（测试计量技术及仪器专业论文）高压双窄脉冲电源的设计与研究.pdf

摘要 脉冲电晕技术是国内外正在大力开发的新代脱硫技术，脉冲高压电源是该 技术发展的瓶颈。单极性脉冲放电会致使反应器上积累电荷，不释放形成拖尾电 压，会增强后续供电脉冲所形成的空间电场，造成间歇火花放电，不利于能量的 注入。双脉冲电源可有效避免火花放电，另外，正脉冲电晕对s o ：的脱除效果较 好，负脉冲电晕对n 吼的脱除起关键的作用，因此双脉冲电源供电对脱硫脱硝一 体化也有很重要的研究价值。考察了国内外的几种脉冲电源技术，立足现实，设 计了旋转火花隙高压双窄脉冲电源。 本文通过对气体放电的分析，对反应器的性质进行了探讨，分段表示了线筒 式反应器的非线性电阻：通过对反应器高压脉冲放电回路方程的数学分析，推导 了脉冲电压、脉冲电流、上升时间、脉冲宽度与放电回路参数之间的关系，建立 了高压脉冲放电回路的数学模型；通过对上述理论的研究，设计了双脉冲电源， 分析了回路电感、回路电阻、负载电感等电气参数对脉冲波形的影响，获得了回 路电感、回路电阻和脉冲成形电容等参数的理论值；通过对上升时间、脉冲宽度、 脉冲峰值、脉冲电流、振荡频率和供电电压、供电频率实验数据分析，建立了波 形参数与供电参数之间的实践关系；通过对注入能量的试验波形和光谱分析，使 用供电效率、活性离子密度、有效注入功率的概念对电源与反应器的匹配、电晕 的优化进行了较为深入的研究。 本文利用光谱仪与示波器进行数据采集，对供电效率、电源与反应器之间重 要的参数关系进行了比较深入、全面的研究和探讨，为大型工业应用装置的开发 提供了宝贵经验。 关键词：脱硫；双脉冲电源； 供电效率；反应器；匹配 a b s t r a c t a b s t r a c t n l ep u l s ec o r o n ai n d u c e dn o n - t h e r m a lp l a s m ac h e m i c a lp r o c e s s ( p p c p ) i st h e n o v e l t ym e t h o do f f l u eg a sd e s a l f u r i z a t i o nw h i c hh a sb e e n w i d e l yd e v e l o p e di nh o m e a n da b r o a d 。p u l s ep o w e r s u p p l yi st h eb o t t l e n e c ko f d e v e l o p m e n t o f t h e p u l s ec o r o n a t e c h n o l o g y u n i p o l a rp u l s ed i s c h a r g ew i l ll e a dt oc h a r g ea c c u m u l a t et or e a c t o r w i m t h e c h a r g en o tr e l e a s i n g t h et a i lv o l t a g ew i l lb ef o r m e d i tw i l ls t r e n g t h e ne l e c t r i cf i e l d w h i c hi sf o r m e db yl a t e rp u l s ep o w e rs u p p l y ，t h e nm a k eg a ps p a r k i n gd i s c h a r g ea n d i n d u c e e c t l o no fe n e r g yd i f f i c u l t l y b i p o l a rp m s ep o w e rc a na v o i ds p a r kd i s c h a r g e e f f i c i e n t l y ， na d d i f i o n ，p o s i t i v ep u l s e c o r o n ad ob e t t e rt ot h ee f f e c to f r e m o v i n gs 0 2 a n dn e g a t i v ep u l s ec o r o n ai st h ek e yo f r e m o v i n gn o x s od u a l - p u l s ep o w e r m a t h o d h a st h em a r k e tc o m p e t i t i o n i nt h ep a p e r , t h r o u g ht h em a t h a n a l y s i so nh i 曲p u l s ed i s c h a r g el o o pe q u a t i o n s ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p u l s ev o l t a g e ，p u l s ec u r r e n t ，p u l s er i s et i m e ，p u l s ew i d t ha n d d