喉口和渐扩喉口，或者，直段部件。

其中，任意相邻的两个阳极部分之间设置有导流孔，导流孔为切向孔或使气流速度方向同时具有切向和轴向矢量的孔。

其中，导流孔均匀分布在阳极上或者均匀分布在一个风环上。

其中，相邻的两个阳极部分之间端面连接并充分接触，在接触处，距离阴极较远的阳极部分的直径较另一个阳极部分的直径大，使接触处形成导流槽，将所述导流孔导入的介质气体有序地导入到所述等离子体发生器。

其中，所述导流槽与阳极内腔形成通道，将导流孔导出的气流沿着阳极内腔贴壁螺旋式前进并将电弧弧根输送到距离所述阴极最远的阳极部分中。

其中，所述阴极和其最近的阳极部分之间设置有绝缘风环。

其中，所述等离子体发生器为热阴极式电弧等离子体发生器，其中，阴极和距离其最近的阳极部分之间的风环的导流孔为切向孔，或使气流速度方向同时具有切向和轴向矢量的孔。

其中，所述等离子体发生器为冷阴极式电弧等离子体发生器，其中，阴极和距离其最近的阳极部分之间的风环的导流孔为切向孔。

对于上述技术方案的技术效果分析如下：

采用上述方案后，由于各个阳极部分之间导电连接，由此避免了由于各阳极部分绝缘连接造成的故障点多而导致电弧稳定性受影响的问题。本实用新型多级进气等离子体发生器工作时，当阳极的第一部分与阴极之间的气体被高压电流击穿形成回路时，产生电弧。电弧在从阴极附近供入的第一级进气的拉力作用下，向距离阴极较远的下一阳极部分运动。此时，第二级进气切向供入，保证电弧弧根不落在下一级电弧通道上，依次类推将被电弧逐级拉长至最后级阳极上。通过拉长电弧提高了等离子发生器的电压。由于多级进气经过切向供入，组织了良好的风场，且总风量大大增加，使阴阳极实际放电位置之间的距离变大，拉长了电弧的长度，提高了发生器的输出电压，在输入电流为定值的情况下，提高了等离子体发生器功率。

附图说明

图1为现有技术双阳极等离子体发生器的结构示意图；

图2为本实用新型二级进气等离子体发生器的阳极的第一种结构示意图；

图3为本实用新型二级进气等离子体发生器的阳极的第二种结构示意图；

图4为本实用新型二级进气等离子体发生器的阳极的第三种结构示意图；

图5为本实用新型二级进气等离子体发生器的阳极的第四种结构示意图；

图6为本实用新型三级进气等离子体发生器的阳极的结构示意图；

图7为两级进气热阴极式电弧等离子体发生器结构示意图；

图7b为图7中风环702剖面图；

图8为两级进气冷阴极式电弧等离子体发生器结构示意图；

图8b为图8中风环802剖面图。

具体实施方式

本实用新型公开的多级进气式阳极，主要通过内部的结构设计，有序地组织了各路气流，通过后一级的气体的能量补充，使气体的层流状态进一步的延续，使得电弧的阳极弧根只能在最后部分阳极落下气流组织。

参见图2、图3、图4以及图5，分别是本实用新型所涉及的二级进气阳极几种结构示意图。图2中离阴极最远的阳极最后一部分含有渐缩渐扩喉口；图3中离阴极最远的阳极最后一部分只含有渐缩喉口；图4中离阴极最远的阳极最后一部分含有渐缩喉口和渐扩喉口，两个喉口之间有一个直段；图5中离阴极最远的阳极最后一部分不含渐缩渐扩的喉口，仅包括一个直段部件。

包含上述图2、图3、图4以及图5中阳极的等离子体发生器，包括阴极和阳极两部分。其中，阳极部分包括离阴极最近的阳极第一部分201(301、401、501)、阳极间导流孔202(302、402、502)、阳极第二部分203(303、403、503)、用于对阳极进行密封的阳极密封套204(304、404、504)、阳极第一部分冷却水道205(305、405、505)、阳极第二部分冷却水道206(306、406、506)，以及导流槽207(307、407、507)。

