等离子体应用中高压脉冲电源的研制

华中科技大学
硕士学位论文
等离子体应用中高压脉冲电源的研制
姓名：钟生辉
申请学位级别：硕士
专业：环境工程
指导教师：李胜利
2003.5.6
华中科技大学硕士学位论文
摘要
ｌ脉冲功率电源是低温等离子体技术在环境工程应用中的关键设备，其总体能量转化效率和脉冲功率的容量是影响等离子体技术工业化应用的重要因素十本文首先综述了一系列典型的脉冲电源回路，以及当前国内外脉冲电源研究的最新进展，提供了了几种新的电源结构。

结合脉冲功率电源在环境工程应用中的要求和以往的设计经验，提出了新的设计思路。

在研制处理垃圾渗滤液的实用化电源中，分别对高压脉冲放电回路的原理电路进行了数值分析和仿真分析。

ｆ根据分析结果，对电路进行了具体的改进措施。

在电源控制回路中的设计中，考虑了一般的电路保护项目，加入了零电压启动的闭锁回路，并利用Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈实现了放电电压幅值的自动保护功能。

最后针对现场运行时复杂的放电环境，提出了绝缘匹配方案。

、ｌ
在脉冲高压开关电源的研制中，给出了电源的总体设计方案。

在其中的Ｂｕｃｋ变换器设计中，首先通过数值计算，给出电路元件的参数，然后利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对电路仿真分析，发现功率晶体管在开关瞬间在集一射极之间有浪涌电压出现，根据结果对电路加入了保护电路。

（经电路实验，验证了电路保护设计的成功；在半桥逆变回路设计部分，给出了电路的原理分析，依据电路设计参量选取了相应的电路参数；高频高压变压器作为半桥逆变回路的关键设备，影响着电路工作的可靠性和性能，主要针对它进行了具体的设计和分布参数分析。

１
关键词：脉冲功率电源’／Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈、／Ｂｌｌｃｋ变换器；半桥逆琴高频变压器
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ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＴｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓｄｅｖｏｔｅｄｔｏｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｎｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｕｌｓｅｄｃｏｒｏｎａｐｌａｓｍａｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ・Ｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｐａｒｔ．ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐｕｌｓｅｄＣＯｒＯｌＬａｐｌａｓｍａｉｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ，ｔｈｕｓ，ｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．Ｉｎｖｉｒｔｕｅｏｆｒｅｖｉｅｗｉｎｇｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｄｖａｎｃｅｓｏｎｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｏｎｅｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ
ｓｃｈｅｍｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．
Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐａｒｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓｏｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｌｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｌｙａｖａｉｌａｂｌｅｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｃｌｍｔｅ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｉｒｃｕｉｔ
ａｎｄｉｔｓｎｕｍｅｒｉｃａｌ＆ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｐｒａｃｔｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＲｏｇｏｗｓｋｉｗｉｎｄｉｎｇｉｓｕｔｉｌｉｚｅｄｔＯｃｏｎｆｉｎｅｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｃａｓｅｏｆｂｒｅａｋｄｏｗｎｉｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｃｈｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｉｓｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ．Ｔｈｅｔｈｉｒｄｐａｒｔｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｈｉｇｈ＿ｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｂｙｐｏｗｅｒ
ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｂｕｃｋｃｏｎｖｅｒｔａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈ
Ｓｉｍｕｌｉｎｋｆｏｒｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｂｕｇｓｉｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｆｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｎｒｅｍｅｄｉｅｄ．ＩｎｔｈｅｌｌａＩｏｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｂｅｓｉｄｅｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ’ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄｐａｒａｓｉｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆａＵｇｈｖｏｌｔａｇｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｋｅｙｐａｒｔｏｆｓｕｃｈｉｎｖｅｒｔｅｒｓａｒｅｍａｄｅｉｎｄｅｔａｉｌｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｕｌｓｅＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ
Ｈａｌｆ＿＿ｂｒｉｄｇｅＩｎｖｅｒｔＲｏｇｏｗｓｋｉＷｉｎｄｉｎｇＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔＨｉｇｌｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
ＩＩ
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Ｉ绪论
随着人类文明的发展，生产力的不断提高，矿物燃料的消耗逐年递增，导致了Ｓ０２和ＮＯｘ的大量排放，由于我国能源结构的特殊性，情况更加严重；同时它与工业和生活污水的排放一起破坏人类的生存环境，危害着人们的身体健康。

