脉冲荷电型静电除尘电源技术研究

高迎慧，刘 坤，韩 静，孙鹞鸿，严 萍

（1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049）

脉冲荷电型静电除尘电源技术研究

高迎慧1、2，刘 坤1、2，韩 静1、2，孙鹞鸿1、3，严 萍1、3

（1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049）

文章阐述了脉冲激励型静电除尘电源的发展历程，分析了两种典型脉冲激励静电除尘电源拓扑的优缺点，并针对采用高压开关方式的脉冲型静电除尘电源进行了研究，提出了设计思路，进行了仿真分析，建立了10kV直流叠加10kV脉冲电源系统并验证了设计的可行性；采用晶闸管研制了20kV/300A高压开关模块，并进行了实验验证。

静电除尘电源；微秒脉冲电源；高压开关；晶闸管开关；吸收电路

引言

大气污染是全球关注的问题，电除尘技术具有除尘效率高、处理烟气量大，可适用于处理高温粉尘，具风阻小和运行费用低等优点，现已成为各国控制烟尘排放的主要手段。欧洲、美国、日本等发达国家和地区的应用比例均超过80%，也是我国燃煤电厂、钢厂、水泥厂等企业主要采用的除尘设备。从大气压非平衡等离子体物理观点来看，电除尘器是一个巨大的等离子体源和反应室的组合体。因此电除尘技术涉及了静电放电机理、静电除尘电源和静电除尘器机械本体结构三项主要研究内容。静电除尘电源是电除尘技术的关键技术之一，其性能直接影响除尘效果，在电除尘技术发展过程中，静电除尘电源也一直是电除尘技术发展的关键因素，目前，电除尘领域成熟应用的是直流静电除尘电源。随着国家对锅炉烟气排放标准的提高，常规的直流静电除尘技术在高比阻粉尘收集过程中因反电晕现象频发而导致其排放难以达标，基于此，工业和研究领域采取了多种措施，其中从供电电源侧进行改进是高效又节约投资的手段，即采用脉冲激励的静电除尘电源代替直流静电除尘电源。本文针对脉冲激励静电除尘电源进行了研究。

1 静电除尘电源发展历程

静电除尘技术起源于19世纪初，1824年，德国数学教师霍菲尔德（M.Hoheled）证明了电火花可使瓶内的烟雾消散，第一次提出了电除尘概念。1907年，美国加利福尼亚大学教授研制出了工业用电除尘装置，此后电除尘器逐渐用于各个工业领域。目前，静电除尘电源主要存在三种形式：工频高压整流静电除尘电源、高频高压整流静电除尘电源、脉冲激励静电除尘电源。

（1）工频高压整流静电除尘电源

工频高压整流静电除尘电源是静电除尘技术工业应用中最初采用的电源方案。20世纪初，采用机械同步整流，50年代，随着可控硅器件的研制成功，采用可控硅高压整流方式，单相供电可控硅静电除尘电源结构如图1（a）所示。电源脉动大、控制延时长和反电晕是工频静电除尘电源的致命症结。虽然后来单相整流发展为三相整流，减小了电压脉动，但由于三相可控硅整流电路仍采用可控硅移相调压的控制方式，控制响应时间没有本质的改变。三相供电可控硅静电除尘电源结构如图1（b）所示。受制于开关技术的发展，截至20世纪80年代，工业上成熟应用的还是采用可控硅实现的工频高压整流静电除尘电源。

图1 工频静电除尘电源拓扑

（2）高频高压整流静电除尘电源

19世纪80年代初，随着高频电力电子开关器件高频可控硅、晶体管等技术的成熟，高频静电除尘电源随之出现。至90年代，高频IGBT技术成熟而快速发展，以瑞典ALSTOM和丹麦SMITH公司的产品为典型代表。高频静电除尘电源拓扑如图2所示。由于采用了高频控制，系统的动态响应速度可快速提高，输出电压的纹波可控制得很小，从而极大地提高了除尘效率。高频技术还大幅缩减了变压器的体积和硬件成本。目前高频静电除尘电源在欧洲、日本、美国等发达国家和地区商业化应用较多，并向更高功率和更高工作电压（100kV）方向发展。但是，由于高频静电除尘电源需用的器件众多，结构复杂，系统的故障率明显高于工频静电除尘装置。

