脈沖放電激發(fā)反電暈的研究

謝輝林　李孜

摘要：針對高壓脈沖電源反電暈放電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。采用正極性固態(tài) Marx脈沖發(fā)生器作為放電電源，以中間添加蜂窩介質(zhì)的針板作為放電電極，設(shè)置正極性矩形高壓脈沖輸出電壓為 0～20 kV 可調(diào)，工作頻率為 0～1 000 Hz可調(diào)，脈沖寬度為 10～500 μs可調(diào)，進(jìn)行反電暈放電實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)電源和電極參數(shù)對影響放電電流大小的因素進(jìn)行分析。進(jìn)一步，在相同放電電極參數(shù)條件下，將高壓脈沖反電暈與直流反電暈進(jìn)行了對比研究。研究結(jié)果表明：介質(zhì)厚度、針板間距、脈沖寬度和放電頻率均對反電暈放電電流有一定影響；在脈沖放電頻率為 100～1 000 Hz 時，發(fā)生反電暈的相同電壓下，脈沖反電暈放電電流大于直流反電暈放電電流，證明高壓脈沖激發(fā)反電暈放電效果更好。

關(guān)鍵詞：低溫等離子體；反電暈；脈沖功率技術(shù)；高壓脈沖

中圖分類號：? TM 81???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：?? A

Study on back-corona excited by pulsed discharges

XIE Huilin，LIZi

（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： An experimental study on the back-corona discharge of high voltage pulse power supply was carried out. The positive solid Marx pulse generator was used as the discharge power supply， and the needle plate with honeycomb medium in the middle was used as the discharge electrode. The positive rectangularhighvoltagepulseoutputvoltagewasadjustedin 0～20 kVadjustable; theworking frequency was adjusted in 0～1000 Hz; the pulse width was adjusted in 10～500μs. The back-corona dischargeexperimentwascarriedout. Thefactorsaffectingthedischargecurrentwereanalyzed accordingtothepowersupplyandelectrodeparameters. Furthermore，underthesamedischarge electrode parameters， the high-voltage pulse back-corona and direct current（ DC）back-corona were compared. The results show that the dielectric thickness， needle plate spacing， pulse width and discharge frequencyall havecertaineffectsonthe back-coronadischargecurrent. Whenthe pulsedischarge frequency is 100～1000 Hz and the back-corona occurs at the same voltage， the pulse back-corona discharge current is greater than the DC back-corona discharge current. This proves that the back-corona discharge effect excited by high voltage pulse is better.

Keywords： non-thermal plasma ; back-corona discharge ;pulsed power technology ; high voltage pulse

當(dāng)前，低溫等離子體技術(shù)在空氣污染治理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。通常，空氣中的電暈放電用于產(chǎn)生低溫等離子體。直流、交流和脈沖電源均可用于產(chǎn)生電暈放電[5-6]。許多研究人員致力于探索新的放電方法來生成低溫等離子體。國外研究者[7]研究了氣體放電現(xiàn)象和反電暈放電下粉塵層的光譜特征，結(jié)果得出，正負(fù)放電激發(fā)的反電暈放電現(xiàn)象能產(chǎn)生大量的活性粒子。國內(nèi)一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室[8-9]通過直流電源在多孔材料上實(shí)現(xiàn)了反電暈放電，結(jié)果表明，它能產(chǎn)生均勻、強(qiáng)烈的反電暈放電。蜂窩通道中產(chǎn)生的活性粒子數(shù)比電暈放電和反電暈流光放電區(qū)域中產(chǎn)生的活性粒子數(shù)還要多，電流大小是衡量產(chǎn)生等離子體數(shù)量的一個關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，可以反映反電暈放電的強(qiáng)度。在發(fā)生反電暈時，電流顯著增大，在相同的電壓條件下，反電暈電流是經(jīng)典的電暈放電電流的2倍以上。與直流電源相比，具有快速上升沿和下降沿的高壓脈沖電源可以激發(fā)更強(qiáng)烈的電暈現(xiàn)象。本研究采用高壓脈沖電源產(chǎn)生反電暈放電，并對蜂窩材料的反電暈放電原理進(jìn)行了研究和分析。實(shí)驗(yàn)中采用了不同的電源參數(shù)和不同的放電電極參數(shù)，研究了其對反電暈放電電流的影響，并使用合適的脈沖參數(shù)與相同放電電極參數(shù)下的直流反電暈放電電流進(jìn)行對比分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 反電暈放電原理