近年来，在环境污染物治理的研究中，不断涌现出多种高新技术，如：超声波、超临界流体、中空纤维膜分离技术、反渗透技术、光化学氧化法、光催化氧化法、催化湿式氧化技术等，大多尚处在研究阶段，也有些已经进行了中试，少数达到了工业化的水平。

Ｉ．Ｉ低温等离子体在环境工程领域的应用概况
等离子体是物质存在的第四种形态，按热力学平衡状态，可分为平衡态等离子体
（Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｐｌａｓｍａ）与非平衡态等离子体（Ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｐｌａｓｍａ）。

所谓平衡态等离子体，其电子温度Ｔｅ和离子温度Ｔｉ相等时，等离子体在宏观上处于热力
学平衡状态，体系温度可达到上万度，故又称之为高温等离子体（Ｔｈｅｒｍａｌｐｌａｓｍａ）。

当电子温度Ｔｅ＞＞离子温度Ｔｉ时，其电子温度可达ｉ０４Ｋ以上，而离子和中性粒子的温度只有３００—５００Ｋ，整个体系的表观温度还是很低，又称为低温等离予体（Ｃｏｌｄｐｌａｓｍａ）。

在２０世纪６０年代产生了等离子体化学，它利用等离子体放电来实现一定化学反应的。

作为一门交叉学科，等离子体化学涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学、高压脉冲技术等领域。

近十五年来，低温等离子体逐渐被用于支持污染控制和可持续发展战略，成为国内外学者研究的热门之一，处理领域从除臭、室内空气净化到烟气脱硫等方面，尤其对有毒及难降解物质应用前景更好。

【ｌ卅。

（１）汽车尾气治理净¨
汽车尾气有ＳＯ。

、ＮＯｘ、ＣＯ及微尘，危害人体健康，西安交通大学应用脉冲电晕等离子体活化法来控制尾气的排放。

研究表明，与其他方法相比，净化效率高，去除率可以达到８０％以上，能够满足日益严格的排放标准，而且不产生其他的有害气体，负效应少，突显等离子体活化法的优越性与先进性。

特别是，采用高压超窄脉冲流注电晕放电可使ＣＯ的氧化脱除率达８０％以上。

不过，
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＝＝＝＝≈＝＝＝＝＝＝＝≈；＝＝＝＝＝；≈＝＝＝＝＝＝＝＝＝；＝＝＝自
反应器的结构尺寸和反应器与脉冲电源的匹配对ＣＯ的氧化脱除有很大影响，它决定能量的转化利用率；由于车载的考虑，还要求高压电源小型化。

总之，
对电源的各种电参数和尺寸都有严格的要求，
（２）烟气脱硫
我国的能源构成以煤炭为主，煤直接燃烧释放出大量Ｓ０２，造成大气环境污染，加大火电厂Ｓ０２的控制力度显得非常紧迫和必要。

降低Ｓ０２排放的方法根据不同的控制点位置可分为三类：一类是燃前脱硫，例如微波法煤炭脱硫技术和高硫煤强磁分离技术：另一类是燃烧中脱硫，例如喷石灰石粉直接入炉法；还有一类，也是应用得最为广泛的一类，即燃后脱硫，也称烟气脱硫技术（ＦＧＤ），这类方法中应用较广的是湿式石灰石——石膏法，此法存在二次污染、设备腐蚀、工艺复杂等间题，投资和运行费偏高。