其中：任意相邻的两个阳极部分之间设置有导流孔202(302、402、502)，导流孔为切向孔或使气流速度方向同时具有切向和轴向矢量的孔，并且，导流孔均匀分布在阳极上或者均匀分布在一个风环上。

相邻的两个阳极部分之间端面连接并充分接触，在接触处，距离阴极较远的阳极部分的直径较另一个阳极部分的直径大，使接触处形成导流槽207(307、407、507)，将导流孔202(302、402、502)导入的介质气体有序地导入到等离子体发生器。其中，导流槽207(307、407、507)由喉口和下一级电弧通道构成，其作用是介质气体有序地导入发生器，使阳极内气流形成旋流，充分冷却阳极内壁，使电弧弧根最终落入最后一级阳极。

可见，导流槽207(307、407、507)与阳极内腔形成通道，将导流孔202(302、402、502)导出的气流沿着阳极内腔贴壁螺旋式前进并将电弧弧根输送到距离所述阴极最远的阳极部分中。

其中，每个阳极部分都有水冷回路，使各级阳极能充分冷却，保证各级阳极的寿命。

等离子体发生器工作时，一级进气从阳极第一部分201(301、401、501)进入，二级进气从阳极间导流孔202(302、402、502)供入，经过导流槽207(307、407、507)的导流作用，由于各级进气相互配合，组织了良好的风场，电弧阳极弧根落在阳极第二部分203(303、403、503)上，拉长了电弧的长度，提高了发生器的输出电压，在输入电流为定值的情况下，提高了等离子体发生器的功率。

上述图2、图3、图4和图5是以二级进气的阳极为例说明的，可以联想到，多极进气阳极结构与其类似，参见图6，为三级进气阳极结构示意图。具有该阳极结构的等离子体发生器包括：阳极第一部分601、阳极第二部分602、阳极第三部分603，并且包括阳极密封套604，以及阳极第一部分冷却水道605、二级导流孔606、阳极第二部分冷却水道607、三级导流孔608、二级压缩喉口609、阳极第三部分冷却水道610、三级压缩喉口611、二级导流槽612和三级导流槽613。其工作原理以及有益效果与图2、图3、图4和图5所示的类似，不再赘述。

为了对本实用新型有更清楚的理解，下面对等离子体发生器两个具体实例进行介绍，一个是热阴极式等离子体发生器，另一个是冷阴极式等离子体发生器。

实施例一：

如图7为由两级进气的阳极所构成的热阴极式电弧等离子体发生器的结构示意图。

其中，701是端面发射状的阴极，702是风环，703是一级进气经过风环702之后形成的螺旋运动的气流，704是阳极第一部分，705是二级进气从导流孔708经过导流槽709后形成的螺旋运动的气流，706是阳极第二部分，707是电弧的运动轨迹，708是导流孔，709是导流槽。

参见图7b为图7中风环702沿A面剖面图，其中，风环702采用绝缘材料，以避免阴极701和阳极第一部分704的短路，风环702中的导流孔可以为切向孔，或者导流孔能使气流速度方向同时具有切向矢量和轴向矢量。

其中：任意相邻的两个阳极部分之间设置有导流孔708，导流孔为切向孔或使气流速度方向同时具有切向和轴向矢量的孔，并且，导流孔均匀分布在阳极上或者均匀分布在一个风环上。

阳极第一部分704和阳极第二部分706端面连接，并充分接触。接触处，阳极第二部分706的直径比阳极第一部分704的直径大，使接触处形成导流通道导流槽709，将导流孔708导入的二级进气有序地导入到等离子体发生器中。

