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电除尘用高频电源输出开路分析
( Analysis of high frequency power supply second open circuit about ESP)
李建君1，古乃星2 Li jian jun1,Gunai xing2
(铜山华润电力有限公司，江苏徐州 221000)
(China resources power (Tongshan) co..ltd,Jiangsu Xuzhou 221000)
（金华大维电子科技（大连）有限公司，辽宁大连 116000）
(JinhuaDoway（Dalian）electronics technology co.,ltd,Liaoning Dalian 116000)
摘要：通过电除尘器高频电源控制原理、高频电源二次开路分析，给出电除尘器高频电源短路故障判断、开路试验方法，以及高频电源一般试验方法和模拟负载试验方法。
关键词：电除尘器；高频电源；串联谐振；整流硅堆；开路；短路。
Abstract：
Keywords: Electrostatic precipitator; High frequency power supply; series resonance; Silicon rectifier; open circuit; short circuit.
中图分类号： TM 433文献标志码A
0引言
我国国内很多知名电除尘器电源厂家所研制的各型高频电源，在其产品使用说明中均注明产品禁止在高压输出开路状态下运行，甚至禁止做开路实验。而工频的单相电源和三相电源是可以开路运行的，当设备出现短路报警时，开路实验可作为进一步区分判断是电场内部问题还是电控问题的有效必要手段来使用，从而明确下一步检修方向。
本文将重点分析高频电源为何不能像工频电源一样开路运行，使用高频电源时，应该采取怎样的手段才能在短路报警的情况下快速有效的指导检修作业。
1工频电源供电原理及开路分析
1.1单相电源和三相电源控制原理
单相电源采用单相380V/50HZ交流输入，经过可控硅移相调压、变压器升压、高压侧硅堆整流成波形为100HZ的脉动直流负高压给电除尘器电场供电。
三相电源采用三相380V/50HZ交流输入，通过三路六只可控硅反并联调压，经三相变压器升压，高压侧三相桥式硅堆整流，并联成一路波形为300HZ的脉动直流高压给电除尘器电场供电[1]。 1.2二次开路分析
工频电源（含单相电源和三相电源）实际分为高压控制柜和整流变压器两部分。整流变压器初级电压U1由高压控制柜可控硅调相得来，根据公式U1/ U2=-N1/N2=-k，变压器次级电压U2由初级电压U1与原、副边的线圈匝数比决定，经全波整流输出直流负高压至除尘器电场。输出负载发生变化时，变压器初级、
次级电流随之大小变化，电压基本不变，因此工频电源实际可看作为电压源。
当变压器输出负载开路时，变压器次级阻抗趋于无穷大，电流为0，此时初级阻抗与次级阻抗成正比也趋于无穷大，电流即为空载电流，也称磁化电流一般忽略不计。这时整流变初级电压与输出电压，随可控硅导通角变化，与负载大小无关，安全可控。因此，工频电源可以运行在负载开路的状态。
2高频电源供电原理
2.1高频电源控制原理
高频电源采用三相380V/50HZ交流输入，先三相全波整流，再经过IGBT组成的逆变电路逆变，然后经由谐振电容和变压器线圈自感进行串联谐振后输出18kHz以上的高频交流电流，最后通过高频变压器升压，经高频整流器进行整流滤波，形成输出频率为35kHz-38kHz的窄脉冲，给电除尘器电场供电。 2.2二次开路分析