烟气脱氮的方法主要是氨气接触催化还原法，但烟气粉尘控制严格，所以探求一种技术上先进，经济上合理的脱硫脱硝新工艺一直是环保界关注的焦点。

目前，一种以在烟气中产生自由电子和活性基团为特征的新方法得到了很快发展，该法主要有两大类：电子柬法（ＥＢＡ）［ｓｌ和将脉冲功率技术与等离子技术相结合的脉冲电晕等离子法（ＰＰＣＰ）１９。

１０Ｈ”，前者在二十世纪七十年代由日本荏原制作所提出，它利用高能电子柬（５００－－８００ｋｅＶ）辐射烟气。

使烟气中０２和水蒸汽等产生分解，生成Ｏ、．ＯＨ等活性自由基，将Ｓ０２氧化后，与氨气反应生成氨肥，其脱硫率和脱硝率分别可达９０％和８０％。

但该法需昂贵的电子加速器，处理单位体积烟气的能耗也较高，并要求有ｘ射线屏蔽装置，难以大规模推广。

后者是在电子束法的基础上发展起来的，不同的是利用脉冲电晕放电产生高能电子（５－－２０ｅＶ）【ｌＩ】，省去电子加速器，不存在辐射防护。

它由Ｓ．Ｍａｓｕｄａ和ＡｋｉｒａＭｉｚｕｎｏ首先提出。

当治理大流量工业废气（比如烟气脱硫）时，由于废气中污染物浓度不高，我们不希望在净化废气的同时，使气体的温度升得很高而浪费电能。

利用脉冲电晕等离子体法产生５—２０ｅｖ能量的活化电子，轰击气体污染物；同时，产生大量的Ｏ、ＯＨ等活性自由基团，在电场局部区域造成氧化或还原氛围，进行氧化还原反应，促使污染物发生解离，能量效率比ＥＢＡ高二倍，投资是ＥＢＡ法的６０％，成为国际上千法脱硫脱硝的研究前沿。

低温等离子体技术的工业化应用的关键是在保证污染物去除率的基础上，降低能耗。

Ｈ前Ｒ本、意大利、荷兰、美国都在积极开展研究，已建成１４０００Ｎｍ３ｍ的试验装景，能耗１２－１５Ｗｈ／Ｎｍ３Ｉ捌。

我国在“八五”期间，“脉冲等离子体加氨脱硫”方
２
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问题没有解决；产生重复频率脉冲电压的开关寿命短；可靠性设计水平不高：电源系统的能耗高、功率密度低；直流高压充电电源部分对输入电压波动的适应性较差，其输入的功率因数较低，电源的品质和效率低下。

有必要借重于其它学科的发展，寻找新的手段来帮助解决这一系列问题。

１．２．４脉冲电源的发晨趋势
通常脉冲电源所用的直流高压充电器主要由工频升压整流获得。

随着功率半导体开关器件制造水平的不断提高，已额定工作电压１２００Ｖ～３３００Ｖ、额定电流５０Ａ～１２００Ａ的产品问世，逐渐应用于高压领域，出现了使用ＩＧＢＴ的串联调节再高频逆变升压整流、高频整流（ＡＰＦｃ）一高频逆变升压整流两种拓扑电路。

由此，直流高压电源系统在总体体积和重量方面得以小型化和轻量化，并具有高滤波效率高功率因数、宽稳压范围、高功率转换效率、高可靠性等等优点。

（１）当前国内外脉冲电源发展动态
借助于电力电子的发展，脉冲功率技术在原有电路拓扑结构基础上发展出新的脉冲电源拓扑电路结构。

文【１９１提出一种产生电晕等离子体的高压脉冲发生器，见图ｌ一９。

它利用晶闸管组成滤波整流电路对低压储能电容Ｃｌ充电，并用晶闸管触发，经脉冲变压器，高压储能电容Ｃｈ充电，利用火花间隙触发脉冲的。

型ｌ一９高压脉冲发生器和线筒反应器（１９Ｉ
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用功率变换技术，提出了一套实用化脉冲电源的总体设计方案。

