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摘要：作为当代高新技术研究的重要技术基础之一, 脉冲功率技术发展和应用与其他学科的发展有着密切的联系。随着研究的不断深入储能技术、功率开关技术、脉冲大电流的测量技术方面必将取得更大的发展, 而且这些研究成果将越来越多地转化到生产应用领域。本文主要分析脉冲功率技术在高压除尘和有机废水处理方面的机理，总结出脉冲功率技术在环境工程中具备的优势和实际意义。
关键词：脉冲功率技术；环境工程；应用；发展趋势
中图分类号：B819文献标识码： A
一般把脉冲放电时在负载上形成大于106W的功率看作是脉冲功率。脉冲功率技术是20世纪30年代产生, 60年代以后迅速发展, 并形成一门独立学科的新兴技术领域, 以高电压、大电流、高功率、强脉冲为特点, 在现代科学和工业民用领域都有着重要的科学意义与应用价值。
一、关于功率脉冲技术在环境工程领域中的应用
1.功率脉冲技术在高压静电除尘上的应用
（1）传统高压静电除尘系统工作原理（如图1）所示。在实际应用中传统的直流高压静电除尘存在一定的问题，除尘效率受粉尘的比电阻的限制较为严重。高比电阻粉尘导电率很小，很容易在集尘极上积聚，尘粒积累到一定程度，大量电荷难以通过集尘极释放出去，将积累在积尘层表面，这就使积尘层表面电势变得足够高而发生反电晕，导致相反极性的离子被注入电晕场，影响了电子和负离子继续被集尘极所吸附，大大降低了粉尘的收集率。而比电阻很小的尘粒，由于电导率很高，很容易向集尘极释放负电荷并转而带上正电荷。然后又在带负电荷的电极所产生的电场力作用下，被重新推入气流中。随后又很快释放出正电荷并被负电荷饱和，再次向正电荷的集尘板移动。因此比电阻小的粉尘颗粒对于静电除尘器来说也较难去除。
（2）如果将除尘系统的供电电源由直流方式改变成为脉冲方式，则能很好地解决以上的问题。高压脉冲除尘原理（如图1）所示，高压脉冲产生的电晕流贯穿极间，并可以延伸到积尘层内部的收集电极，使高比电阻积尘层击穿，层上积聚的电荷被释放，能保持积尘层表面的电中性，抑制反电晕的发生，从而提高了除尘效率。另一方面，脉冲电晕在放电空间可以产生数量更多且分布均匀的高能电子，和直流电晕相比，能电离更多的气体分子，产生更多的活性粒子。此时电除尘器除了对粉尘离子有静电吸附作用之外，还产生了大量等离子体可消除粉尘中有机物分子，起到了脱硫脱硝的作用。同样的电压等级下，高压脉冲电源比直流高压电源更节省能量，这也是该技术成为研究热点的重要原因。近年来，有人提出采用高压脉冲叠加直流基压的方式作为高压除尘电源。这样能将颗粒物收集过程分为无脉冲和有脉冲两个阶段，把高压直流除尘和高压脉冲除尘两种方式的优点结合起来，进一步提高除尘效率。
图1 传统除尘与高压脉冲除尘原理图
2.脉冲功率技术在废水处理上的应用。高压脉冲电源由于输出电压波形具有陡前沿，窄脉冲的特点，施加于液相内非平衡的电极之间，极易使处理对象的分子结构发生改变，其质量较轻的电子获得能量后变为高能自由电子，在运动过程中，与其他分子碰撞，引发一系列水相化学过程，产生如H2O2等活性物质，进而能促使水中的有机物降解。而在这些电化学过程中，由于分子电离，电子跃迁也会产生超声波、冲击波、局部高温、紫外线灯等一系列物理效应，这些效应也能促使有机物的降解。
3.脉冲功率技术在制取臭氧上的应用。臭氧作为强氧化性气体广泛用于杀菌、氧化、漂白、除臭等。与其它常用氧化剂相比, 具有无色无恶臭无强腐蚀性和毒性, 制备原料(空气)易得等优点。臭氧产生的原理是突变电场(工频、高频或脉冲电场)作用下气体分子中原有少量载流子(电子和离子)从外电场中获得能量, 使其加速运动与气体分子碰撞及电离, 氧分子分解成氧原子并在瞬间重新结合成臭氧。目前臭氧技术的主要问题是生产效率低、能耗高。臭氧制备的理论效率为2kg/(kWh) , 实际上用空气制取的效率仅46-58g/(kWh) , 用纯氧制取可升至10%。高压脉冲技术可提高臭氧生产效率。一种为臭氧反应器提供双极性窄脉冲的火花隙高压开关电源原理。它利用一对互相垂直的旋转球隙G1交替实现正、负直流高压的斩波, 分别对脉冲电容CP1、CP2充电, 然后通过另一对互相垂直的旋转球隙G2给反应器( 负载) 供电。电压脉冲前沿和宽度通过调整脉冲电容及其反应器的匹配来实现, 脉冲频率为0-200Hz, 由旋转球隙的转速调节。试验用电源电压为0-±20kV。
二、关于脉冲功率技术的发展趋势
1.由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。过去脉冲功率技术主要为国防科研服务, 并且大多是单次运行, 而工业、民用的脉冲功率技术要求一定的平均功率, 必须重复频率工作。