i s c h a r g el o o pp a r a m e t e r sh a sb e e nd e r i v e d ，t h em a t h m o d e lo f h j 【曲p u l s ed i s c h a r g e l o o pb e e ne s t a b l i s h e d b a s e do nt h i st h e o r y , d u a l - p u l s ep o w e r h a sb e e nd e s i g n e d ，t h e i n f l u e n c e so fd i s c h a r g e l o o pp a r a m e t e r s o np u l s ew a v e f o r mb e e na n a l y z e d ，t h e p a r a m e t e r so fl o o pi n d u c t a n c e ，l o o pr e s i s t a n c ea n dp u l s ef o r m i n gc a p a c i t a n c eb e e n g i v e n ，t h e i n f l u e n c e so f l o o pi n d u c t a n c e ，l o o pr e s i s t a n c e ，a n dp u l s ef o r m i n g c a p a c i t a n c e o n p u l s e w a v e f o r mw e r e a n a l y z e d , n o n - l i n e a r r e s i s t a n c eo f w e r e - t o - c y l i n d e rr e a c t o rb e e ne x p r e s s e dp i e c e w i s e ，t h em a t c h i n go f p o w e r a n dr e a c t o r b e e n 。s t u d i e d t h r o u g h t h ea n a l y s i so n e x p e r i m e n t a t i o nw a v e f o r m o f i n f u s e e n e r g y , t h e c o n c e p t i o no f a c t i v ep o w e rh a sb e e ng i v e n ，t h em a t c h i n go f p o w e r a n dr e a c t o rb e e n s t u d i e dd e e p l y t h ep a p e rh a sr e a l i z e dd a t as a m p l i n gw i t ho s c i l l o g r a p ha n dt h es p e c t r e n c e ， m a d ed e 印，c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ha n ds t u d yo np o w e re f f i c i e n c y , m a t c h i n go f p o w e ra n dr e a c t o r , i n t r o d u c e dt h er a r i t ye x p e r i e n c et od e v e l o p m e n to fl a r g ei n d l l s t r y i m p l e m e n t k e yw o r d s ：d e s u l f u r i z e ；d o u b l ep u l s ep o w e r ；p o w e re f f i c i e n c y ； r e a c t o r m a t c h i n g 高压取窄脉冲电源的设计与研究 o 前言 我国是燃煤大国，燃煤占一次能源组成的7 5 左右“3 。随着经济的快速发展，全国 煤炭消费量也不断增加。燃煤的增加导致二氧化硫排放量不断增长，控制s o 。排放是控 制城市污染发展的主要途径【2 】。 自7 0 年代初期，美国和日本在燃煤电厂中应用烟气脱硫技术来控制s 0 2 排放，烟 气脱硫技术的发展过程大致可分为石灰石湿法、干法、半干法、石灰石石膏湿法工艺 三个阶段，特点是吸收剂和吸收装置的形式、种类众多，基建投资和运行成本很高，脱 硫率不高，副产物抛弃p j 。在此期间，对l i f a c 、c f b 、新式整体脱硫工艺( n i d ) 电 子束辐照工艺等新的烟气脱硫技术进行了研究开发【4 】。 电子束法是种比较成熟的脱硫技术，主要原理是电子枪发出的电子，在加速电场 作用下，获得很高的能量( 5 0 0 - - 8 0 0 e v ) ，高能电子和烟气中的中性气体分子( n 2 、0 2 、 h 2 0 等) 碰撞，产生一些活性的自由基( o 、o h 、h 0 2 、0 3 等) ，这些自由基和烟气中 的s 0 2 和n o x 分子反应生成s 0 3 、n 0 2 和硫酸、硝酸，在有n h 3 存在的条件下，主要 生成硫氨和硝氨，副产物经过加工制成农用化肥，达到污染物资源化治理 5 l 。