高频电源通过IGBT频率调节，在逆变环节产生几万赫兹的高频交流电，通过谐振电容和高频变压器初级线圈自感组成串联谐振[2]，谐振峰值电流是恒定的，具有非常明显的恒流源特性，如图1所示：
T1
U1=∞
U2=∞ R2=∞
ZL1
R1=∞
谐振电流I恒定
图1高频变压器二次开路原理图
当变压器输出负载开路时： 变压器次级负载R2=∞；
初级负载R1与次级负载R2成正比，R1=∞；
而此时谐振电流I恒定，初级电压U1=I * R1，U1=∞； 次级电压U2与初级电压U1成正比，U2=∞；
整流变输出电压趋于无穷大，极容易导致整流硅堆及变压器其他元器件的损坏。因此高频电源不允许运行在输出负载开路的状态。
由以上分析我们不难理解，为何电除尘器高压电源市场上各厂家生产的无论是GGYAJ系列高频电源还是EHC系列高频电源都具有灵敏度极高的负载开路检测装置。以EHC-II型高频电源为例，其二次开路检测分为软件开路检测和硬件开路检测两种，软件开路检测主要针对电除尘器电场电晕封闭的工况，采集反馈的二次电流和二次电压模拟量信号，经A/D转换后再进行对比分析，当二次电压大于70kV，二次电流小于1/32额定值，持续一分钟，即判断为负载输出开路；硬件开路检测主要针对隔离开关断开、阻尼电阻断开等变压器高压输出突然物理断开的工况，直接对二次电压模拟量信号进行实时周期采样，对相邻周
期的采样信号进行对比分析，当信号出现大幅突变时，即判断为负载输出开路，检测灵敏度可达1ms；此外高频变压器整流硅堆选用快速恢复二极管，提高了反向击穿电压，缩短了反向恢复时间，大大增强了设备抗开路冲击能力。经反复试验验证，完全可以在满频满载的运行状态下，承受突然受到物理外力二次输出断开时引起的开路冲击。
3电除尘器开路试验
3.1电除尘器短路故障判断
电除尘器本体主要工作区由阴极线和阴极板组成，二者间隔一般为150mm~200mm。供电电源可以是各种型号的高压电源，如：单相电源、三相电源、高频电源等。高压电源输出直流负高压到阴极（阳极接地），在电除尘器阴、阳极之间形成高场强电场，产生电晕放电，形成大量自由电子和正、负离子，在电场力的作用下在电场内高速移动。进入电场内部的粉尘荷上电以后，带电尘粒被极板捕集。作为高压电源的工作负载，电除尘器同时具有阻性和容性的特点[3]，其等效电路如图2所示：
图2电除尘器收尘等效电路
图中r为荷电电流对应的电阻；nR为分布电阻，这部分随烟尘浓度、颗粒大小、烟尘性质、化学成分、温度、湿度等变化，同时与电除尘器类型、结构、大小、风速等都有关系，变化范围很大，在20 kΩ～10 MΩ。nC是电极间的等值电容，大小与极间距离、极板面积有关，但随着极间烟尘不同会产生变化，一般为5～100 nF。
电除尘器负载受工况影响变化很大，电场即高压电源负载短路是最常见的故障之一[4]。造成电场短路的原因有很多，如：阴极线断裂后与阳极板搭接；阴、阳极之间积灰严重，灰短路等。短路现象体在高压电源侧，表现为二次电流较高，二次电压很低几乎为0，并可能伴随参数的大幅波动（灰短路的情况），最终高压电源短路报警，设备停运。高压电源通过二次电流和二次电压反馈，来判断电场是否存在短路现象，若电流电压信号采样回路故障也可能导致设备的误报警。 3.2高压电源开路试验
开路试验：将高压隔离开关高压端打到联络位置，电场打到接地位置；检查确认无误后方可上电，再将电源切换到手动模式，进行升压[5]；若一次、二次电压上升到设定值，而一次、二次电流几乎为零，说
明高压系统本身正常。
当高压电源显示短路报警时，一般先通过高压电源开路试验的方法判断是电源故障还是真正的电场内部短路。
以工频单相电源为例，当发生短路报警时，首先切断电源，将变压器输出端悬空并与周围保持200mm以上绝缘距离，正常送电，启动升压。