可见，导流槽709与阳极内腔形成通道，将导流孔708导出的气流沿着阳极内腔贴壁螺旋式前进并将电弧弧根输送到距离所述阴极最远的阳极部分中。

当一级进气通过风环702时，在风环702中导流孔的作用下，气流在阳极第一部分704内形成贴壁的切向螺旋运动，当气流运动到阳极第二部分706后，由于突扩部分的作用，气流旋转作用减弱；当二级进气从导流孔708经过阳极第二部分706上的导流槽709时，在导流槽709的作用下，二级气流在阳极第二部分706内形成贴壁的切向螺旋运动，当气流运动到阳极第二部分706的突扩部分时，气流减弱。当一级进气运动到阳极第二部分706时，与二级进气相互作用。由于阳极第二部分706电弧通道直径较大，两路气体相互作用后，二级气流将包裹着一级气流一起向前作螺旋运动。

因此，当阴极701和阳极(阳极第一部分704和阳极第二部分706构成)之间有电弧通过时，电弧在一级旋流运动的气流的作用下，被固定在阳极第一部分704的中心轴线上；当电弧运动到阳极第二部分706位置时，如果没有二级进气的作用，由于气流由层流状态逐渐转为紊流状态，电弧的阳极弧根将落在阳极第一部分704端面附近。在二级进气的作用下，阳极第二部分706沿壁层气体被加速，电弧在运动气流的作用下，有效地伸长了电弧的长度，增加了电弧的电压，从而提高了电弧等离子体发生器的功率。

对于图7b中风环702安装在发生器中的剖面图，此风环702为切向风环。气流经过切向风环后，形成螺旋前进的切向螺旋气流，切向螺旋气流所形成的中心负压不仅将电弧固定在阳极的中心轴线上，而且在阳极内部上形成一层冷空气保护膜，有效地避免了阳极受电弧辐射热和电弧弧根的损伤。

实施例二：

如图8为由两级进气的阳极所构成的冷阴极式电弧等离子体发生器的结构示意图。

其中，801是管式阴极，802是风环，803是一级进气经过风环802后形成的螺旋运动的气流，804是阳极第一部分，805是二级进气从导流孔810经过导流槽811后形成的螺旋运动的气流，806是阳极第二部分，807是电弧的运动轨迹，808是阴极进气，809是阴极进气风环，810是导流孔，811是导流槽。

图8b是图8中风环802的剖面图，此风环802为切向风环。其中，风环802采用绝缘材料，避免阴极801和阳极第一部分804短路，风环802中的导流孔为切向孔。

阳极第一部分804和阳极第二部分806端面连接，并充分接触，接触处，阳极第二部分806的直径比阳极第一部分804的直径大，使接触处形成一个导流通道导流槽811，将导流孔810导入的二级进气有序地导入到等离子体发生器中。

可见，导流槽811与阳极内腔形成通道，将导流孔810导出的气流沿着阳极内腔贴壁螺旋式前进并将电弧弧根输送到距离所述阴极最远的阳极部分中。

当一级进气通过切向风环802时，在风环802中导流孔的作用下，气流在阳极第一部分804内形成贴壁的切向螺旋运动，当气流运动到阳极第二部分806后，由于突扩部分的作用，气流旋转作用减弱；当二级进气通过阳极第二部分806上的导流槽811时，在导流槽811的作用下，二级气流在阳极第二部分806内形成贴壁的切向螺旋运动，当气流运动到阳极第二部分806时，与二级进气相互作用。由于阳极第二部分806电弧通道直径较大，两路气体相互作用后，二级气流将包裹这一级气流一起向前作螺旋运动。

阴极进气从阴极进气环809中导入，经过阴极进气环809后，气流变成螺旋前进的气流，与一级进气在阴极801通道内相遇，相遇点即为电弧阴极弧根运动的地方。当阴极气流和一级气气压发生有规律变化时，阴极弧根的位置也随着发生变化。阴极弧根将在管式阴极801的内壁上来回规则运动，管式阴极801寿命变长。