其中，按照模块化设计的思想，使电源的各个组成部分能够独立出来单独使用。

如此，不仅便于凋试以及将来的维护，还利于增强电源的可靠性、灵活性和可扩展性。

１．３课题的来源和本论文的主要工作
近二十年来，随着我国工业化进程，能源结构不合理造成的燃煤烟气超量ＳＯ：和典型工业、生活污水的排放已严重威胁着人民的身体健康。

华中科技大学环境工程系李劲教授提出了用脉冲电晕等离子体水处理和烟气脱硫的新思路。

本课题组主要从事等离子体烟气脱硫及污水处理的应用研究。

华中科技大学环境工程系于１９９３年提出了放电等离子体氧化还原脱硫技术的新构想，利用流注电晕产生的非平衡等离子体的活化作用加氨去除烟气中的Ｓ０２，于１９９５年得到了国家环境保护局科技司立项支持。

随后，广东省电力试验研究所又对此项目给予横向立项支持，后因氨的制备和泄漏经济上难以解决，反应产物经济价值和利用的价值低，而研究中发现存在如下反应：
附２ｃｏ整皇竺堑竺－２Ｃｔｈ＋Ｓ
催化剂。

根据此原理，本课题组由氧化脱硫转到还原脱硫的思路上来，并连续数年得到武汉市科委的立项支持，这是本课题的项目来源之一。

对于如垃圾场渗滤液这样的污水，成份复杂，难以降解、有毒、致癌、致突变，一般的水处理技术又达不到很好的效果。

目前基于强氧化基团作用机理提出了光氧化法、非平衡等离子体脉冲电晕放电法。

本课题的另一来源就是广东省中山市公共事业局垃圾场渗滤液处理技术改造中放电等离予体预处理装置的研制项目。

目前，脉冲电晕脱硫、处理废水的技术还不成熟，电源各项电参数对等离子体反应的产物的影响还不是很明朗，现在所用的电源可控性差、运行不稳定、不易搬运，不利于现场试运行。

有必要总结以往的探索，结合当前研究的新要求，研究一套新的脉冲电源，并为电源的实用化做前期工作。

由于课题有一定难度，而时间又有限，必须分阶段完成。

根据课题组的计划，作者的主要工作是研制一套实用化水处理用高压脉冲电源；针对目前所用电源的缺陷，利用电力电子技术研究研究一套新的高压脉冲电源：然后，将电源与催化剂相结合，研究催化剂载体与电晕放电的配合问题。

本论文完成的主要内容如下：
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（１）中山市渗滤液处理用高压脉冲电源的研制：
（２）研究高压纳秒级脉冲电源的前级充电回路部分（包括整流、逆变、倍压整流部分）：
（３）研究逆变电路所用中频高压脉冲变压器：
（４）对电源的进一步研究开发提出建议，并对全文的工作进行总结。

１２
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２实用化废水处理用毫微秒高压脉冲电源的研制
２．１前言
传统的废水处理方法主要有物理方法、化学方法及生物化学方法。

生物方法用于处理工业污水和生活废水，虽有其成本低、操作运行管理方便等特点，但同时法存在着占地面积大、污泥处理及二次污染等问题，在一些难生物降解的工业废水及对生物有毒性的污水处理方面问题尤其突出。

近年来，将高电压脉冲功率技术应用于难处理的工业污染物及其污水的深度处理的研究，引起了国内外学者们的广泛关注［２６－２哪。

该方法利用放电产生的低温等离子体，以及高能电子激发产生高氧化活性强氧化物质（ＯＨ、Ｏ等自由基）的作用和紫外光辐射，达到破坏污染物分子结构，降解难生物降解的污染物，提高可生化性和处理效率。

