兆瓦級加速器直流高壓電源的設計應用

1 引言

隨著人們對環(huán)保技術(shù)的探索，加速器也逐漸被應用于環(huán)保產(chǎn)業(yè)中，電子束法電廠煙氣脫硫脫硝就是一例。該類加速器的電源功率要求達到 1000kW,而對電壓要求的等級不是很高，1MV 左右即可。由于該類加速器能耗較大，因此，人們對其進行設計時更多的關(guān)注能量的轉(zhuǎn)換效率。三相變壓器型的 直流電壓發(fā)生器可以達到 90％以上的能量轉(zhuǎn)化效率，較好的滿足了市場的需求。同樣可以達到這一要求的是絕緣芯變壓器型電源，但是該類電源的結(jié)構(gòu)復雜，一旦設備發(fā)生擊穿后維修困難。普通的三相 變壓器型電源結(jié)構(gòu)更簡單，維護更加方便。

下表給出了目前使用較多的工業(yè)加速器用直流高壓電源的性能比較[1]



可以看出，變壓器加橋式整流電路型電源和絕緣芯變壓器型直流高壓電源的效率較高，而絕緣芯

變壓器型電源和地納米型電源在電壓等級方面比較有優(yōu)勢。出于工程實際應用的考慮，我單位目前設計的加速器直流直流高壓電源技術(shù)指標為輸出電壓1.2MV，輸出功率 1200kV，電壓不穩(wěn)定度<±5％，效率>95％。

1.1 電源類型的確定

電子束輻照處理電廠尾氣對電子束的能量穩(wěn)定度不高，僅要求長時間（連續(xù)運行 1 年），大功率束流（1000mA）的穩(wěn)定輸出。以往的電子加速器系列所用高壓發(fā)生器二次側(cè)都采用電容倍壓線路來整流，這樣的好處之一是可以使二次線圈的匝數(shù)比普通整流方式時減少一半。但是實際操作經(jīng)驗表明這樣的整流方式也降低了供電的穩(wěn)定性，隨著電壓等級到升高到 4 或 5MV 時，所用電容數(shù)會是 2.5MV，100kW 的高壓發(fā)生器所采用電容數(shù)目的 3－4 倍。而且此時由于電壓等級的升高，高負載電阻和整流管的體積也會相應的增大，從而影響到高壓發(fā)生器的整體體積。因此俄羅斯電物理室近幾年研制的加速器用高壓直流高壓電源的二次側(cè)均采用橋式整流方式。

綜合考慮各類直流高壓電源可達到的電壓等級，實現(xiàn)原理以及維護方便因素，我們的電源采用三相變壓器接橋式整流電路型，在每個次級線餅后接硅堆整流，將整流后電壓疊加形成 1.2MV 直流高 壓輸出。

由于電源主體結(jié)構(gòu)為三相變壓器型，在功率上并沒有限制，只要增大鐵芯的截面積就會增加電源的功率容量。閉合的磁路提高了能量轉(zhuǎn)換效率，可達到 90％以上。

為了保證電壓輸出的穩(wěn)定度，我們的電源次級采用星－三角交替聯(lián)結(jié)，使電壓波動由原來的每周期六脈動增加為十二脈動，理論上電壓的不穩(wěn)定度小于 2％。

1.2 絕緣介質(zhì)的選用

鑒于以往一些采用油絕緣的加速器直流高壓電源發(fā)生過絕緣方面的故障，綜合考慮運行安全和減少占地面積等因素，我單位目前設計的電源采用高壓 SF6 氣體作為絕緣介質(zhì)。這樣既提高了耐壓等級，又極大的減輕了設備的重量。每次設備維護僅需將 SF6 氣體排放到儲氣鋼桶中，就可對設備進行檢修。只要保證設備的良好密封就可以實現(xiàn)電源的穩(wěn)定運行。

1.3 絕緣結(jié)構(gòu)確定的原則

由于 SF6 氣體對電場不均勻性要求較高，因此三芯柱采用等邊三角形結(jié)構(gòu)以達到均勻電場的目的。同時，在整個電源中也將盡量使電極形式為同軸圓筒電極，整個電源內(nèi)部不存在尖角。根據(jù)工程計算 式，在 0.8Mpa 壓力下，SF6 氣體的擊穿場強為 296.05kV/cm。以往俄羅斯電物理室設計的 SF6 氣體絕 緣直流高壓電源中電極間最大場強為 120kV/cm，本次絕緣結(jié)構(gòu)中使各個高低壓電極間最大場強不超過 150kV/cm。

初級繞組和次級繞組以同軸的方式安裝，每級線餅后都接了整流電路，最后輸出電壓幅值為各個 整流硅堆電壓值的疊加。

散熱方面的考慮該電源系統(tǒng)的效率為 95％，功率損耗主要集中在電源系統(tǒng)的感應調(diào)壓器和電源主體兩部分。其中 電源主體的功率損耗約為 20kW，主要通過電源鋼桶內(nèi) SF6 氣體的自然循環(huán)和纏繞于鋼桶內(nèi)壁的水管 冷卻帶走。

2 該類電源的設計難點

該類電源的設計難點在于介質(zhì)的絕緣特性與電源內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)的配合方面。不論是采用油絕緣還是氣體絕緣，此類高壓發(fā)生器的外形尺寸主要由電壓等級和其內(nèi)部的絕緣尺寸決定，隨著電壓等級的提高，外形尺寸也相應增大。此外，整流設備的尺寸和性能也會對高壓發(fā)生器的整體性能和尺寸產(chǎn)生 影響。

目前變壓器的理論比較成熟，該類變壓器的難點在于對絕緣介質(zhì)絕緣特性和絕緣結(jié)構(gòu)的配合方面。用變壓器油絕緣介質(zhì)的高壓發(fā)生器，其最高電壓限制在 800kV 以下。在綜合考慮高電壓等級的輸出和節(jié)約占地空間的考慮下，采用高壓氣體作為絕緣介質(zhì)是可行的，用高壓 SF6 氣體絕緣的高壓發(fā)生 器電壓等級可達 1MV 以上，而目前應用較多的 SF6 氣體對于電場的均勻性要求比較高，絕緣結(jié)構(gòu)的 設計是該類電壓發(fā)生器發(fā)展的關(guān)鍵。

對于本電源內(nèi)，初次級線圈為同軸方式安裝，絕緣最危險部位在高壓電極對鐵芯處。此處不僅要 適當增加絕緣距離，改善電極形狀也是必要的。

在初步設計中，我們采用了 ANSYS 軟件對整個電場進行三維模擬后，認為電源內(nèi)部所有絕緣結(jié)構(gòu)皆符合絕緣要求。

該類電壓發(fā)生器繼續(xù)提高電壓等級的關(guān)鍵在于內(nèi)部各個部件絕緣結(jié)構(gòu)的改善，只有提高了絕緣介質(zhì)的電氣性能，增加絕緣介質(zhì)的絕緣特性與絕緣結(jié)構(gòu)配合方面的實驗，才能夠有效的縮小電源體積，才能使所設計的電源實現(xiàn)安全，高效的高電壓的穩(wěn)定輸出。

3 結(jié)束語

加速器在環(huán)保行業(yè)的應用處于起步階段，目前僅在電廠煙氣凈化方面有所應用。隨著對加速器本身的不斷研究，提高其自身的束流功率，增強電子穿透能力后，其在污水處理，垃圾處理等方面也會有很大發(fā)展，這將會對電源的設計提出更高的要求，不僅要求大功率，電壓等級也會提高。