图2 高频静电除尘电源拓扑

（3）脉冲激励静电除尘电源

无论是工频整流还是高频整流方式的静电除尘电源，输出均为直流电压，直流电场既负责产生电子，也负责灰尘粒子荷电和定向运动，在确定的供电电场结构下，这三个功能互相牵制，电源电压、电流不能单独调节。当火花频率高或发生反电晕时，需要降低电源电压，限制电源输出电流，导致除尘效率下降。在高比阻粉尘除尘过程中，反电晕现象更加频繁，频繁地降低直流电压将导致粉尘直接排放，除尘功能失效，因此国外从20世纪30年代就展开了对脉冲激励静电除尘电源的研究。

1931年，R. Heinrich等人申请了电脉冲施加于静电除尘器的美国专利，即在直流电压上叠加脉冲电压的供电方案，用于提高除尘效率。1952年，H.J.WHITE采用旋转火花隙开关、脉冲变压器、阻挡二极管研制了用于静电除尘的脉冲高压电源，第一次进行了脉冲激励型静电除尘电源的实地测试，试运行一年的数据显示，电晕电流提高20%～35%，这意味着更高的除尘效率。随后的多年中，各国均进行了脉冲型静电除尘电源的研究，虽然限于开关技术水平，无工业化的电源产品面世，但电源拓扑结构逐渐明确。1982年，丹麦F.L.Smidth在其专利中提到了两种脉冲激励型静电除尘器结构，一是低压开关和脉冲变压器组合实现脉冲输出，再耦合直流电压的方式实现如图3（a）所示；二是采用高压开关实现脉冲输出后耦合直流电压的方式，如图3（b）所示。同年，美国高压工程公司离子物理部门的H.I.Milde确认了丹麦F.L.Smidth在其专利中提出的两种拓扑结构是可商业化实现的拓扑结构，并指出两种方式的最大区别是脉冲宽度和脉冲上升时间的差别。其中，脉冲变压器方式拓扑结构的脉冲宽度一般为百微秒级，而采用高压开关方式能够实现1μs脉宽的脉冲输出。20世纪80年代，采用脉冲变压器结构的电源首先得到工业化应用和商业化的发展，以丹麦Smidth公司电源为典型代表。该公司研制的脉宽50～200μs，重复频率25～400Hz的脉冲电源经过了工业测试，高比阻粉尘带电粒子迁移速度明显提高，由于除尘器灰尘收集区尺寸与带电粒子迁移速度成反比，从而可有效减小除尘器除尘区的的安装尺寸。目前丹麦F.L.Smidth公司仍然是脉冲激励静电除尘电源的主要厂商之一。

静电放电领域的研究进展显示，静电除尘器中的流注击穿时间为10～20μs，因此，为了避免发生流注击穿，脉冲源输出的脉冲宽度应小于10μs。高压开关方式的拓扑结构更容易输出较窄脉冲，使脉冲激励静电放电技术的优势更加突出。但20世纪80年代能够满足要求的开关仅有机械式火花隙或无触点离子器件（如汞闸流管）作为放电开关，严重制约了其工业化应用。

1981年J.F.Shoup和T.Lugar报道采用可控硅研制了高压开关。1986年，意大利人GIORGIO DINELLI在脉冲激励静电除尘电源的测试中，采用了一套意大利生产的脉冲源，高压开关采用晶闸管，他认为，除尘器效率是首要的目标，因此脉冲源输出的脉宽越窄越好，并研制了输出60kV、60～250μs、20～500Hz的脉冲激励静电除尘电源。1999年，韩国浦项钢铁报道，采用可控硅串联开关研制了脉冲宽度140μs、重复频率200Hz、输出电压70kV的脉冲激励静电除尘电源。目前韩国浦项钢铁公司是采用高压开关方式的脉冲激励静电除尘电源的典型代表，但其产品的输出脉冲宽度与采用脉冲变压器方式的Simdth公司的产品基本相同，为100μs左右。