与石灰石 石膏法相比，电予束法具有工艺流程简单，有副产物效益无二次污染，投资较少的优 点，但是，电子束技术用于大型燃煤电厂烟气脱硫时，需要的耗电功率是相当大的，并 且大功率的电子加速器是种高技术产品，制造技术复杂，电子枪的寿命有限。 8 0 年代，日本学者m a s u d a 在研究电子柬法的基础上，提出了脉冲电晕法1 6 】。脉冲 电晕放电属于低温等离子体，其中电子温度很高，而离子和中性分子的温度接近室温。 因为电子和电子之间的碰撞时间远远小于电子和其它粒子之间的碰撞时间，因此，电子 属于同热力学平衡状态，和其它粒子不处于同一热力学状态，也属于非平衡等离子体。 另外，脉冲电晕等离子体产生的高能电子的能量范围( 5 2 0 e v ) 正好处于烟气中中性分 子的电离、激发所需的能量范围，相反，电子束产生的电子能量远远高于这个能量范围， 所以，利用脉冲电晕等离子体脱除s 0 2 和电子束法相比，可以提高能量利用率。脉冲放 电等离子体烟气脱硫脱硝的基本原理，和电子柬辐射脱硫脱硝的基本原理相同，都是利 用高能电子使烟气中的中性分子发生电离、激发等化学反应过程，生成活性的自由基， 这些自由基和s 0 2 、n 0 x 反应生成相应的酸，在有n h 3 存在的条件下，生成氨盐。该方 法是一种干法处理过程，不产生废水废渣，能同时脱硫脱硝。系统简单，操作方便，过 程易于控制，对于不同含硫量和烟气量变化幅度大的烟气，有较好的适应性和负荷跟踪 性，副产品为硫氨和硝氨的混合物，可用做化肥，因而被认为是最具有市场竞争力和发展 前途的技术。 供电电源是脉冲电晕法关键技术，单极性脉冲放电会致使反应器上积累电荷，如果 不释放形成托尾电压，就会增强后续供电脉冲所形成的空间电场，造成了间歇火花放电， 不利于能量的注入；s 0 2 的脱除主要依赖热化学过程和电晕放电过程；n 0 。的脱除主要 依靠脉冲电晕诱导的自由基反应和离子反应，正脉冲电晕对脱除s 0 2 效果佳，而负脉冲 电晕对n o i 更有效，双脉冲供电方式避免了火花击穿，对实现了脱硫脱硝一体化也有重 要的意义，因此双脉冲有较大的研究价值和广阔的应用前景。 考察了国内外一些高压脉冲电源技术，由于磁压缩技术还不成熟，固态开关的价格 较高、能量受限、寿命较短，针对静态电容为3 0 p f 线筒式反应器，设计了旋转火花隙 高压双窄脉冲电源。 高压双窄脉冲电源的设计与研究 1 绪论 本章主要介绍脉冲电晕技术发展现状和前景t 综述该技术的工业化发展过程以及存在的问题 论述本文的选题依据、内容和组织结构。 1 j 1 国内外研究现状 脉冲电晕法是利用脉冲上升前沿陡、脉冲窄、峰值高的电源与电源负载即电晕电极 系统( 反应器) 组合，在电晕与反应器电极的气隙间产生流光电晕等离子体，从而将 s 0 2 和n 仉从烟气中脱除的过程。脉冲电晕技术一提出，就引起了各国学者的关注，在 流光特性、放电特性、供电电源、反应器方面得到了飞速的发展。 1 1 1 脉冲电晕流光放电特性的研究状况 流光结构在很大程度上决定电子能量分布，其特性研究主要采用光谱法，r e a 等人在 放电光谱测量中发现了一次流光和二次流光，得到了流光结构与脉冲电参数之间的关系 和流光结构中的电子能量分布1 8 】。m a t t il a n a n 等人认为在非均匀场中，因空间电荷积累 先于流光形成，所以流光具有多雪崩的特性1 9 。 北京理工大学y a n k e p i n g 教授等人观察到反应器中一次流光和二次流光的等离子 体结构，找到了该流光结构同脉冲放电参数之间的关系，提出一次流光的关键性，提出 优化脉冲放电特性【l m 。提出，正脉冲电晕优于负脉冲电晕，主要是因为正脉冲电晕等离 子体体积大；脉冲电压峰值高，上升时间短，则电晕特性优；适当的直流基压有利于电 源和反应器匹配；电源和反应器的自身条件直接决定脉冲电晕特性1 1 1 1 ；二次流光对脱硫 脱硝作用不大，仅消耗能量，必须有效抑制 12 】。g a l l i m b e r t i 和v i t e l l o 建立和发展了流 光模型，对脉冲电晕进行了模拟，计算了在( n 2 ，0 2 ，c 0 2 ，h 2 0 ) 混合气中的电子和离子传 输特性，认为h 2 0 和0 2 在反应过程中起主要作用，烟气成份对脉冲电晕特征有很大作 用【1 3 】。上述在一定程度上揭示了脉冲流光放电微观特性，气体放电物理、动力学的理论 研究对气体的性质、脱除效率、能量利用进行了理论研究。 1 1 2 气体放电物理和动力学的研究 对于脉冲电晕等离子体烟气脱硫的化学动力学和放电的物理图象，许多学者做了大 量的实验和理论研究。m a s u d a 和c h a n gj s 研究n 2 0 2 c 0 2 - n o 。一s 0 2 - h 2 - n h 3 混合气中 与离子相关的反应，认为与n o 。和n h 3 相关的离子主要来自于离子一分子反应，在s 0 2 的脱除过程中自由基反应要比直接的离子反应重要得多，同时报道了飞灰对s 0 2 脱除的 吸附和催化作用，飞灰的存在使s 0 2 脱除提高了3 0 【l ”。