用于湿式电除尘器的高频恒流高压直流电源

孙淮浦，陈宇渊

（1.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201821；2.上海激光电源设备有限责任公司，上海 201821）

用于湿式电除尘器的高频恒流高压直流电源

孙淮浦1，陈宇渊2

（1.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201821；2.上海激光电源设备有限责任公司，上海 201821）

针对燃煤电厂排放粉尘浓度≤5mg/m3的标准，燃煤电厂和钢铁厂脱硫烟气深度处理装置应运而生，即湿式电除尘器技术。然而湿式电除尘器烟气为饱和湿烟气，加之采用喷淋方式清灰，烟气特性变化幅度大，电场工作很不稳定，造成除尘效率的降低。高频恒流高压直流电源是惯性约束核聚变能源系统中的核心单元技术之一，用于湿式电除尘器后，可以很好地解决烟气特性变化造成的除尘效率低的问题，能够有效地保护湿式电除尘器收尘极。高频恒流高压直流电源功率因素高，转换效率高，在节能方面有显著效果。

湿式电除尘器；高频恒流高压；直流电源除尘；节能

湿式电除尘器的原理是通过向阴极施加负高压直流电，电极周围空气分子被电离，电离产生的正离子返回阴极，负离子则向沉淀极（阳极）迁移。在负离子迁移途中，部分离子碰撞烟气中的尘雾或由于静电吸引而吸附在尘雾上，使尘雾荷电。荷电尘雾在电场力的驱动下向沉淀极趋近并吸附于沉淀极。雾滴在阳极表面积聚形成水膜并依靠自重携带粉尘向下流淌。为防止阴、阳极表面可能出现的局部结垢现象，需定时进行喷淋冲洗，以保持表面清洁。喷淋时，电场极易出现闪络击穿的现象，尽管时间很短，但这种击穿对非金属阳极的影响是破坏性的，供电电源应能做到即时灭弧；电场正常工作过程中，由于烟气处于过饱和状态，工况稳定时，电压也比较稳定，然而，工作电流则可能出现过大或过低。过大易引发闪络，过低又会降低除尘效率。可见，湿式电除尘器对供电电源的要求非常严格。某公司开发的用于湿式电除尘器的高频恒流高压直流电源可以很好地满足湿式电除尘器的供电要求。

1 高频恒流高压直流电源原理

高频恒流高压直流电源由工频三相交流电输入，经三相整流桥变为两相电压源，再经过逆变器逆变成为高频交流电压源，通过恒流组件进行V/I转换把高频交流电压源转化为近似正弦的高频交流电流源，再经升压变压器将高频交流电流源转化为高频高压交流电流源，最后整流输出为高频恒流高压直流电源。所谓恒流是指其电路特性，而并不是说系统的输出电流无法改变，其真正含义是根据系统的实际情况选择设定的电晕电流，在系统运行中与电场电压、负载大小无关，即不受工况和负荷的影响，高频恒流高压直流电源系统的电路原理见图1。

图1 高频恒流电源原理示意图

2 用于湿式电除尘器的恒流高压直流电源

湿式电除尘器对PM2.5、PM10、SO2有很高的去除效率，但湿式电除尘器所使用的阳极大部分为导电玻璃钢，喷淋清灰时，电除尘器内发生闪络或者瞬态短路在所难免。电厂脱硫后湿式电除尘器的烟气量都比较大，对660MW以上的机组，湿式电除尘器所配的电源的规格一般都大于72kV/2.0A。在电场容量大、电源功率高的情况下，电场出现闪络时，灭弧的难度增加，火花对本体的伤害也大。而高频恒流高压直流电源可以有效解决此问题。

2.1 高频恒流高压直流电源系统框（见图2）

图2 高频恒流高压直流电源系统框图

从上述的原理图中可以看出，二次电流和二次电压的采用不经过传感器，直接通过V/F采样板，将电压转换频率，通过光纤转入150M的DSP主控板，整个判断过程为1～2个μs。

2.2 湿式电除尘器发生短路时保持恒流

高频恒流高压直流电源是电流源的一种，能直接控制、调整电流，负载发生变化甚至出现短路，输出电流恒定不变，这就是“恒流”的含义。输出电压U=I×R（负载的等效电阻值），随着负载的变化而变化，当湿式电除尘器发生短路时，R=0，输出电压U=0，则输出功率P＝U×I=0，即注入电场的功率为0，这就对本体起到了很好的保护作用。设若使用电压源供电，当湿式电除尘器发生短路时，输出电压U不变，R=0，输出电流I=U/R→∞，输出功率P＝U×I→∞，这种瞬态高能位输出必定会对电极产生损伤，逐次累积的结果对湿式电除尘器是灾难性的。

