脈沖荷電型靜電除塵電源技術研究

高迎慧，劉 坤，韓 靜，孫鷂鴻，嚴 萍

（1.中國科學院電工研究所，北京 100190；2.中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049）

脈沖荷電型靜電除塵電源技術研究

高迎慧1、2，劉 坤1、2，韓 靜1、2，孫鷂鴻1、3，嚴 萍1、3

（1.中國科學院電工研究所，北京 100190；2.中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049）

文章闡述了脈沖激勵型靜電除塵電源的發展歷程，分析了兩種典型脈沖激勵靜電除塵電源拓撲的優缺點，并針對采用高壓開關方式的脈沖型靜電除塵電源進行了研究，提出了設計思路，進行了仿真分析，建立了10kV直流疊加10kV脈沖電源系統并驗證了設計的可行性；采用晶閘管研制了20kV/300A高壓開關模塊，并進行了實驗驗證。

靜電除塵電源；微秒脈沖電源；高壓開關；晶閘管開關；吸收電路

引言

大氣污染是全球關注的問題，電除塵技術具有除塵效率高、處理煙氣量大，可適用于處理高溫粉塵，具風阻小和運行費用低等優點，現已成為各國控制煙塵排放的主要手段。歐洲、美國、日本等發達國家和地區的應用比例均超過80%，也是我國燃煤電廠、鋼廠、水泥廠等企業主要采用的除塵設備。從大氣壓非平衡等離子體物理觀點來看，電除塵器是一個巨大的等離子體源和反應室的組合體。因此電除塵技術涉及了靜電放電機理、靜電除塵電源和靜電除塵器機械本體結構三項主要研究內容。靜電除塵電源是電除塵技術的關鍵技術之一，其性能直接影響除塵效果，在電除塵技術發展過程中，靜電除塵電源也一直是電除塵技術發展的關鍵因素，目前，電除塵領域成熟應用的是直流靜電除塵電源。隨著國家對鍋爐煙氣排放標準的提高，常規的直流靜電除塵技術在高比阻粉塵收集過程中因反電暈現象頻發而導致其排放難以達標，基于此，工業和研究領域采取了多種措施，其中從供電電源側進行改進是高效又節約投資的手段，即采用脈沖激勵的靜電除塵電源代替直流靜電除塵電源。本文針對脈沖激勵靜電除塵電源進行了研究。

1 靜電除塵電源發展歷程

靜電除塵技術起源于19世紀初，1824年，德國數學教師霍菲爾德（M.Hoheled）證明了電火花可使瓶內的煙霧消散，第一次提出了電除塵概念。1907年，美國加利福尼亞大學教授研制出了工業用電除塵裝置，此后電除塵器逐漸用于各個工業領域。目前，靜電除塵電源主要存在三種形式：工頻高壓整流靜電除塵電源、高頻高壓整流靜電除塵電源、脈沖激勵靜電除塵電源。

（1）工頻高壓整流靜電除塵電源

工頻高壓整流靜電除塵電源是靜電除塵技術工業應用中最初采用的電源方案。20世紀初，采用機械同步整流，50年代，隨著可控硅器件的研制成功，采用可控硅高壓整流方式，單相供電可控硅靜電除塵電源結構如圖1（a）所示。電源脈動大、控制延時長和反電暈是工頻靜電除塵電源的致命癥結。雖然后來單相整流發展為三相整流，減小了電壓脈動，但由于三相可控硅整流電路仍采用可控硅移相調壓的控制方式，控制響應時間沒有本質的改變。三相供電可控硅靜電除塵電源結構如圖1（b）所示。受制于開關技術的發展，截至20世紀80年代，工業上成熟應用的還是采用可控硅實現的工頻高壓整流靜電除塵電源。

圖1 工頻靜電除塵電源拓撲

（2）高頻高壓整流靜電除塵電源

19世紀80年代初，隨著高頻電力電子開關器件高頻可控硅、晶體管等技術的成熟，高頻靜電除塵電源隨之出現。至90年代，高頻IGBT技術成熟而快速發展，以瑞典ALSTOM和丹麥SMITH公司的產品為典型代表。高頻靜電除塵電源拓撲如圖2所示。由于采用了高頻控制，系統的動態響應速度可快速提高，輸出電壓的紋波可控制得很小，從而極大地提高了除塵效率。高頻技術還大幅縮減了變壓器的體積和硬件成本。目前高頻靜電除塵電源在歐洲、日本、美國等發達國家和地區商業化應用較多，并向更高功率和更高工作電壓（100kV）方向發展。但是，由于高頻靜電除塵電源需用的器件眾多，結構復雜，系統的故障率明顯高于工頻靜電除塵裝置。

圖2 高頻靜電除塵電源拓撲

（3）脈沖激勵靜電除塵電源

無論是工頻整流還是高頻整流方式的靜電除塵電源，輸出均為直流電壓，直流電場既負責產生電子，也負責灰塵粒子荷電和定向運動，在確定的供電電場結構下，這三個功能互相牽制，電源電壓、電流不能單獨調節。當火花頻率高或發生反電暈時，需要降低電源電壓，限制電源輸出電流，導致除塵效率下降。在高比阻粉塵除塵過程中，反電暈現象更加頻繁，頻繁地降低直流電壓將導致粉塵直接排放，除塵功能失效，因此國外從20世紀30年代就展開了對脈沖激勵靜電除塵電源的研究。