m i z o n o 得出：( 1 ) 正脉冲电 晕对s 0 2 脱除是非常有效的，在能量利用率方面，他至少是电子束的两倍；( 2 ) 利用断 续的脉冲电压可以获得更高的能量利用率，因为它不会因加速离子而浪费能量；( 3 ) 正 脉冲电晕比负脉冲电晕脱硫有效【1 5 】。c i v i t a n o 给出了意大利1 0 0 0 n m 3 h 的工业小试结果， 对真实烟气，脱硫率8 0 ，脱硝率5 0 6 0 ，能耗1 2 - 1 4w h m 3 ，且脱硝受n 0 初始浓度 影响【1 6 1 。c l e m e n t s 等人用脉冲电晕进行同时脱硫、脱氮和飞灰的研究，证明飞灰的存在 可改善s 0 2 的脱除效果，此外，在电极上加上脉冲电压和直流偏压，可较大的改善收集 飞灰、脱硫的能力r 丌。北京理工大学y a r lk e p i n g 教授等人研究了双极电晕对n o 。和 s 0 2 的脱除，实验发现，与单极电晕比，它能更有效的脱除n o 。和s 0 2 ，能耗也相应增大 【l8 1 2 高压双窄脉冲电源的设计与研究 根据电子束实验结果，b u s i 建立了动力学模型，用计算机模拟了以空气为载气去除 n o 的气相反应，与实验相吻合。接着用同样的方法模拟了空气s 0 2 、n o 的模拟烟气的 情形，模拟结果也与实验结果吻合 1 9 1 。m a t ：r i n g 在电子柬法的基础上建立了数学模型， 计算碰撞截面和自由基的g 值，得到了9 5 种主要自由基的产生g 值和7 3 0 个气相反应， 认为s 0 2 的氧化反应在气相中存在，能量效率的g 值g ( s 0 2 ) * o 9 1 2 0 1 。李瑞年等人在 h u i e 机制的基础上实验和理论研究了脉冲电晕的反应机制，提出了放电引发异相脱硫反 应的主要反应过程，分析得液相中自由基s 0 3 在把s 0 3 2 - 氧化成s 0 4 2 的链过程中起主要 作用，液相吸收的o h 产生8 5 以上的脱除率，从而成功地解释了脱硫中硫酸盐的形成 2 1 1 。 电源和反应器是脉冲电晕法研究的实体，脉冲电晕特性和反应机理的研究均为了优 化电源和反应器系统，下面主要介绍高压脉冲电源的应用、发展过程以及现在比较实用 的高压脉冲电源技术。 1 1 3 电晕反应器 c h a n g 等对线一板式、线一筒式、填充床式等多种反应器的放电特性、脱除效果等 作了详细介绍【2 2 1 。反应器的结构一般是线板式、线筒式，在工业性试验中一般采用线一 板式结构，中小型试验一般采用线筒式【2 ”。增田闪一使用线一筒式反应器研究了电极极 性、电气参数和气体参数对脱硫效率的影响，得到正极性、短脉冲电压对脱除s 0 2 有利， 并得出了脱硫率与电气参数和气体参数的关系公式【。北京理工大学y a hk e p i n g 教授 认为，电晕功率与电晕线的益率无关，仅与其直径有关系。 1 1 4 高压脉冲电源 ， 目前，高压脉冲电源的研究已经很多，应用也有1 0 0 多种【2 5 j 。高压脉冲电源主要用 在气体除尘，电磁脉冲和雷电脉冲，国外还用该电源进行油水分离，另外在国防科研和 高技术领域有着重要的科学意义与应用价值。 马丁于1 9 9 2 年，把脉冲电源分为容性和感性两类，发展到现在，可分为3 个阶段 【2 6 】。 1 开始研究和初始的发展阶段( 1 9 4 7 1 9 7 0 ) 2 0 世纪5 0 年代，w h i t e 提出脉冲电源作为静电除尘器的供电电源的设想。 2 中间发展和现场示范阶段。( 1 9 7 0 1 9 8 0 ) 。 8 0 年代，m s 脉冲电源和i ts 级脉冲电源就相继出现，静电除尘的技术逐渐成熟。 3 商业发展阶段( 1 9 8 0 一至今) i s 脉冲电源的研制成功，脉冲电晕放电技术提到日程上来。 8 0 年代中期，中国引进了可控硅脉冲形成开关低压侧形成脉冲技术，9 0 年代初， 冶金部安全环保研究院已研制出隔离隙高压脉冲形成开关型脉冲电源，可产生2 u s 左 右的脉冲 2 7 1 。8 0 年代末，r l $ 级脉冲电源就出现，脉冲放电可同时脱除烟气中的飞灰和 s 0 2 ，实现了脱硫和除尘的相结合。军事上用的磁压缩单脉冲高压电源改成了连续高压脉 冲电源，用于产生脉冲电子束，脉冲峰值电压2 0 0 k v ，脉冲宽度小于5 0 0 i i s ，脉冲上升 前沿小于5 0r l s 。最近，李劲研制出上升时间为5 n s 试验室用脉冲电源，百纳秒脉冲电源 己比较成熟，纳秒级仍在发展之中拉s 】。9 0 年代中期，目本m i z u n o 研究所研制成功了同 时产生高压正负电压脉冲电源。 脉冲电源系统是实现脉冲电晕脱硫脱硝技术产业化的关键部分，有载条件下，提供 较陡上升前沿( 数十纳秒级) 的脉冲电流电压波形，同时，系统要具有轻便灵活的特点， 高压双窄脉冲电源的设计与研究 特别要求系统能长期、有效地连续工作，以适应工业的要求，对实验室研究而言，数百 瓦乃至数千瓦的功率要求的电源系统较易实现。工业上采用电晕放电技术有效的脱硫脱 硝，需脉冲电源功率系统提供约3 6 0 0 k w 的平均功率，这带来一系列的问题，如系统热 效应，高功率开关预期寿命等。 