圖1為使用針–板電極[8]的正極性蜂窩介質(zhì)電暈放電與反電暈放電原理圖。如圖1（a）所示，正極性高壓連接到針電極，將蜂窩介質(zhì)放置在板電極上，并將板電極接地。針電極處達(dá)到一定電壓后會發(fā)生電暈放電并電離空氣產(chǎn)生離子和電子。電子附著在空氣中的中性粒子上，產(chǎn)生負(fù)離子。正離子和負(fù)離子在電場力的作用下開始移動。負(fù)離子向針尖移動，正離子向接地板移動。一部分正離子附著在蜂窩介質(zhì)表面，其余一些正離子進(jìn)入蜂窩孔洞附著在狹窄的孔洞上，逐漸累積并減慢后續(xù)正離子向地面的運(yùn)動。正離子的累積使蜂窩介質(zhì)形成電場強(qiáng)度 ED。如果繼續(xù)累積，介質(zhì)的電場強(qiáng)度將達(dá)到臨界擊穿場強(qiáng) EDB ，蜂窩介質(zhì)孔洞中的空氣將會發(fā)生擊穿，并發(fā)生反電暈放電，生成更多的離子和電子，如圖1（b）所示。從孔道中出來的電子會附著在空氣中的中性粒子上形成負(fù)離子，在電場力的作用下向針尖移動，負(fù)離子和正極性高壓的針尖之間會形成放電?？锥粗惺Ｏ碌恼x子會繼續(xù)累積直至再次達(dá)到擊穿場強(qiáng)，繼續(xù)發(fā)生反電暈放電。

通過上述原理介紹可知，蜂窩介質(zhì)反電暈放電是基于電暈放電的氣體放電，其中電暈放電為反電暈放電的產(chǎn)生提供了所需的離子。

發(fā)生反電暈的電場強(qiáng)度 ED 的表達(dá)式為[10]

ED = =ρr Jr > EDB（1）

式中： ED 表示介質(zhì)層的電場強(qiáng)度， V/m； UD 表示介質(zhì)層的電位差， V；D 表示介質(zhì)層的厚度， m；ρr 表示介質(zhì)電阻率，Ω·m；Jr 表示介質(zhì)電流密度， A/m2；EDB 表示介質(zhì)層中氣體的擊穿場強(qiáng)， V/m。

在室溫常壓下，反電暈放電的擊穿場強(qiáng)約為10 kV/cm，該層電阻率為ρr ≥500 MΩ·m。實(shí)驗(yàn)所使用蜂窩材料的ρr ≥1000 MΩ·m，滿足反電暈放電要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)脈沖電源

圖2為 n 級正極性 Marx發(fā)生器的原理圖。每級包含一個儲能電容 Ci 、一個充電管 Sci 、一個放電管Sdi和一個二極管 Di （i=0，1，2，3， … ，n）。在充電過程中，所有 Sci 同時接通，所有Sdi同時斷開。如藍(lán)色箭頭所示，直流電源通過 Sci 和 Di 對 Ci 并聯(lián)充電。在放電過程中，所有 Sci 同時關(guān)閉，所有Sdi同時接通。如紅色箭頭所示，所有 Ci 通過負(fù)載串聯(lián)放電。 Sc0可以切斷直流電源和放電回路之間的連接。