为了达到更好的收尘效果，目前国外致力于对更窄脉宽的脉冲电源的研究。1997年，L.Heinemnn采用磁开关研制了静电除尘脉冲电源，输出脉宽最小达到10μs。2002年，德国西门子公司报导采用伪火花开关研制高压开关型的脉冲激励静电除尘电源，电源输出脉冲宽度6～10μs，脉冲幅值55kV，脉冲电流峰值2000A。该电源与晶闸管可控整流电源、高频直流电源的除尘效果在烧结厂进行了对比实验，采用晶闸管可控整流电源时，排放值最好为90mg/m3，采用高频直流电源时，排放值为76mg/m3，采用脉冲电源时，排放值为59mg/m3，即使与高频直流电源相比，其排放值降低了22%。可见，采用开关方式的脉冲激励静电除尘电源能更好地实现窄脉冲输出，进而强化脉冲激励静电除尘电源的优势。

图3 脉冲激励静电除尘电源结构

2 开关型脉冲激励静电除尘电源系统仿真

开关型脉冲激励静电除尘电源不仅可实现窄脉冲宽度输出，而且容易实现脉冲宽度调整，更适用于工业化应用。本文中采用saber软件对电源的系统参数进行了分析。图4是仿真电路图，其中C2、R6为等效负载，C1、R3为直流滤波参数，L5、R5为脉冲侧隔离电感参数，L1为调波电感，SW_VCSP为高压脉冲开关，C5、R7为动态吸收电路参数，C3为脉冲放电电容，L3和R2为直流侧隔离电感参数，C4和R4为直流侧滤波电容参数。从图4中可以看出，在开关型脉冲激励静电除尘电源中，高压开关是核心关键技术，系统参数直接影响到开关两端电压。图5（a）、（b）、（c）、（d）分别仿真分析了C1、L5、C3、C5对开关两端电压的影响。

图4 开关型脉冲激励静电除尘电源仿真电路

图5 系统参数对开关两端电压影响仿真波形

从仿真实验波形可看出，开关两端震荡电压随着C1、C5增大而增加，随着L5、C3的增大而减小，在不同的参数选择下，开关两端承受电压存在明显差距，系统参数的优化对开关工作状态影响至关重要。

3 高压开关

在开关型脉冲激励静电除尘电源中，高压开关两端电压和电流波形如图6（a）所示。

由于开关电压较高，且是长期连续工况，一直是限制脉冲激励静电除尘电源的技术难点，半导体开关具有高可靠性和易维护的优点，因此成为除尘电源的首选器件。本文采用20个1800V的晶闸管串联研制了20kV/300A高压开关，图6（b）为开关结构图，图6（c）为开关实物图。

图6 高压开关

和其他半导体一样，晶闸管在正向或反向电压下存在漏电流。即使晶闸管型号相同，在相同的电压下，漏电流有所差别，这在晶闸管串联使用中导致各个晶闸管承受电压存在差异，静态均压电阻是必要的。文中选用300kΩ/30W的高压电阻作为静态均压电阻。

由于晶闸管器件的导通和关断特性的差异，晶闸管串联使用时，动态均压对于晶闸管串联应用来说至关重要，通常采用RC吸收电路对晶闸管两端的尖峰电压进行抑制，吸收电容通常根据以下公式选择。串联晶闸管开关吸收电路如图6（d）所示。但是在图4所示拓扑中，吸收电路的设计不仅与晶闸管有关，还与晶闸管反并联的二极管有关。本文对此进行了重点研究。

图7、图8、图9分别列出了在不同组容吸收电路下开关两端的电压电流波形，图10、图11对不同吸收电阻和吸收电容下的尖峰电压进行了比较。

吸收电阻与尖峰电压间的非线性关系，与主电路参数有关，同时与晶闸管反并联高压二极管反向恢复特性有关。

图7 20kV开关未加吸收电路时电压、电流波形

图8 27Ω吸收电阻和0.1μF吸收电容时20kV开关电压电流波形

图9 15Ω和20Ω电阻配合 0.47μF电容时开关关断时刻电压电流波形

图10 吸收电组和尖峰高电压关系

图11 吸收电容和尖峰电压关系

的实验系统，验证了系统参数设计规律。20kV开关吸收电路在35kVA脉冲源系统上进行了实验验证，脉冲源中负载电容为100nF，调波电感为6mH。见图12、图13。