高压窄脉冲电路回路的设计有很多，主要是利用电容储能并通过开关形成和传输高 压窄脉冲能量。电源研究所追求的是电源效率、输出特性、大功率实现和运行可靠等。 为了实现优的输出特性，主要进行两方面的努力，即高的峰值电压，最高电压以达 1 5 0 k v ；陡的上升前沿，这需要放电回路有小的分布电感，达hh 量级。 下面是几种比较成熟的高压脉冲电源技术 直流高压对无感电容器谐振充电，然后电容器通过火花隙对负载放电形成快上升时 间的脉冲。 增田闪一教授首先研制出1 1 s 级旋转火花隙式窄脉冲高压电源，后来经过其他研究 者的改进，采用直流谐振充电等措施，即去掉与反应器并联的电阻。在确保充电回路元 件安全的前提下，用电感和硅堆串联代替限流电阻，改进后的电源效率从原来的4 0 提 高到7 0 ，同时输出电压升高，直流高压电源内耗减小，脉冲电压波形为，前沿上升时 间小于l o o n s ，脉冲宽度1 0 0 1 0 0 0 n s 。水野彰研究显示，带有一定的直流基压的脉冲电压波 形对脱硫有利1 3 0 l 。综上所述，改装后的脉冲电源的原理图如下，一般包括三个过程： a c d c ：高压的生成；火花系开关触发。该方案线路非常简单明了，通过充电电容c 。 的充放电，对电晕发生器进行供电。 图1 1脉冲和直流基压供电示意图 f i g u r e1 1p u l s ea n d d i r e c tp o w e r s u p p l y 该技术的不足之处：由于火花隙开关寿命有限，转速低，导致脉冲频率变化范围小； 脉冲电容的充放电次数有限，影响脉冲电源的寿命，当电源输出功率大时，开关间隙导 通时，电流大，开关关断难，负载较复杂时无法提高电压和功率，这种脉冲电源不适合 工业应用。 磁脉冲压缩器为主要部件的高压大功率脉冲形成技术 该技术的特点是大功率、快上升时间、高重复率的短脉冲，美国l l n l 做了很多有 成效的研究工作【3 ”。电容c l 通过l o 充电直至l l 饱和，设计时应使l 1 的饱和电感远小 于k ，旦l 1 饱和了，c 2 就被c i 通过l l 饱和充电，但l l ( ( l o ，所以c 2 的充电速度 远比c 。充电速度快的多。这样的过程一级一级继续下去，直至c n 经饱和了的l n 向负 载放电。在这样的系统中，磁性转换开关是最为重要的。在低重复系统中，用坡莫合金 和铁氧体来建造磁性开关，在高重复频率、快上升时间的脉冲系统中，磁性开关的材料 的选择就比较苛刻，能够满足上述要求的材料有铁磁金属玻璃或非晶材料。 高压双窄脉冲电源的设计与研究 图1 2 磁性脉冲压缩电源的简单原理图 f i g u r e1 2t h ep r i n c i p l em a g n e t i cp u l s ec o m p r e s sp o w e r t e s l a 变压器谐振充电技术 由于具有铁心的脉冲变压器难以得到快上升时间的窄脉冲，这种空心变压器( t e s l a ) 就显示出了其上升时间快的特点，这种电路形成高压脉冲的原理：c l l - 和c 2 l 2 构成了 双谐振回路，要求c l l l = c 2 l 2 。c 3 - k 3 用于脉宽的压缩。其中的关键技术是t e s l a 变压器 的制造。俄罗斯在这方面有先进的技术水平，他们可以制造高功率，电压达数兆伏的t e s l a 变压器。其次是开关，可以用火花隙开关，也可以用闸流管或真空开关等。 图1 3 变压器谐振充电示意图 f i g u r e1 3 t h eh i to fr a n s f o m e rr e s o n a t ec h a r g e 脉冲变压器和磁开关相接的新型窄脉冲电源。 中国工程物理研究所研制的新型窄脉冲电源【3 2 1 ，基本原理是利用闸流管代替旋转火 花开关，再由脉冲形成线和磁压缩开关输出高压脉冲。电源平均功率1 0 0k w ，脉冲电 压峰值1 0 0 1 5 0k v ，脉冲上升前沿小于5 0n s ，脉冲宽度2 0 0 - 5 0 0r l s ，重复频率5 0 - 2 0 0 h z 。原理图如下，将高压脉冲电源分成四个部分，谐振充电系统、高压脉冲形成系统、 磁锐化系统、控制及监测系统。关键部分是磁开关s m 和脉冲变压器的制造。在重复频 率不太高时，磁开关的材料可用铁氧体来制作，脉冲变压器从国内技术看制作并不困难a 但是应该看到，困难是存在的，特别是负载变化时，这给磁开关s m 的设计带来很多困 难，另外磁开关的动态范围有限，电压的调节范围不能太大。 图1 4 磁开关的供电示意图 f i g u r e1 4t h eh i to f m a g n e t i c s w i t c h 由于磁压缩技术还不成熟，固态开关的价格、能量受限，所以近期内，只能通过改 高压双窄脉冲电源的设计与研究 善火花隙开关和优化电路设计来实现电源的改善。供电电源的整流变压装置和控制方 面，已多次换代，但是影响脱硫脱硝的许多物性参量难以定量确定，电源和本体的阻抗 匹配及其调节尚未完满解决，常规电源难以调整到电压尽可能高时有适度的电晕电流， 由于受发生器本身电容的影响，脉冲供电很难获得陡峭的窄脉冲波形。 