2.储能技术--研制高储能密度的电源。在很多应用场合下, 脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素, 如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等, 都要求产生很大的脉冲功率, 而且系统又不能过于庞大和笨重。因此, 高储能密度的脉冲功率发生器的研制是当前主要的研究课题之一。
3.开关技术--探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能, 是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。美国空军武器科学家认为, 目前大功率开关技术包括以下几个方面: 短脉冲技术、同步技术、高重复频率技术、长寿命技术, 而难点在于大功率、长寿命和高重复频率的开关技术。因此, 具有耐高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元件的研制, 是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。
4.积极开辟新的应用领域。如前所述, 脉冲功率技术在核物理、加速器、激光、電磁发射等领域已得到日益广泛的应用。近年来, 脉冲功率技术在半导体、集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究，已引起各界的广泛重视, 而且在某些应用研究中, 已取得了可喜的进展。凭借成功应用的经验, 脉冲功率技术将更多地应用于民用技术方面, 民用是一个巨大的市场, 而市场的推动又必将给脉冲功率技术的发展带来新的生机。
三．结束语
环境状况对经济发展和社会稳定均造成了重大的影响，成为制约我国社会经济发展的主要因素。近年来，电力电子技术中的脉冲功率技术开始大量应用于污水处理、废气处理、静电除尘和杀菌消毒等方面。与旧的处理方式相比，脉冲功率技术处理具有高效、节能等优势，逐渐成为环境工程中重要的处理手段之一。
参考文献：
[1]曾正华. 脉冲大电流测试技术研究[D]. 南京: 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 2006.
[2]潘洋. 高压纳秒脉冲数字测量[D]. 北京: 中国科学院研究生院(电工研究所) , 2009.
[3]陈睿琦. 高压快脉冲电源系统的研究与设计[D]. 成都:四川大学电气信息学院, 2007.
[4]胡敏. 电脉冲技术在电凝聚法污水处理和微弧氧化领域的应用[D].杭州：浙江大学，2008.
关键词：脉冲功率技术；环境工程；应用；发展趋势
中图分类号：B819文献标识码： A
一般把脉冲放电时在负载上形成大于106W的功率看作是脉冲功率。脉冲功率技术是20世纪30年代产生, 60年代以后迅速发展, 并形成一门独立学科的新兴技术领域, 以高电压、大电流、高功率、强脉冲为特点, 在现代科学和工业民用领域都有着重要的科学意义与应用价值。
一、关于功率脉冲技术在环境工程领域中的应用
1.功率脉冲技术在高压静电除尘上的应用
（1）传统高压静电除尘系统工作原理（如图1）所示。在实际应用中传统的直流高压静电除尘存在一定的问题，除尘效率受粉尘的比电阻的限制较为严重。高比电阻粉尘导电率很小，很容易在集尘极上积聚，尘粒积累到一定程度，大量电荷难以通过集尘极释放出去，将积累在积尘层表面，这就使积尘层表面电势变得足够高而发生反电晕，导致相反极性的离子被注入电晕场，影响了电子和负离子继续被集尘极所吸附，大大降低了粉尘的收集率。而比电阻很小的尘粒，由于电导率很高，很容易向集尘极释放负电荷并转而带上正电荷。然后又在带负电荷的电极所产生的电场力作用下，被重新推入气流中。随后又很快释放出正电荷并被负电荷饱和，再次向正电荷的集尘板移动。因此比电阻小的粉尘颗粒对于静电除尘器来说也较难去除。
（2）如果将除尘系统的供电电源由直流方式改变成为脉冲方式，则能很好地解决以上的问题。高压脉冲除尘原理（如图1）所示，高压脉冲产生的电晕流贯穿极间，并可以延伸到积尘层内部的收集电极，使高比电阻积尘层击穿，层上积聚的电荷被释放，能保持积尘层表面的电中性，抑制反电晕的发生，从而提高了除尘效率。另一方面，脉冲电晕在放电空间可以产生数量更多且分布均匀的高能电子，和直流电晕相比，能电离更多的气体分子，产生更多的活性粒子。此时电除尘器除了对粉尘离子有静电吸附作用之外，还产生了大量等离子体可消除粉尘中有机物分子，起到了脱硫脱硝的作用。同样的电压等级下，高压脉冲电源比直流高压电源更节省能量，这也是该技术成为研究热点的重要原因。近年来，有人提出采用高压脉冲叠加直流基压的方式作为高压除尘电源。这样能将颗粒物收集过程分为无脉冲和有脉冲两个阶段，把高压直流除尘和高压脉冲除尘两种方式的优点结合起来，进一步提高除尘效率。