在本研究中，使用30級正極性固態(tài) Marx發(fā)生器來產(chǎn)生高壓脈沖[11]。該電源的工作參數(shù)如下：工作頻率范圍0～1000 Hz；脈沖寬度范圍100～500μs；輸出電壓范圍0～20 kV。實(shí)驗(yàn)中的 Marx 發(fā)生器使用現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA（field- programmable gate array）控制器提供開關(guān)管的控制信號[12-14]。將控制信號通過半橋電路進(jìn)行放大，再通過脈沖變壓器隔離，將隔離后的信號傳輸至 Marx 發(fā)生器的驅(qū)動電路，從而控制開關(guān)管充放電并輸出高壓脈沖。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3展示了使用固態(tài) Marx發(fā)生器或直流電源的實(shí)驗(yàn)裝置模型，中間的裝置為放電電極模型?！癮 ”為連接到 Marx發(fā)生器的高壓輸出，“b ”為針電極，“c ”為蜂窩介質(zhì)，“d ”為連接到接地的金屬板電極。實(shí)驗(yàn)中針數(shù)為5根，針到板的距離可在10～30 mm之間調(diào)節(jié)。電暈放電在沒有介質(zhì)的情況下，極易在針頭和極板之間形成局部火花擊穿。因此，蜂窩介質(zhì)對于穩(wěn)定反電暈放電是必不可少的。實(shí)驗(yàn)使用的介質(zhì)為純度95%的氧化鋁蜂窩板，厚度分別為8 mm 和12 mm。

由于反電暈放電的電流非常低，所以嘗試了不同的采樣電阻來測量放電電流。經(jīng)過測試，一定阻值范圍內(nèi)的水泥電阻對反電暈放電電流的測定影響不大，最終在實(shí)驗(yàn)中選擇了10 kΩ無感水泥電阻。示波器的型號為泰克 Tektronix（200 MHz 1 GS/s），高壓探頭的型號為 Tektronix P6015A。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 蜂窩介質(zhì)反電暈放電的初步研究

初步實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：針數(shù)為5根；介質(zhì)厚度為8 mm ；針板厚度為20 mm；脈沖寬度為400μs；放電頻率為1000 Hz。這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)為后續(xù)實(shí)驗(yàn)中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件。

圖4展示了反電暈放電的電流波形?？梢钥闯觯绻烹婋妷旱陀? kV，輸出電流非常小且平穩(wěn)，則不會發(fā)生反電暈放電。當(dāng)電壓幅值上升到12 kV 時，會發(fā)生反電暈放電，在電流上會出現(xiàn)許多獨(dú)立的隨機(jī)電流脈沖。當(dāng)電壓增加到16 kV 時，電流脈沖會出現(xiàn)得更多，幅值也更大。

采樣電阻以及電路等效 RC 參數(shù)會導(dǎo)致放電電流上升沿和下降沿的振蕩。實(shí)驗(yàn)中，由上升沿振蕩對測量造成的影響在大約120μs 內(nèi)迅速衰減，在200μs之后，電流波形基本不受振蕩影響而趨于穩(wěn)定。

反電暈放電現(xiàn)象如圖5所示，常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下反電暈放電的伏安特性曲線如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測定中，每組實(shí)驗(yàn)都會被重復(fù)測量10次以上，然后計(jì)算平均值以表示數(shù)據(jù)圖中的每個點(diǎn)。如果電極處的電壓低于5 kV，則電流將非常低。當(dāng)電壓上升到5 kV 以上時，電暈放電會發(fā)生在針尖周圍。如果電壓增加到7 kV，電暈將變得更亮，如圖5（a）所示，其現(xiàn)象發(fā)生在圖6中電壓為7 kV 的位置。當(dāng)電壓范圍為5～8 kV 時，蜂窩介質(zhì)表面無放電。如果電壓從8 kV 增加到10 kV，介質(zhì)表面會出現(xiàn)一些明亮的輝光點(diǎn)，并會發(fā)生反電暈放電，使電流從低于10μA 迅速增加到高于20μA，如圖6所示。如果電壓進(jìn)一步增加到16 kV，則在針尖周圍的電暈和介質(zhì)表面上的輝光之間會形成流光通道，如圖5（b）所示，其現(xiàn)象發(fā)生在圖6中電壓為16 kV 的位置。當(dāng)施加電壓達(dá)到17 kV 時，反電暈電流增加至167.4μA，如圖6所示。當(dāng)電壓從17 kV 增加到18 kV 時，會發(fā)生火花放電，如圖5（c）所示，其現(xiàn)象發(fā)生在圖6中電壓為18 kV 的位置。放電電流迅速上升到近1 mA，由于連續(xù)的火花放電，電流不穩(wěn)定?；鸹ǚ烹姇?dǎo)致 Marx發(fā)生器中的過電流，應(yīng)避免這種情況。因此，實(shí)驗(yàn)中的最大電壓幅值限制在17 kV 以內(nèi)。