1 1 5 电源和反应器之间的匹配关系 脉冲电晕中要求的纳秒级脉冲电源，输出特性受负载影响较大，电极间隙的等价电 容和非线性等价电阻不仅影响脉冲电压的波形，还影响脉冲形成回路的效率。电源和反 应器的匹配，不但提高能量的转化效率，也延长电极的寿命。文献”提出加以直流偏压 的方法来提高除尘效率，增加一直流偏压，并不能提高峰值电压的峰值，但可以提高平 均电压，既可以提高电晕电流，从而使下一个脉冲快速形成，上升时间短，同时，直流 基压还清扫前一个脉冲放电场中的离子，减少电场中电子复合数量，对向反应器注入脉 冲能量有利。对于一个给定的高压脉冲发生器，有两个方面可以完成其匹配：一、改变 电晕线的直径从而进行有效的电阻匹配；二、增加直流偏压提高匹配。反之，对于一个 给定的电晕发生器，提高峰值电压，使输出电阻等于电晕发生器本身的电阻，则达到最 佳匹配p “。 脉冲电晕技术成本较低，无二次污染，可同时脱硫脱硝，有较好的应用前景，可是 影响脉冲电晕技术产业化的主要问题还有待于解决：如何实现高压脉冲电源的大功率、 窄脉冲、长寿命；如何将脉冲电源和反应器进行合理的有效匹配，提高气体脱除的功率； 如何解决能耗较高，提高电源的供电效率。目前，大功率脉冲电源已经成为制约电晕脱 硫技术发展的一个瓶颈，实现高性能脉冲电源和反应器的有效匹配将大大加快脉冲电晕 技术实现工业化应用的进程。 1 2 本文的选题和基本内容 脉冲电晕技术是增田闪一先生于1 9 8 6 年提出的，之后，意大利、加拿大等一些国 家都进行了许多研究工作。目前，国内外的实验结果表明，该技术是可行的，并取得一 些试验研究结果，并开始进入工业性试验阶段。但是，为使该技术工业化，下面几个问 题还需要进一步研究。 ( 1 ) 大功率纳秒级高压脉冲电源 脉冲电晕技术的工业要求是在有载条件下，脉冲电源能提供小于l o o n s 的上升前沿， 峰值超过l o o k v 的脉冲电压，对于小烟气量锅炉或实验室而言，数十千瓦的纳秒脉冲高 压电源通过间隙开关、真空开关等器件较易实现。但是，间隙式开关寿命较短，脉冲重 复频率低，而大烟气量的工业锅炉要求脉冲电源输出功率大，用间隙开关式和真空开关 等技术的脉冲电源难以实现，主要原因是开关热效应大，难以灭弧关断，因此，商功率、 长寿命、高重复频率的开关是脉冲电源实现工业化应用的关键，目前为止，该问题仍没 有得到很好解决。 ( 2 ) 脉冲放电等离子体反应器的优化设计，提高反应器的能量注入，提高放电等离子体诊 断技术是研究的重要内容。 ( 3 1 电源与负载的匹配 实现供电效率、脱除效率的有机结合，电源与负载的匹配研究有很重要的实践价值。 本文选题是结合国家“十五”重点科技攻关项目“脉伸放电等离子体烟气脱硫技术 研究”( 0 0 - - 9 1 0 - - 0 2 - - 0 1 ) ，设计高压双窄脉冲电源，研究电源参数与回路参数的关系， 实现高效的供电是本文的主要研究内容。针对以上问题，在以下方面进行了研究： 6 高压双窄脉冲电源的设计与研究 ( 1 ) 通过对高压脉冲放电回路方程的理论分析，推导了脉冲电压、脉冲电流、上升时间、 脉冲宽度与放电回路参数之间的关系，建立了高压脉冲放电回路的数学模型。 ( 2 ) 设计了双脉冲电源，分析了回路元件电气参数对脉冲波形的影响，总结出回路电感、 回路电阻和脉冲成形电容等参数的计算方法。 ( 3 ) 通过实验数据分析，对反应器的性质进行了探讨，分段表示了线筒式反应器的非线 性电阻，研究了电源输出波形的几个参数与电源、负载、外界条件的关系，提出脉冲电 晕优化的几个重要的因素。 ( 4 ) 通过对注入能量的试验波形和光谱分析，使用有效功率、有效时间的概念对能量的 注入进行了研究。 7 高压双窄脉冲屯源的设计与研究 2 高压脉冲放电回路的理论分析 本章利用气体放电原理，对反应器的性质进行，探讨，并将其进行了等效；根据等离子体特殊 的性质，阐述了使用光谱仪对能量注入测定的合理性；通过对高压脉冲放电回路的理论推导，获得 了上升时间、脉宽、电流等波形参数与回路参数的理论关系，建立了上升时间、脉宽的数学模型 为双脉冲电源的设计提供了理论依据。 2 1 引言 气体放电是指电离过程中产生的带电质点( 电子和离子) 在电场作用下在气体中运 动的所有形式。仅有中性分子组成的气体是完全不导电的，然而由于自然电离因素的作 用，气体中总存在一定数量的自由电荷，使气体具有一定的电导，但这种电离因素的强 度q t t , j , ，应用人工电离因素可以将气体中的电流密度提高很多倍，下图是均匀电场中通 过气体间隙的电流与所加电压的关系3 5 1 。 图2 1通过气体间隙的电流与所加电压的关系 f i g u r e 2 1c u r r e n to f g a sc l e a r a n c ef o l l o w i n gv o l t a g e 开始，随着电压的增加，越来越多的电荷在电场作用下到达电极，因此间隙中的电 流也相应增加( o a ) 。a b 段电流实际上不变，这是因为外部电离因素所建立的全部电 荷都落入了电极的缘故，饱和电流i s 只由作用在间隙上的电离因素的强度所决定。电压 继续增加，电流也急剧增加( b c 段) ，这说明在电场作用下气体的电离过程有了强烈的 发展。在电压为u 0 时，间隙中的电流急剧增加，使得间隙失去电介质的特性而变成导 电体的性质。 