该法对处理对象无选择性，适用范围广，通常可以有效地将污染物彻底氧化降解，而且不依赖于环境温度和压力，不存在二次污染问题，展现出良好的应用前景【３¨“。

由于水的直流电阻很低，根据要在水中施加足够高的电压，放电产生瞬时高能电子束，需要一个可以产生纳秒级陡脉冲前沿的高压电源。

２．２高压脉冲电源的基本原理
脉冲电源工作的实质，就是将能量储存起来，再由开关瞬时释放。

根据储能元件，脉冲电源可分为电感储能和电容储能，后者作为产生高压强电流脉冲放电的脉冲功率成熟技术，再配合脉冲放电成形回路，可将输出脉冲的前沿控制在一百多纳秒以内，整个脉冲半高宽大约数百纳秒左右。

原理如图２—１叩，在充电回路中，经自耦变压器和高压变压器升压输出后，通过高压硅堆整流。

将能量储存在电容器Ｃ中；在放电回路中，利用间隙开关的击穿场强触发接通，使已充电的电容器对负载放电，在负载上产生高压的大电流脉冲。

华中科技大学硕士学位论文ＡＣＴ１：自耦调压器；Ｔ２：高压变压器；Ｄ：高压硅堆：Ｒｏ：充电电阻
ｃｌ：储能电容器；Ｇ：隔离间隙开关；Ｂ：波尾电阻，
图２—１电容储能式高压脉冲电源原理
２．３高压脉冲电源的数值分析
间隙击穿导通之后的瞬间，反应器尚未起晕，可视为一个静态电容；隔离间隙击穿之后，由于击穿电流在它上面造成的热效应，可等效为一个低值电阻：传输线按分布参数考虑，得到图２－－２所示近似等效电路。

其中，ｃｌ为储能电容，墨为隔离间隙的等效电阻，Ｌ、Ｃ、Ｒ分别为考虑分布参数和等效因素之后传输线和负载的电感、电容与电阻之和。

‘
ｉ
Ｌ．．．．．．．．．．．．．．．＋
Ｃｉ：储能电容：ＲＩ：隔离间隙等效电阻；岛：波尾电阻；￡：传输线的分布电感；Ｃ：传输线与反应器的分布电容之和；Ｒ：传输线与反应器的电阻之和；
图２－２初放电时回路等效电路模型
由上述脉冲放电的等值电路模型，作如下的数值分析口８】：
由于在脉冲触发初期，岛远大于线路的阻抗，可视为开路。

令墨＋Ｒ＝Ｒｏ，
１４
感．
ｄＴ
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虬：￡善＋晾讽
ａｔ
ｆ＿ｃ鱼
出
ｉ＝－Ｃｌ堕
西
初始条件：ｔ＝Ｏ时，Ｕｃ（ｏ）＝％，ｕｏ（Ｏ）＝Ｏ，ｉ（ｏ）＝ｏ
解此方程组，得：式中￡万ｄ２ｉ＋民罢＋丁ｉ＝。

则当例＞ＣＯｏ，处于过阻尼状态时，有
砸）＝—（Ｋｌ三－ＬＫ：）ｏＬ（ｅＸ：＿ｅｔＣ２ｔ）
州归‰南（等一等］（２—１）
油等弓／２√丽地糯卢廊，当蚓＜ｏＪｏ，处于欠阻尼状态时，有
ｆ（ｆ）＝ｅ８ｔ￥ｉＩｌ耐
州归器一器・ａ∞，ｏ＾ｉＩＩ（耐卅
厅／石ｆ，Ｃ
‘＂２ｉ／国。

ｉ‘４＂ｌ－菰Ｑ２。

刊厨√：（ｃｌ＋ｃ）一一鑫’Ｑ＿了ｏ）ｏ譬，
Ｋ。

：＝一６ｔｔ蕊。

∞＝ｔ砑．ｔ９８：一∞｜６
ｔ，，：脉冲前沿上升时间
但是，当／ｄｏ升至负载（也即反应器）的起晕电压，流注贯穿之前，反应器内的放电间隙
ｌＳ
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分解为两部分，如图２－－３，其一是高压电极与发展的主流注前沿之间的部分，它是流注发展的部分，视为导电区域，等效电阻彤（ｒ），承受的电压为“。

