兆瓦级加速器直流高压电源的设计应用

兆瓦级加速器直流高压电源的设计应用

1 引言

随着人们对环保技术的探索，加速器也逐渐被应用于环保产业中，电子束法电厂烟气脱硫脱硝就是一例。该类加速器的电源功率要求达到 1000kW,而对电压要求的等级不是很高，1MV 左右即可。由于该类加速器能耗较大，因此，人们对其进行设计时更多的关注能量的转换效率。三相变压器型的 直流电压发生器可以达到 90％以上的能量转化效率，较好的满足了市场的需求。同样可以达到这一要求的是绝缘芯变压器型电源，但是该类电源的结构复杂，一旦设备发生击穿后维修困难。普通的三相 变压器型电源结构更简单，维护更加方便。

下表给出了目前使用较多的工业加速器用直流高压电源的性能比较[1]



可以看出，变压器加桥式整流电路型电源和绝缘芯变压器型直流高压电源的效率较高，而绝缘芯

变压器型电源和地纳米型电源在电压等级方面比较有优势。出于工程实际应用的考虑，我单位目前设计的加速器直流直流高压电源技术指标为输出电压1.2MV，输出功率 1200kV，电压不稳定度<±5％，效率>95％。

1.1 电源类型的确定

电子束辐照处理电厂尾气对电子束的能量稳定度不高，仅要求长时间（连续运行 1 年），大功率束流（1000mA）的稳定输出。以往的电子加速器系列所用高压发生器二次侧都采用电容倍压线路来整流，这样的好处之一是可以使二次线圈的匝数比普通整流方式时减少一半。但是实际操作经验表明这样的整流方式也降低了供电的稳定性，随着电压等级到升高到 4 或 5MV 时，所用电容数会是 2.5MV，100kW 的高压发生器所采用电容数目的 3－4 倍。而且此时由于电压等级的升高，高负载电阻和整流管的体积也会相应的增大，从而影响到高压发生器的整体体积。因此俄罗斯电物理室近几年研制的加速器用高压直流高压电源的二次侧均采用桥式整流方式。

综合考虑各类直流高压电源可达到的电压等级，实现原理以及维护方便因素，我们的电源采用三相变压器接桥式整流电路型，在每个次级线饼后接硅堆整流，将整流后电压叠加形成 1.2MV 直流高 压输出。

由于电源主体结构为三相变压器型，在功率上并没有限制，只要增大铁芯的截面积就会增加电源的功率容量。闭合的磁路提高了能量转换效率，可达到 90％以上。

为了保证电压输出的稳定度，我们的电源次级采用星－三角交替联结，使电压波动由原来的每周期六脉动增加为十二脉动，理论上电压的不稳定度小于 2％。

1.2 绝缘介质的选用

鉴于以往一些采用油绝缘的加速器直流高压电源发生过绝缘方面的故障，综合考虑运行安全和减少占地面积等因素，我单位目前设计的电源采用高压 SF6 气体作为绝缘介质。这样既提高了耐压等级，又极大的减轻了设备的重量。每次设备维护仅需将 SF6 气体排放到储气钢桶中，就可对设备进行检修。只要保证设备的良好密封就可以实现电源的稳定运行。

1.3 绝缘结构确定的原则

由于 SF6 气体对电场不均匀性要求较高，因此三芯柱采用等边三角形结构以达到均匀电场的目的。同时，在整个电源中也将尽量使电极形式为同轴圆筒电极，整个电源内部不存在尖角。根据工程计算 式，在 0.8Mpa 压力下，SF6 气体的击穿场强为 296.05kV/cm。以往俄罗斯电物理室设计的 SF6 气体绝 缘直流高压电源中电极间最大场强为 120kV/cm，本次绝缘结构中使各个高低压电极间最大场强不超过 150kV/cm。

初级绕组和次级绕组以同轴的方式安装，每级线饼后都接了整流电路，最后输出电压幅值为各个 整流硅堆电压值的叠加。

散热方面的考虑该电源系统的效率为 95％，功率损耗主要集中在电源系统的感应调压器和电源主体两部分。其中 电源主体的功率损耗约为 20kW，主要通过电源钢桶内 SF6 气体的自然循环和缠绕于钢桶内壁的水管 冷却带走。

2 该类电源的设计难点

该类电源的设计难点在于介质的绝缘特性与电源内部绝缘结构的配合方面。不论是采用油绝缘还是气体绝缘，此类高压发生器的外形尺寸主要由电压等级和其内部的绝缘尺寸决定，随着电压等级的提高，外形尺寸也相应增大。此外，整流设备的尺寸和性能也会对高压发生器的整体性能和尺寸产生 影响。

目前变压器的理论比较成熟，该类变压器的难点在于对绝缘介质绝缘特性和绝缘结构的配合方面。用变压器油绝缘介质的高压发生器，其最高电压限制在 800kV 以下。在综合考虑高电压等级的输出和节约占地空间的考虑下，采用高压气体作为绝缘介质是可行的，用高压 SF6 气体绝缘的高压发生 器电压等级可达 1MV 以上，而目前应用较多的 SF6 气体对于电场的均匀性要求比较高，绝缘结构的 设计是该类电压发生器发展的关键。

对于本电源内，初次级线圈为同轴方式安装，绝缘最危险部位在高压电极对铁芯处。此处不仅要 适当增加绝缘距离，改善电极形状也是必要的。

在初步设计中，我们采用了 ANSYS 软件对整个电场进行三维模拟后，认为电源内部所有绝缘结构皆符合绝缘要求。

该类电压发生器继续提高电压等级的关键在于内部各个部件绝缘结构的改善，只有提高了绝缘介质的电气性能，增加绝缘介质的绝缘特性与绝缘结构配合方面的实验，才能够有效的缩小电源体积，才能使所设计的电源实现安全，高效的高电压的稳定输出。

3 结束语

加速器在环保行业的应用处于起步阶段，目前仅在电厂烟气净化方面有所应用。随着对加速器本身的不断研究，提高其自身的束流功率，增强电子穿透能力后，其在污水处理，垃圾处理等方面也会有很大发展，这将会对电源的设计提出更高的要求，不仅要求大功率，电压等级也会提高。