气体间隙的电极之间出现高电导通道的现象称为击穿，气体的击穿叫做放电。相应 于特性曲线a b c 段的放电称为非自持放电，在这一段，气体间隙中的电流是有外部电 离因素的强度决定的，c 点以后的放电称为自持放电，在这一段，放电电流值与电路本 身的参数( 回路的阻抗和电源的功率) 有关，并不需要有外部电离因素形成带电质点来 维持放电，开始自持放电的电压u 。称为起始电压。 当气体压力较小时，由于单位体积中气体分子的数量不大，间隙不会具有大的电导， 这时就发生辉光放电。辉光放电时的电流密度不大( 卜5 m a c m ) ，放电占据了电极间的 整个空间，当气体的压力接近和超过大气压时，如果电源的功率不大或者间隙上所加电 压的时间较短，就发生火花放电，形式是电极间出现断续的火花，当电源的功率很大时， 火花放电就转入电弧放电，但这个过程的完成需要一定的时间，所以施加电压的时间较 8 高压双窄脉冲电源的设计与研究 短时，火花放电不会转入电弧放电。极不均匀电场中的自持放电总是从电晕放电的形式 开始的，电晕放电只在气体间隙中电场强度最高的地方( 电极的尖角附近) 发展。当继 续增高所加电压时，电晕放电就转入火花放电或电弧放电。 碰撞电离系数a 随着电场强度e 的增加而很快的增大，所以e 超过引起自持放电的 初始场强e o 很小的数值时，就足以使电子崩所再造的电子数大于l 。这时气体间隙中被 电离的质点数急剧增加，在电极间就建立了大部分分子被电离的通道。等离子体是在放 电时产生的，而且放电通道有足够高的电离程度。放电通道电离程度越高，则等离子体 得到典型就越好。等离子体有特殊的性质，物态象气体，又有许多金属所固有的特性， 特别是它具有高的导电性并能反射电磁波，往往把其称为物质的第四态。因此，用光谱 仪对等离子体进行定性的测定，是十分可行的。 陡前沿的窄脉冲，可在反应器内快速建立强电场，由于脉冲窄，离子没有加速，而 电子获得较大的能量，避免了直流供电时的能量浪费。一般认为影响脉冲放电特性的因 素主要有脉冲上升前沿时间、脉冲电压峰值、脉冲宽度、气体成分。快的脉冲上升前沿 和高的脉冲电压峰值可以使电子在自由程内受到突发性强电场的加速而得到足够的能 量，他们与中性气体分子和原子进行非弹性碰撞，使这些中性粒子的激发、分解和电离 更为强烈，同时放电间隙允许加上很高的过电压而不产生火花放电。脉冲宽度窄，可有 效防止粒子在电场中的加速而引起的能量浪费。上述决定脉冲放电特性的因素又同放电 回路参数( 脉冲成型电容、静态电容、回路电阻、电感等) 有关。本章对影响脉冲放电 特性的放电回路参数进行较详细的数学分析，由脉冲电压、脉冲电流、脉冲上升前沿和 脉冲宽度的表达式，分析反应器模型中的非线性电阻随时间的变化。该分析以反应器为 负载，在常压空气中作脉冲电晕放电试验，测量脉冲电压和电流波形，推导出理论结果， 为下一章的脉冲电源的研制奠定理论基础。 2 2 脉冲放电回路的理论分析 2 2 1 供电回路的理论分析 脉冲电晕烟气脱硫要求高压纳秒级脉冲具有脉冲前沿陡峭、脉冲宽度窄的特点 所设计的脉冲放电回路如下图所示。 图2 2 双脉冲供电回路图 f i g u r e 2 2t h el o o po f p u l s ed i s c h a r g e 其中d 为高压硅堆，c ，为脉冲成型电容，c 。为储能电容，芷是一个旋转火花隙， 两边的是正负高压发生器。当开关旋转，各个支路不断的闭合，完成对电容的充放电， 脉冲成形电容c ，对负载( 反应器) 充电，当电压超过起晕电压之后，出现击穿流光， 9 高压双窄脉冲电源的设计与研究 反应器在脉冲前沿时间内完成了初始电子一电子雪崩一流光一导柱的放电过程。由于反应 器经过上面的气体放电过程，等效负载变得复杂，大体上，把它前期作为个充电过 程，等效为一个电容，随着电压升高，电容开始放电，这时可把它看作一个线性电阻， 从丽负载为静态电容同一个非线性电阻并联的模型代表。不管是容性还是阻性，它都 随着放电过程的变化而变化，它仅仅在一个很小的范围内保持着线性变化。 由于脉冲是作用时间极短的电压或电流，可以是周期性的，也可以是非周期性的， 其主要参数进行理论标定：是脉冲峰值，z 是脉冲上升时间( t 0 9 0 ) ，耳是脉 冲的下降时间( 9 0 1 0 ) ，耳是脉冲宽度( 5 0 ) ，周期，脉冲宽度比d = ，瓦3 6 1 。 负载波形有两部分组成，基波和谐波，前者频率为脉冲重复频率的正弦波分量，其 他分量称为谐波，各次谐波振幅不同，并随着谐波次数的增高而减少，一个脉冲波形可 以看作是由基波以及基波频率成整数倍的无数次谐波叠加而成，谐波非常有用，它把脉 冲的暂态过程和稳态的正弦过程有机的联系起来，脉冲的上升和下降时间愈短，谐波次 数愈高，高次谐波的频率就愈高，所占带宽就越宽。 充电过程：e = u c + 七尺 充电过程是极板电荷量积累的过程，端电压不能发生突变。充电电压电流关系可表 示如下： u c = e o g ”、 放电关系式： u = e e r c 2 1 2 2 由2 - 1 、2 2 式可以看出，充放电波形图由r c 决定，r c 称为充电常数，一般用t 表 示【3 6 j ( 又称为自由分量) ，充电时，自由分置随时间的增大而趋于零，该自由分量衰减的 快慢确定了充电时闻长短，r c 愈大，自由衰减愈慢，反之，则快，充电电压要达到u 。