（ｒ）；其二是主流注头与地电极之间的部分，呈容性（ｃ，），压降为如（，）。

Ｃｏ：传输线分布电容；ｃｌ：储能电容；ｃｊ：流注头到低压电极的等效电容；
Ｒｉ：隔离间隙等效电阻：Ｒ２：波尾电阻；也：流注等离子体的等效电阻；
三：传输线的分布电感；Ｒ：传输线的电阻
图２－３反应器起晕后放电回路等效电路模型
根据图２—４所采用的电极结构，当电晕稳定发生时，
％（ｒ）＝Ｅ．ｄ（ｔ），．
ｄ（ｆ）＝Ｏｔ
式中Ｅ，：流注电晕内部场强（正极性时，Ｅｓｓ＝７ｋＶ／ｓ；负极性时，Ｅ＝ｌＯｋＶ／ｓ），ｄ（Ｏ：流注电晕发展的长度，
ｕ：流注发展的速度，且ｕ＝ｕ（Ｅ。

）
在流注电晕发展的时候，仍可将垦视为开路，令墨＋震＝民，图２—３电路的数值方程式如下：
Ｕｏ＝ＵＩ＋“２，Ｕ１＝瓦・ｏｒ
ｆ：一ｃ坐
’ｄｔ
（２－２）
ｆ＝Ｃ。

ｄ出ｕｏ～Ｃ，ｄ出ｕｚ－
虬＝池＋哮＋ｃ，鲁
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得到ｆ（，）的方程：
工孑ｄ２ｉ＋民面ｄ／＋了ｉ＝瓯ｃ，ｕ（其中，ｃ。

＝（ｃ＋Ｃ１），ｃ＝ＣｏＩＩＣ：）（２—３）由此，可见，式（２－１）与式（２－－２）有相同的特征值，式（２－－２）的数值解类同于式（２－－１）。

由以上分析可知，反应器所承受的电压和电流的最大陡度与放电回路的品质因数Ｑ和分布电感Ｌ密切相关，在电路欠阻尼时，电感的作用尤其显著。

２．４基于ＰＳＰＩＣＥ仿真分析的电源参数研究
高压脉冲电源作为脉冲电晕放电水处理的关键设备，其性能和电参数决定了反应器内等离子体状态，并最终影响着预处理的效果和能量利用效率。

根据国内外实验研究表明，脉冲电源电参数的设计应主要考虑脉冲的峰值电压和电流、脉冲前沿、脉冲宽度、脉冲脱尾、脉冲重复时间、脉冲极性等。

课题组总结了以前的研究结果，对脉冲电源提出如下设计要求：
（１）利用正极性的脉冲电压激发的高能电予，获得较大的活性区；，
（２）脉冲电压的前沿和脱尾应尽可能降低，在节能的同时，将能量压缩于更短的时间内，获得更大的脉冲功率；
（３）脉冲峰值电压要略高于反应器的火花击穿电压临界值，提高电源的利用率；
（４）脉冲宽度应保证在数百纳秒之内，根据反应器的火花放电电压来决定。

脉冲的极性、峰值可以通过改变储能元件的充电方式以及高压脉冲开关和反应器的设计来保证，而脉冲的前沿和拖尾不仅与主回路的元件参数有关，还受电路中分布参数的影响。

本文用ＰＳＰＩＣＥ（ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｗｉｔｈＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＥｍｐｈａｓｉｓ）电路仿真软件［３９，４０１的９．２．３版本，以图２－－１电源原理图和上一节中的数值分析为参考，从仿真的角度对回路进行暂态分析，研究影响脉冲波形的电源参数。