因此，当阴极801和阳极(由阳极第一部分804和阳极第二部分806构成)之间有电弧通过时，阴极弧根的位置和运动由阴极进气和一级进气的条件所决决定；在阳极中，电弧在一级旋流运动的气流的作用下，被固定在阳极第一部分804的中心轴线上；当电弧运动到阳极第二部分806位置时，如果没有二级进气的作用，由于气流由层流状态逐渐转为紊乱状态，电弧的阳极弧根将落在阳极第一部分804端面附近。在二级进气的作用下，阳极第二部分806沿壁层气体被加速，电弧在运动气流的作用下，在阳极第二部分806上形成电弧斑点，即电弧通过两级气流的作用下，有效地拉长了电弧的长度，增加了电弧的电压，从而提高了电弧等离子体发生器的功率。

从以上介绍可知，本申请提供的阳极各部分之间是导电连接的。以图2为例所示，阳极第一部分201与阳极第二部分203是阳极的两个部分，由导电材料制成，它们之间直接紧靠在一起，连接部分没有经过绝缘材料的过渡，两者是导电的。而在现有技术中，参见图1，102与105均为阳极部分，由导电材料制成，但是两者之间有绝缘材料103，102和105就是绝缘连接。阳极部分之间绝缘连接会导致故障点多等问题，从而影响电弧稳定性，而本实用新型提供的方案中由于各阳极部分之间是导电连接的，因此就避免了此问题，提高了电弧稳定性。

另外，需要说明的是，本实用新型提供的电弧等离子体发生器的阳极以及电弧等离子体发生器不单可应用于电力领域，只要在需要大功率等离子体发生器的领域都可以应用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1、一种电弧等离子体发生器的阳极，所述等离子体发生器为多级进气式电弧等离子体发生器，该等离子体发生器包括阴极和阳极，所述阳极包括至少两个部分，其特征在于，任意相邻的两个阳极部分之间导电连接。

2、根据权利要求1所述的电弧等离子体发生器的阳极，其特征在于，距离所述阴极最远的阳极部分包含有渐缩渐扩喉口、渐缩喉口、渐缩喉口和渐扩喉口，或者，直段部件。

3、根据权利要求1或2所述的电弧等离子体发生器的阳极，其特征在于，任意相邻的两个阳极部分之间设置有导流孔，导流孔为切向孔或使气流速度方向同时具有切向和轴向矢量的孔。

4、根据权利要求3所述的电弧等离子体发生器的阳极，其特征在于，导流孔均匀分布在阳极上或者均匀分布在一个风环上。

5、根据权利要求3所述的电弧等离子体发生器的阳极，其特征在于，相邻的两个阳极部分之间端面连接并充分接触，在接触处，距离阴极较远的阳极部分的直径较另一个阳极部分的直径大，使接触处形成导流槽，将所述导流孔导入的介质气体有序地导入到所述等离子体发生器。

6、根据权利要求5所述的电弧等离子体发生器的阳极，其特征在于，所述导流槽与阳极内腔形成通道，将导流孔导出的气流沿着阳极内腔贴壁螺旋式前进并将电弧弧根输送到距离所述阴极最远的阳极部分中。

7、一种电弧等离子体发生器，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的阳极。

8、根据权利要求7所述的电弧等离子体发生器，其特征在于，所述阴极和距离其最近的阳极部分之间设置有绝缘风环。

9、根据权利要求7或8所述的电弧等离子体发生器，其特征在于，所述等离子体发生器为热阴极式电弧等离子体发生器，其中，阴极和距离其最近的阳极部分之间的风环的导流孔为切向孔，或使气流速度方向同时具有切向和轴向矢量的孔。

10、根据权利要求7或8所述的电弧等离子体发生器，其特征在于，所述等离子体发生器为冷阴极式电弧等离子体发生器，其中，阴极和距离其最近的阳极部分之间的风环的导流孔为切向孔。

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