， 时间为无穷大，但是，一般情况下，丁= 5t 是就算充电结束，充电电压已经达到了9 9 - 3 ， 同样，放电时，5t 即为放电结束，充电的波形图如下。 o 6 3 图2 3电容充电的关系曲线 f i g u r e 2 3t h ec u l w eo f c a p a c i t a n c ec h a r g e 参数确定：如果充电电压确定，由硅堆和变压器允许电流选择限流电阻，电容c 大 高压双窄脉冲电源的设计与研究 小与装置能量国的大小有关， w ：c u 2 2 - 3 z r ，c 确定，充电时间确定。 2 2 2 脉冲充放电回路的数学分析 放电回路的寄生电感和电容对高压纳秒级脉冲波形的影响比较大，特别是脉冲上 升前沿主要决定于这两个参数，因而分析放电回路参数对脉冲放电波形的影响、电源 的研制有很重要的实际意义。 充电回路由调压器正、隔离变压器e 、倍压电路、硅堆d 、限流电阻r 、滤波电 容e 、脉冲成形电容c ，组成，电网中的交流通过倍压，送入e ，通过隔离间隙对c ， 充电。 放电回路是脉冲成形电容巳对负载放电，其中r 是回路总电阻，三为回路总电感， q 为反应器静态电容，墨为非线性电阻。双脉冲供电是一个间隔性的放电，和单脉冲 的放电回路原理理论上一样，放电回路如下图所示。 图2 4 容性负载放电回路 f i g u r e2 4t h ed i s c h a r g el o o po f c a p c i t a n c e l o a d 这个放电回路可分为两部分，充电电压较小，电阻墨很大，负载看作一个电容，阻 性视为开路，认为是充电过程；充电电压较大，建立导电通道，线性电阻很小，该负载 看作一个电阻尼，容性忽略不计，认为是放电过程。根据图2 4 ，根据充电过程，写电 压回路方程。 咿l c 争珊i d u e + u c 2 1 4 式中u o 为脉冲成形电容上的电压值，对c ，来讲，又是一个放电过程，表达式如下 一l u 。= “e “。 其中u 是脉冲成形电容的峰值， 解2 4 的零输入态的特征方程， 高压双窄脉冲电源的设计与研究 l c 茫4 - r c 2 - 4 - l = 0 特征根 ：等一r 刀( 手) 2 一去 假设d = 刍= ( 予) 2 一云1 c 时，卢= 了蟊1 ，此方程可等效为 u c 一2 u j r 4 t ce - 昙、| l 暮 r t c 由此的该电路的衰减系数口= 南 振荡频率，。丽1 该电路为一个衰减振荡 当a 0 时，即，很大， u = c l p 一4 + 们+ g e 一。一卢1 。 1 2 2 5 2 6 2 7 2 8 u = 一面u e 一“s i i l 卢 2 9 2 1 0 2 1 1 2 ，1 2 高压双窄脉冲电源的设计与研究 是一个襄藏电始，在这里，小冉分机。 随着电容上的电压升高，负载上出现了导电通道， 作一个导电电阻，放电过程电路如下。 此时的状态方程如下所示 争+ 专警= 解方程得 一r i + r ， u c = u 。8 。 下面是充电时该电路的零状态方程， 三l d 2 u c + r c 堕+ u = 沈一面 d t 2d t 令玩= c i e ”9 代入上述方程得 ，一 竺蔓： l 1 一缸一，2 c p c + r 2 c p 2 玑的最大值等于c 1 ， 其零状态方程：u = i 蔫。一毒 下面是放电时该电路的零状态方程 ( 1 + 秽r + l 焉d 西u _ _ l c = 沈一i 令u = c l p ”9 代入上述方程得到( 同样，= r ) c 1 = 覃石u r 币i r c e 零状态方程如下 = 丽u 忑r i r c 啊e e 一丐 由此，整个波形过程中的全状态方程如下 r 峥半e 音s i n 面1 1 cr + 蔫p - e 告 lr叫 f c f c 十rc 1 2 1 3 阻性的特征开始显著，c 此时看 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 2 1 8 2 一1 9 2 2 0 2 2 1 充电时 2 2 2 高压双窄脉冲电源的设计与研究 虬嘶一半+ e 一毒 放电时 般，c ， c 一，故s - “i 巧1 ，这个放电过程可以看作一个常量，又因为所研究的 对象是纳秒级脉冲，上升前沿时间很小，e “，“1 ，同时可以认为w d ( j ，一日) ，2 2 2 式 即反应器脉冲电压的表达式可进一步简化，上式可变为： ru 一半e 音s i n 去m 充电时2 2 3 1一型， lu = 。el 。+ 矿放电时cu 阻性和容性在实际中经常是交错的，充电电压升高，阻性占优势，降低，容性显著， 各种复杂的性质造成了复杂的波形。回路电阻、回路电感、负载电阻决定了波形的衰减， 回路电感、负载电容决定衰减的频率。上升时间即负载c 的充电时间，有回路电阻、电 感、负载共同决定。当c ，固定后，负载的静态电容c 值的选择就成了关键，静态电容c 越大，理论上讲效率越高，c 越小，充电电压越高，这中间参数的选择就出现了矛盾。 c 太小，峰值电压小，效率低；c 太大，充不上