2.3 对工况变化的适应性好

进入湿式电除尘器的烟气参数并不是一成不变的。当烟气的温度、湿度及浓度等发生变化时，其放电特性也会发生变化，电场等效电阻值同样发生变化。当烟气浓度增加时，电场的等效电阻是增加的，高频恒流高压直流电源的输出电压会随着等效电阻的增加而增加，运行电压和电晕功率呈现正反馈跟踪特性。恒流电源与可控硅电源供电的负载跟踪特性的对比见表1和表2。

恒流源：根据欧姆定律知U = I×R，得到恒流源的负载跟踪特性，见表1。

表1 电流源（恒流源）供电的负载跟踪特性

电压源：根据欧姆定律知I=U/R，得到恒流源的负载跟踪特性，见表2。

表2 可控硅（恒压源）供电的负载跟踪特性

从表1、表2可以看出，恒流源具有正反馈的跟踪特征，随着浓度的增加，其除尘效率是恒定的，而可控硅电源与之相反。

2.4 火花抑制特性

2.4.1 高频恒流高压直流电源遇到火花时其供电特性

当湿式电除尘器产生火花时，电压源只能通过减少导通角的方式，大幅降低输出电压，然后再逐渐地增加导通角，其恢复时间较长，除尘效率难以保证，而高频恒流高压直流电源当产生火花时，电压迅速降低，当火花结束时，电压可在微秒级内上升，对除尘效率几乎不产生影响。见表3和图3。

表3 高频恒流高压直流电源供电的火花抑制特性

图3 高频恒流高压直流火花熄灭过程

2.4.2 高频恒流高压直流电源的火花参数设置

高频恒流高压直流电源的火花设置参数见图4。

图4 高频恒流高压直流电源的火花参数设置

通过上述参数的设置，当电场在运行时有效地避免了持续的拉弧，可以更加有效保护湿式电除尘器。

当高压直流电源的规格比较大（大于72kV/2.0A），由于其能量比较大，额定输出功率P=7 2×2.4＝172.8kW，发生火花时尤其是形成放电通道时，非常难以灭弧，高频恒流高压直流电源有效地解决了此问题。

并且当火花放电的次数过于频繁时，高频恒流高压直流电源自动降电流运行，并能自动恢复。当降电流次数达到设定次数时，电源发出报警，提示操作员出现负载故障，见图5。

图5 高频恒流高压直流电源火花控制操作界面

2.5 高频恒流高压直流电源特点

2.5.1 变压器绝缘

作为重要组成部分的油箱采用特殊工艺处理，油和水隔压分离，保证变压器绝缘油绝不污染，可长期使用。

2.5.2 冷却

油箱和IGBT闭环强迫水冷（水流过IGBT底部），解决了大功率高频恒流直流电源长期运行发热，绝缘油失效的难题。同时避免IGBT的早期失效。延长电源的使用寿命。

2.5.3 通讯

高频恒流高压直流电源采用以太网光纤直接接入主控板，高频恒流高压直流电源的通讯输出端口，直接为光纤，无论是高频恒流高压直流电源内部还是外部的抗干扰性都非常强，采用标准modbusTCP/IP协议，入网方便，组态方便。

2.5.4 iEC

高频恒流高压直流恒流电源设计严格参照IEC61000，并整机通过中国船舶工业电磁兼容检测中心认证，确保高频恒流高压直流恒流电源的运行不会干扰电网中其他电气设备，见图6。

按：“龀鬈”，童年。“龀”指儿童换齿。即脱去乳齿，长出恒齿。《国语·郑语》“府之童妾未既轧齿而遭之” 韦昭注：“毁齿曰轧齿。”“鬈”指把头发分开，垂在两侧。故用“龀鬈”指称童年时。“龀鬈”一词，《汉语大词典》未收。