1931年，R. Heinrich等人申請了電脈沖施加于靜電除塵器的美國專利，即在直流電壓上疊加脈沖電壓的供電方案，用于提高除塵效率。1952年，H.J.WHITE采用旋轉火花隙開關、脈沖變壓器、阻擋二極管研制了用于靜電除塵的脈沖高壓電源，第一次進行了脈沖激勵型靜電除塵電源的實地測試，試運行一年的數據顯示，電暈電流提高20%～35%，這意味著更高的除塵效率。隨后的多年中，各國均進行了脈沖型靜電除塵電源的研究，雖然限于開關技術水平，無工業化的電源產品面世，但電源拓撲結構逐漸明確。1982年，丹麥F.L.Smidth在其專利中提到了兩種脈沖激勵型靜電除塵器結構，一是低壓開關和脈沖變壓器組合實現脈沖輸出，再耦合直流電壓的方式實現如圖3（a）所示；二是采用高壓開關實現脈沖輸出后耦合直流電壓的方式，如圖3（b）所示。同年，美國高壓工程公司離子物理部門的H.I.Milde確認了丹麥F.L.Smidth在其專利中提出的兩種拓撲結構是可商業化實現的拓撲結構，并指出兩種方式的最大區別是脈沖寬度和脈沖上升時間的差別。其中，脈沖變壓器方式拓撲結構的脈沖寬度一般為百微秒級，而采用高壓開關方式能夠實現1μs脈寬的脈沖輸出。20世紀80年代，采用脈沖變壓器結構的電源首先得到工業化應用和商業化的發展，以丹麥Smidth公司電源為典型代表。該公司研制的脈寬50～200μs，重復頻率25～400Hz的脈沖電源經過了工業測試，高比阻粉塵帶電粒子遷移速度明顯提高，由于除塵器灰塵收集區尺寸與帶電粒子遷移速度成反比，從而可有效減小除塵器除塵區的的安裝尺寸。目前丹麥F.L.Smidth公司仍然是脈沖激勵靜電除塵電源的主要廠商之一。

靜電放電領域的研究進展顯示，靜電除塵器中的流注擊穿時間為10～20μs，因此，為了避免發生流注擊穿，脈沖源輸出的脈沖寬度應小于10μs。高壓開關方式的拓撲結構更容易輸出較窄脈沖，使脈沖激勵靜電放電技術的優勢更加突出。但20世紀80年代能夠滿足要求的開關僅有機械式火花隙或無觸點離子器件（如汞閘流管）作為放電開關，嚴重制約了其工業化應用。

1981年J.F.Shoup和T.Lugar報道采用可控硅研制了高壓開關。1986年，意大利人GIORGIO DINELLI在脈沖激勵靜電除塵電源的測試中，采用了一套意大利生產的脈沖源，高壓開關采用晶閘管，他認為，除塵器效率是首要的目標，因此脈沖源輸出的脈寬越窄越好，并研制了輸出60kV、60～250μs、20～500Hz的脈沖激勵靜電除塵電源。1999年，韓國浦項鋼鐵報道，采用可控硅串聯開關研制了脈沖寬度140μs、重復頻率200Hz、輸出電壓70kV的脈沖激勵靜電除塵電源。目前韓國浦項鋼鐵公司是采用高壓開關方式的脈沖激勵靜電除塵電源的典型代表，但其產品的輸出脈沖寬度與采用脈沖變壓器方式的Simdth公司的產品基本相同，為100μs左右。

為了達到更好的收塵效果，目前國外致力于對更窄脈寬的脈沖電源的研究。1997年，L.Heinemnn采用磁開關研制了靜電除塵脈沖電源，輸出脈寬最小達到10μs。2002年，德國西門子公司報導采用偽火花開關研制高壓開關型的脈沖激勵靜電除塵電源，電源輸出脈沖寬度6～10μs，脈沖幅值55kV，脈沖電流峰值2000A。該電源與晶閘管可控整流電源、高頻直流電源的除塵效果在燒結廠進行了對比實驗，采用晶閘管可控整流電源時，排放值最好為90mg/m3，采用高頻直流電源時，排放值為76mg/m3，采用脈沖電源時，排放值為59mg/m3，即使與高頻直流電源相比，其排放值降低了22%。可見，采用開關方式的脈沖激勵靜電除塵電源能更好地實現窄脈沖輸出，進而強化脈沖激勵靜電除塵電源的優勢。