由上一节的暂态数值分析了解到，电路图２—２和２—３有相同的特征值，脉冲的变化是相似的，因此以下就以图２—２来分析。

２．４．１仿真基准参数的选择
（１）传输线的电感、电容与电阻的计算公式如下：
”
厶＝尝ｈ等々螽＾２ｐ专
其中口：导磁系数；占：介电场数：ｒ：线径：
ｈ：导线对地平均高度：ｚ：导线长度
以传输线采用铜材，以线长２ｍ、线高２ｍ、线径６ｍｍ为例，驴１４ｒｔｘｌ－Ｏ－７ｘ２ｋ而２ｘ２乩６８咄肌印舞９２ｘ２堋．２３衙
凡＝１．７２４Ｘ１０＿ｏ——＿＝丢＝１．２１９，，ｎ
”
万Ｘ０．０３２
（２）由实验数据表明反应器的视在电容值在１０００多ｐＦ的范围之内
（３）隔离间隙放电击穿时等效的火花电阻冠与放电电流和时间有关，
峙＿再丽（ｄ：间隙距离；口：火花常数，对于空气取值为Ｏ．８ｘｌＯ。

～ｌｘｌＯ＿５￡・伽２／（ｓ・Ｖ２）：Ｐ：大气压强）。

由此，开关击穿导通时火花电阻焉宜取值在数欧姆到数十欧姆之间。

（４）储能电容器的选择
由图２—２，并忽略ｃＩ经坞泄放的电荷，则放电回路的电压利用系数叩ｚ石潞，为保证脉冲发生器有足够的利用系数，ｃｌ至少比ｃ大５～ｌｏ倍，这里取５倍左右，为６．１，ｌＦ。

根据水处理的需要和反应器的设计，储能电容器的初始电压取５０ｋＶ。

２．４．２仿真分析
根据前面计算得到的参数，以图２—４的基准电路图，对电路进行仿真分析得到图２—５的输出波形。

其视在波头时间４７．８ｎｓ，峰值电压在３５１ｋＶ。

显然脉冲的前沿过长，峰值电压过高，与前面的设计要求不符。

据此主要针对分布电感Ｌ对脉冲前沿和峰值电压的影响进行考核。

１３
Ｃ
图２－－４仿真分析基准电路图２３ｎ
Ｏ－２０＾－‘●ａ●帅●０４●啪ＩｚＯｎ－ｌ●０ｎ，
ｊｖｔ●，
ｔｔ＿
图２—５反应器上的脉冲电压波形
根据仿真的数据如图２—６和图２—７显示随着回路中的电感增大，脉冲的波头时间迅速增加，同时脉冲的峰值电压也在增长。

根据电源的设计原则，这种情况显然是要极力避免的，需要根据影响分布电感的因素，综合考虑脉冲峰值和前沿时间来调整，比如：调低引线高度，增大线路上的电阻等等方法，一方面要满足脉冲陡峭的要求，
圈２－－６仅当电感变化时的反应器脉冲电压峰值
１９
另一方面又要保证脉冲峰值适当，既可产生电晕等离子体，又不至于发生强烈的击穿放电。

中山的电源正是基于这些原则，对回路参数进行调整，如：尽可能缩短引线路径、采用线径较大的铜导线、降低引线高度等降低电感值；在引线和反应器之间串入电阻，将脉冲峰值削低）。

此外，储能电容器也要使用低电感（＜２０ｎｉｌ）脉冲电容器，我们现场所用的是锡山市锡脉电器厂生产的ＭＷＦ一１００ＫＶ－０．００６ｕＦ型脉冲电容器。

脉冲电源所得到的脉冲波形如图２—８。

ｅ０
７０
ｅＯ
５０
一
∞
ｅ－４０
Ｙ
３０
２ａ
１０
Ｌ（ｕＨ）
图２—７仅当电感变化时的脉冲电压前沿时间
图２—８反应器的冲击电流波形
接击穿的结果，－Ｎ是由于环境和电压的长期作用下绝缘设备的老化。