图6 高频恒流高压直流恒流电源传导骚扰测试波形图

2.5.5 安规

高频恒流高压直流恒流电源整机设计过程严格按照安规标准IEC61010，该产品已通过国际知名安规认证公司NEMKO认证。

2.6 湿式电除尘器控制

湿式电除尘器不仅控制高频恒流高压直流电源，还需要监控一些压力、温度等控制点，需要在程序中使这些控制点与高频恒流高压直流电源形成联锁，以保护湿

式电除尘器。控制总图见图7。

图7 湿式除尘器控制总图

2.7 节能效果

高频恒流高压直流电源采用IGBT逆变技术，变压器铁芯采用非晶材料，相对于可控硅电源，功率因素更高，损耗更低，有着明显的节电效果。以72kV/2600mA电源为例，高频恒流高压直流电源与可控硅电源的输入视在功率对比见表4。

表4 两种电源输入视在功率对比

高频恒流高压直流电源。

可控硅电源

因此四台电源一年可以减少耗能为：

若按工业用电计算，每度电电费为1元，则一年节省2,827,728元。

考虑到电源不能满负荷运行，按照额定80%运行计算：

则可以节省2,827,728×0.8＝2,262,182.4元。

3 案例

3.1 广东某电厂

电源规格：HLG-2-72kV/1200mA－W，1台机组4台套。

本体厂家：厦门某环保公司，在热态情况下，机组为300MW输出小于5mg/m3，每个电场运行数据见表5。

表5 恒流源在广东某电厂的运行数据

3.2 华能德州某电厂

电源规格：HLG-1-80kV/1700mA－W×4台，HLG-1-80KV/1400mA-W×8台。

本体厂家：山东某环保公司，在热态情况下，机组为2×660MW输出小于5mg/m3，每个电场运行数据见表6。

表6 恒流源在华能德州某电厂的运行数据

3.3 天津某电厂

电源规格：HLG-1-72kV/2400mA-W，1台机组6台套。

本体厂家：西安某环保工程有限公司，在热态情况下，机组为1000MW输出小于5mg/m3，每个电场运行数据见表7。

表7 恒流源在天津某电厂的运行数据

3.4 山东某钢铁股份有限公司2×265m2烧结机

电源规格：HLG-2-80kV/1300mA-W，2台烧结机机头，共6台套。

本体厂家：山东某环保公司，烧结机排放输出小于5mg/m3，每个电场运行数据见表8。

4 结束语

电厂和钢铁厂脱硫烟气的深度处理已成为不可或缺的大气污染治理的有效手段，湿式电除尘器在环境保护方面的作用越来越突出、应用越来越广，而切实保证湿式电除尘器的正常、高效运行状态则是高压供电装置的基本要求，高频恒流高压直流电源可轻松满足湿式电除尘器的工作要求。高频恒流高压直流电源把恒流供电的优势进一步提升，又兼三相供电平衡、占地少、节能显著、控制精度更高等突出优点，将成为湿式电除尘器及其他电除尘器高压供电装置的首选。

表8 恒流源在山东某钢铁厂的运行数据

[1] 邱关源．电路[M]．北京：人民教育出版社，1982．

[2] 黎在时．静电除尘器[M]．北京：冶金工业出版社，1993，6．

[3] JB/T 11074-2011，电除尘用恒流高压直流电源标准[S]．

声 明

为适应我国信息化建设需要，扩大作者学术交流渠道，本刊已加入“中国期刊全文数据库”“中国学术期刊综合评价数据库”“中文科技期刊数据库”“中国核心期刊（遴选）数据库”“中国学术文献网络出版总库”“万芳数据库”“重庆维普数据库”“博看网数据库”“中邮订阅网数据库”“超星订阅数据库”等。作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意将文章编入以上数据库，请在来稿时声明，本刊将做适当处理。 《中国环保产业》编辑部

High-Frequency and High-Voltage Constant-DC Power Supply for Wet Electrostatic Precipitator

SUN Huai-pu1, CHEN Yu-yuan2
(1. Shanghai Institute of Optics And Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Shanghai 201821; 2. Shanghai Power Equipment for Laser Co., Ltd, Shanghai 201821, China)

Current high-frequency and high-voltage constant-DC power supply is one of the core cell technologies in energy system of Inertial Confnement fusion. After use of wet electrostatic precipitator, it can solve the problems of low effciency of dust removal caused by the change of fue gas characteristic and safeguard much dust collections of wet electrostatic precipitator. The power factor of DC power source with high frequency, constant fow and high voltage is high and the transferring effciency is high too, it shows a notable effect in energy saving.

wet electrostatic precipitator; high frequency, constant current and high voltage; dust removal of DC power source; effciency; energy saving

X701

A

1006-5377（2017）01-0022-05