图1 传统除尘与高压脉冲除尘原理图
2.脉冲功率技术在废水处理上的应用。高压脉冲电源由于输出电压波形具有陡前沿，窄脉冲的特点，施加于液相内非平衡的电极之间，极易使处理对象的分子结构发生改变，其质量较轻的电子获得能量后变为高能自由电子，在运动过程中，与其他分子碰撞，引发一系列水相化学过程，产生如H2O2等活性物质，进而能促使水中的有机物降解。而在这些电化学过程中，由于分子电离，电子跃迁也会产生超声波、冲击波、局部高温、紫外线灯等一系列物理效应，这些效应也能促使有机物的降解。
3.脉冲功率技术在制取臭氧上的应用。臭氧作为强氧化性气体广泛用于杀菌、氧化、漂白、除臭等。与其它常用氧化剂相比, 具有无色无恶臭无强腐蚀性和毒性, 制备原料(空气)易得等优点。臭氧产生的原理是突变电场(工频、高频或脉冲电场)作用下气体分子中原有少量载流子(电子和离子)从外电场中获得能量, 使其加速运动与气体分子碰撞及电离, 氧分子分解成氧原子并在瞬间重新结合成臭氧。目前臭氧技术的主要问题是生产效率低、能耗高。臭氧制备的理论效率为2kg/(kWh) , 实际上用空气制取的效率仅46-58g/(kWh) , 用纯氧制取可升至10%。高压脉冲技术可提高臭氧生产效率。一种为臭氧反应器提供双极性窄脉冲的火花隙高压开关电源原理。它利用一对互相垂直的旋转球隙G1交替实现正、负直流高压的斩波, 分别对脉冲电容CP1、CP2充电, 然后通过另一对互相垂直的旋转球隙G2给反应器( 负载) 供电。电压脉冲前沿和宽度通过调整脉冲电容及其反应器的匹配来实现, 脉冲频率为0-200Hz, 由旋转球隙的转速调节。试验用电源电压为0-±20kV。
二、关于脉冲功率技术的发展趋势
1.由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。过去脉冲功率技术主要为国防科研服务, 并且大多是单次运行, 而工业、民用的脉冲功率技术要求一定的平均功率, 必须重复频率工作。
2.储能技术--研制高储能密度的电源。在很多应用场合下, 脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素, 如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等, 都要求产生很大的脉冲功率, 而且系统又不能过于庞大和笨重。因此, 高储能密度的脉冲功率发生器的研制是当前主要的研究课题之一。
3.开关技术--探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能, 是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。美国空军武器科学家认为, 目前大功率开关技术包括以下几个方面: 短脉冲技术、同步技术、高重复频率技术、长寿命技术, 而难点在于大功率、长寿命和高重复频率的开关技术。因此, 具有耐高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元件的研制, 是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。
4.积极开辟新的应用领域。如前所述, 脉冲功率技术在核物理、加速器、激光、電磁发射等领域已得到日益广泛的应用。近年来, 脉冲功率技术在半导体、集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究，已引起各界的广泛重视, 而且在某些应用研究中, 已取得了可喜的进展。凭借成功应用的经验, 脉冲功率技术将更多地应用于民用技术方面, 民用是一个巨大的市场, 而市场的推动又必将给脉冲功率技术的发展带来新的生机。
三．结束语
环境状况对经济发展和社会稳定均造成了重大的影响，成为制约我国社会经济发展的主要因素。近年来，电力电子技术中的脉冲功率技术开始大量应用于污水处理、废气处理、静电除尘和杀菌消毒等方面。与旧的处理方式相比，脉冲功率技术处理具有高效、节能等优势，逐渐成为环境工程中重要的处理手段之一。
参考文献：
[1]曾正华. 脉冲大电流测试技术研究[D]. 南京: 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 2006.
[2]潘洋. 高压纳秒脉冲数字测量[D]. 北京: 中国科学院研究生院(电工研究所) , 2009.
[3]陈睿琦. 高压快脉冲电源系统的研究与设计[D]. 成都:四川大学电气信息学院, 2007.
[4]胡敏. 电脉冲技术在电凝聚法污水处理和微弧氧化领域的应用[D].杭州：浙江大学，2008.