一般选择绝缘材料时，已考虑了击穿电压的因素，出现绝缘问题主要在于设备的老化。

影响设备老化的因素主要有：电介质老化、臭氧老化、化学老化、电老化。

其中电老化是指高电压和高电场强度长期作用所引起的老化，有电弧放电、火花放电、电树放电等不同的老化形式。

绝缘材料在电场（或电压）的作用下，即便没有放电也会因：电流通过材料引起的热效应导致材料老化甚至发生热击穿；流过材料表面的电流的热效应使材料表面出现炭化通道ｆ州。

在中山的污水是在反应器内雾化后，置于脉冲电
晕等离子体环境来处理的，脉冲高压长期施加于系
统，绝缘环境极为为恶劣。

这里，反应器是由聚乙烯
板材制成，考虑到绝缘材料耐受冲击电压值一般是工
频耐压的２—３倍，是工频额定工作电压的５倍以上，
因此，在设计之初，主要是在反应器的器壁上使用防
滑闪涂料，避免受潮、因水雾结于壁上形成到导电通
路，发生沿面湿闪，最终破坏绝缘，反应器的结构如
图２一１３。

当反应器长期运行过后，发现在其顶部有大量的
结晶颗粒，且由高压电极进线端与反应器的接合部由
图２—１３反应器
于污水溅射，逐渐发展出几条放电通道。

经观察，此
通道随着脉冲重复频率的升高，由火花放电开始，然后是爬闪、电树放电，直至发生闪络、电弧放电，形成一条炭化通道。

而且所处理的垃圾渗滤液腐蚀性很强，对绝缘材料是一个极大的挑战。

因此，在实际中我们对反应器高压接入部分的绝缘裕度加强考虑，将脉冲放电电压作为反应器的额定工作电压来参考绝缘配合问题。

由于合成绝缘子具有以下优点ｍ删：
（１）机械性能优越：由于心棒由环氧玻璃纤维制成，其扩张强度是高强瓷的３～４倍，轴向拉力特别强；
（２）抗污闪性能好：合成绝缘子具有憎水性，伞形波纹表面不会沾湿形成水膜不易构成导电通道，其污闪电压较高，为同电压等级瓷绝缘子的３倍：
（３）商、ｆ电蚀性优异：绝缘子表面漏电闪络形成不可逆性劣变起痕现象，一般标准为不低于４．５级（Ｂ口４．５ｋＶ），而合成绝缘子为６～７级；
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（４）抗老化性能好：经电力系统十几年使用表明，表面不沾湿性及耐电蚀起痕性均无变化，说明抗老化性能良好；
（５）结构稳定性好：合成绝缘子为外胶装配结构，其内心为实心棒绝缘材料，不存在一般瓷悬式绝缘子的电化腐蚀，劣化合穿现象。

因此，在将高压电极与反应器隔离时所用的悬式绝缘子我们选用额定电压为３５ｋＶ的合成绝缘子；至于另外三个悬挂点则使用瓷套管，从而基本杜绝了设备的绝缘隐患，保证了反应器的长期免维护、无故障运行。

２．６本章小节
（１）阐述了脉冲高压电源的工作原理，分别在数值计算和电路仿真方面进行分析，指出随着回路电感的增长，电路由过阻尼向欠阻尼过渡，脉冲前沿时间增加的同时，脉冲峰值电压迅速增长且伴随着振荡；必须充分考虑放电回路分布参数对高压纳秒级脉冲的影响。

（２）高压电源控制回路的设计实现了过流、过压以及操作过电压等电路故障保护项目，保证了电源安全可靠地正常工作：并针对具体的反应器临界击穿电压的适当调整，利用冲击电流信号的测量，实现了放电击穿保护的功能，一方面提高了电源使用的效能，另一方面又降低了操作技能的要求，令操作使用人员不需专业的培训也能令电源在适当的电压范围工作。

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