a、升压后，一次电流和二次电流为0，一次电压和二次电压同步上升直至开路报警，则说明二次电压采样回路正常，电场内部短路。
b、升压后，一次电流和二次电流为0，一次电压上升，二次电压为0，则说明设备二次电压采样回路存在问题，短路报警为误报警。
c、升压后，一次电流上升，二次电流上升，一次电压上升，二次电压为0，并伴随运行参数波动，则说明变压器存在故障。
4高频电源试验方法
4.1一般方法
高频电源由于其恒流源特性，无法直接做开路试验。当设备发生短路报警时，可采取以下方法来进行判断。
a、切断电源后，用2500V绝缘摇表测试电场内部绝缘。这种方法有一定弊端，首先由于除尘器本体为容性负载，存在一定感应电压，测试时出于安全考虑，需将相邻电场停运并接地，才能进行测试；其次测试电压较低，对灰短路等不完全短路的情况无法进行测试。
b、采用专用的高压电缆将其他高频电源负高压输出接至发生短路报警的电场，用替代法进行升压试验。相比上一种方法更为有效，但需停运两个电场，高压电缆连接必须安全、稳定、可靠。 4.2模拟负载
电除尘电源企业在高压电源出厂前都要用模拟电场对其进行升压调试，模拟电场一般有纯电阻模拟电场和容性真实模拟电场，两种模拟电场大小与单个除尘器电场大小相当，纯阻性模拟电场体积略小。
高频电源无法直接做开路试验，必须连接负载才能通电运行，因此完全可以根据图2等效电路将上述模拟电场小型化，做一种便携式的电除尘高压专用装置作为高频电源的试验负载。将此装置做成阻容等电位分压式高压试验仪器，由均压球，绝缘管（套管内有阻容部件），底座三部分组成。主要参数：阻值37.5MΩ、额定工作频率60Hz、额定耐压100KV。整个装置重约十几公斤，具备便携特点，使其能广泛用于电除尘器高频电源的现场升压试验。
当电除尘器选用高频电源，发生短路报警时，可借助该高压专用试验装置来进行开路试验。具体方法为：
a、将试验装置安全可靠的放置于地面，用配套的接地电缆可靠接地。
b、切断高压电源，用配套的高压电缆连接试验装置均压环于高压电源负高压输出端，并与周围保持200mm以上绝缘距离。
c、将高频电源工作频率设定为50Hz,与试验装置保持2m以上安全距离，启动升压。若二次电压显示正常，则说明高频电源二次电压采样回路正常，为电场内部短路。若无二次电压显示，则说明高频电源二次采样回路故障，短路报警为误报警。
5 结论
高频电源作为高效、节能的电除尘器供电电源，在全国范围内电除尘器领域内得到了最广泛的应用，但由于其恒流源特性无法直接做开路试验，给电除尘器检修、问题分析判断带来很大的困扰和不便。借助高压试验装置成功解决了该问题，值得肯定和进一步推广。 参考文献：
[1] 全国环保产品标准化技术委员会环境保护机械分技术委员会，浙江菲达环保科技股份有限公司.电除尘器[M].北京：中国电力出版社，2011.
[2] 梁天晓.电除尘器三相/高频高压电源技术与性能分析，[J.]自动化应用，2010(7)：23-26 [3] 岳建华.静电除尘器电源装置节能技术研究， [J.]中国电力，2006，49（6）：67-71 [4] 唐国山.工业电除尘器应用技术，[M].北京：化学工业出版社，2006.
[5] 高香林，胡志光主编.电除尘供电控制技术，[Ｄ].北京：华北电力学院，1991.10.
李建君（1973-11-28），男，江苏沛县人，工程师，主要从事：火力发电设备调试、故障诊断、技术改造、设备检修、电力设备管理工作。E-mail：shanghai29745@163.com
古乃星（1982-12-27），男、河北张家口人，工程师，主要从事：环保除尘高压电源设备的研究、维护、调试工作。E-mail：13940802862@163.com