图12 10kV直流叠加10kV脉冲电源

图13 20kV/300A开关测试波形

4 结论

采用高压开关的脉冲激励静电除尘电源，高压开关是其关键技术之一，但系统参数对开关工作参数也起着至关重要的影响，优化的系统参数，能够降低开关两端电压冲击，从而降低开关研制的难度。高压开关模块的设计应与系统参数相结合，对于特定型号的电源，开关参数也应有所差别。

[1] He K B，Lei Y．Anthropogenic emissions of PM and its key chemical components in China：historical trends and future projection．Beijing：Tsinghua University.2008.

[2] GB13271-2014锅炉大气污染物排放标准[S].

[3] GB-13223-2011.火电厂大气污染物排放标准[S].

[4] 史妍婷，杜谦，高建民，等.燃煤锅炉PM2.5控制现状及改进建议[J].节能技术，2013， 31（4）：345 - 348，352.

[5] 赵建民.新排放标准情况下火电厂除尘方式的选择[J].中国环保产业，2013.（4）48-54.

[6] Directive 2008/50/EC of the European parliament and of the council of 21 May 2008 on ambient air quality and cleaner air for Europe，Official J. Eur. Union，vol. L 152，pp. 1-44，Jun. 11，2008. [Online]. vailable：http：// rod.eionet.europa.eu/instruments/633.

[7] 刘胜强，曾毅夫，周益辉，等.细颗粒物PM2.5的控制与脱除技术[J].中国环保产业，2014（6）：16-20.

[8] 土屋喜重，川西好光，大西召一，等.Very cold electrostatic precipitator technology of advanced flue gas treatment system for coal-fired boiler[R].三菱重工技报，1997，34（3）： 158-161.

[9] 熊桂龙，李水清，陈晟，等.增强PM2.5脱除的新型电除尘技术的发展[N].中国电机工程学报，2015，35（9）：2217 - 2212.

[10] Khan HZ.Bench and pilot-testing of sieving electrostatic precipitator. America，Ohio University，2007.

[11] 张文博，陈希建，刘建文.实例分析电除尘高频电源的节能改造方法及效果[J].中国机械， 2014 （17）：61-61.

[12] 刘胜强，曾毅夫，周益辉.复合式静电除尘器脱除电厂排放PM2.5研究[N].环境科学学报， 2007，27（11）：1769-1792.

[13] 靳星.静电除尘器内细颗粒物脱除特性的技术基础研究[M].北京：清华大学，2013．

[14] 李庆，肖振雷，李海凤，等.微细粉尘在静电除尘器中的运动状态分析[J].环境工程， 2011，29（2）：73 - 77.

[15] White， H. J. Electrostatic precipitator pulse power supply[J].Electrical Engineering，1953，72（3）：236-236.

[16] G. W. Penney，P. C. Gelfand，The Trielectrode Electrostatic Precipitator for Collecting High Resistivity Dust，JAPCA，Jan. 1978，Vol. 28，53-55.

[17] S. Masuda，A. Mizuna，H. Nakatani，H. Kawahara，Application of Boxer Charger in Pulsed Electrostatic Precipitators，Conf. record of IEEE/1AS Annual Mtg. 1980，904-911.

[18] 崔锦华，周恩德.高压脉冲电源MPS-节能高效的电除尘器电源系统介绍[C].全国火电大机组（300MW）竞赛第三十八届年会论文集，2009：743- 745.

[19] L.Heinemnn，K.Porle，P.Ranstad，Design of a Low Cost Pulsed Power Supply for Electrostatic Precipitators Using Magnetic Switching Technique[C]：ICESP，Budapest，1996.

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