圖3 脈沖激勵靜電除塵電源結構

2 開關型脈沖激勵靜電除塵電源系統仿真

開關型脈沖激勵靜電除塵電源不僅可實現窄脈沖寬度輸出，而且容易實現脈沖寬度調整，更適用于工業化應用。本文中采用saber軟件對電源的系統參數進行了分析。圖4是仿真電路圖，其中C2、R6為等效負載，C1、R3為直流濾波參數，L5、R5為脈沖側隔離電感參數，L1為調波電感，SW_VCSP為高壓脈沖開關，C5、R7為動態吸收電路參數，C3為脈沖放電電容，L3和R2為直流側隔離電感參數，C4和R4為直流側濾波電容參數。從圖4中可以看出，在開關型脈沖激勵靜電除塵電源中，高壓開關是核心關鍵技術，系統參數直接影響到開關兩端電壓。圖5（a）、（b）、（c）、（d）分別仿真分析了C1、L5、C3、C5對開關兩端電壓的影響。

圖4 開關型脈沖激勵靜電除塵電源仿真電路

圖5 系統參數對開關兩端電壓影響仿真波形

從仿真實驗波形可看出，開關兩端震蕩電壓隨著C1、C5增大而增加，隨著L5、C3的增大而減小，在不同的參數選擇下，開關兩端承受電壓存在明顯差距，系統參數的優化對開關工作狀態影響至關重要。

3 高壓開關

在開關型脈沖激勵靜電除塵電源中，高壓開關兩端電壓和電流波形如圖6（a）所示。

由于開關電壓較高，且是長期連續工況，一直是限制脈沖激勵靜電除塵電源的技術難點，半導體開關具有高可靠性和易維護的優點，因此成為除塵電源的首選器件。本文采用20個1800V的晶閘管串聯研制了20kV/300A高壓開關，圖6（b）為開關結構圖，圖6（c）為開關實物圖。

圖6 高壓開關

和其他半導體一樣，晶閘管在正向或反向電壓下存在漏電流。即使晶閘管型號相同，在相同的電壓下，漏電流有所差別，這在晶閘管串聯使用中導致各個晶閘管承受電壓存在差異，靜態均壓電阻是必要的。文中選用300kΩ/30W的高壓電阻作為靜態均壓電阻。

由于晶閘管器件的導通和關斷特性的差異，晶閘管串聯使用時，動態均壓對于晶閘管串聯應用來說至關重要，通常采用RC吸收電路對晶閘管兩端的尖峰電壓進行抑制，吸收電容通常根據以下公式選擇。串聯晶閘管開關吸收電路如圖6（d）所示。但是在圖4所示拓撲中，吸收電路的設計不僅與晶閘管有關，還與晶閘管反并聯的二極管有關。本文對此進行了重點研究。

圖7、圖8、圖9分別列出了在不同組容吸收電路下開關兩端的電壓電流波形，圖10、圖11對不同吸收電阻和吸收電容下的尖峰電壓進行了比較。

吸收電阻與尖峰電壓間的非線性關系，與主電路參數有關，同時與晶閘管反并聯高壓二極管反向恢復特性有關。

圖7 20kV開關未加吸收電路時電壓、電流波形

圖8 27Ω吸收電阻和0.1μF吸收電容時20kV開關電壓電流波形

圖9 15Ω和20Ω電阻配合 0.47μF電容時開關關斷時刻電壓電流波形

圖10 吸收電組和尖峰高電壓關系

圖11 吸收電容和尖峰電壓關系

的實驗系統，驗證了系統參數設計規律。20kV開關吸收電路在35kVA脈沖源系統上進行了實驗驗證，脈沖源中負載電容為100nF，調波電感為6mH。見圖12、圖13。

圖12 10kV直流疊加10kV脈沖電源

圖13 20kV/300A開關測試波形

4 結論

采用高壓開關的脈沖激勵靜電除塵電源，高壓開關是其關鍵技術之一，但系統參數對開關工作參數也起著至關重要的影響，優化的系統參數，能夠降低開關兩端電壓沖擊，從而降低開關研制的難度。高壓開關模塊的設計應與系統參數相結合，對于特定型號的電源，開關參數也應有所差別。

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Technical Study on Power Source of Electrostatic Precipitation with Pulse and Charge Type

GAO Ying-hui1,2, LIU Kun1,2, HAN Jing1,2, SUN Yao-hong1,3, YAN Ping1,3
(1.Institute of Electrical Engineering of Chinese Academy of Sciences(CAS), Beijing 100190; 2.Key Lab. of Electric Power & Electron and Electric Drive, CAS, Beijing 100190; 3.University of CAS, Beijing 100049, China)

The paper explains the development course of power source of electrostatic precipitation with pulse and inspiriting type, analyzes the advantages and shortcomings of two kinds of power source of electrostatic precipitation with typical pulse and inspiriting type. Based on the research of power source of pulse electrostatic precipitation by adopting high-voltage switch mode, the paper puts forward the design thought, carries through the imitating analysis and sets up 10kV direct current, and superposes 10kV system of pulse power source and validates the design feasibility. The paper adopts crystal brake pipe, develops the high-voltage switch module of 20kV/300A and make experiment validation.

power source of electrostatic precipitation; power source of microsecond pulse; high-voltage switch; crystal brake pipe; absorbing circuit

X701

A

1006-5377（2017）02-0013-05