2.2 參數(shù)分析

通過改變電極和電源參數(shù)，研究了各種參數(shù)對反電暈放電電流的影響。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍為：針數(shù)為5根；介質(zhì)厚度為8，12mm ；針板厚度為15，20，30 mm ；脈沖寬度為300，400，500μs ；放電頻率為100，500，1000 Hz。其中常規(guī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：針數(shù)為5根；介質(zhì)厚度為8 mm；針板厚度為20 mm ；脈沖寬度為400μs ；放電頻率為1000 Hz。

圖7展示了不同介質(zhì)厚度下反電暈放電的伏安特性。蜂窩介質(zhì)的厚度分別為8 mm 和12 mm。可以看出，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下，材料越薄，電流越大，而較厚的介質(zhì)需要更高的電壓才能達(dá)到相同的電流。因此，在相同的電壓下，較薄介質(zhì)的放電電流將高于使用較厚介質(zhì)的放電電流。

圖8為不同針板間距下反電暈放電的伏安特性圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，同等電壓下，針與板之間的距離越小，電流越大，反之，間距越大，電流越小。如果距離超過30 mm，放電電流將過低，無法測量。

如圖9所示，由于采樣電阻和電路等效 RC 參數(shù)引起的振蕩，只有脈沖寬度大于200μs 時，放電電流才能準(zhǔn)確測量。相同電壓的情況下，脈沖寬度從300μs增加到500μs 時，放電電流隨之增大。本實(shí)驗(yàn)的放電頻率為1000 Hz，脈沖寬度為500μs 時，其電流雖然比400μs 時大，但增幅變小?？梢缘贸?，相同電壓下，放電電流隨脈沖寬度增加而增大，脈沖寬度越接近半周期，電流增幅越小。

圖10展示了不同放電頻率下反電暈放電的伏安特性?？梢缘贸?，在相同電壓情況下，放電頻率在100～1000 Hz范圍內(nèi)時，放電頻率越低，其放電電流越大。

如圖11所示，使用脈沖放電下最小的反電暈電流數(shù)據(jù)（1000 Hz）與直流反電暈電流作對比分析，實(shí)驗(yàn)表明，在8 kV 電壓下，脈沖反電暈放電與直流放電之間的電流差異不顯著。隨著放電電壓的進(jìn)一步提高并伴隨著反電暈放電的發(fā)生，脈沖放電的電流大小會逐步高于直流放電。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了高壓脈沖激發(fā)反電暈放電的實(shí)驗(yàn)研究。采用的固態(tài) Marx發(fā)生器可以產(chǎn)生工作頻率0～1000 Hz可調(diào)、脈沖寬度為10～500μs 可調(diào)、輸出電壓為0～20 kV 可調(diào)的矩形高壓脈沖。使用針板電極中間添加蜂窩介質(zhì)的形式進(jìn)行了反電暈放電實(shí)驗(yàn)。放電電流是衡量產(chǎn)生等離子體數(shù)量的一個關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，可以反映出反電暈放電的強(qiáng)度。針對蜂窩介質(zhì)厚度、針板間距兩類電極參數(shù)，放電脈沖寬度、放電頻率兩類脈沖電源參數(shù)對反電暈放電電流的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析。進(jìn)一步，與同等條件下的直流電源反電暈放電電流進(jìn)行對比分析，研究結(jié)果表明，介質(zhì)厚度越薄、針板間距越近、脈沖寬度越寬、放電頻率越低，反電暈放電電流越大。脈沖頻率在100～1000 Hz 范圍內(nèi)，發(fā)生反電暈后的同等電壓下，脈沖反電暈的放電電流大于直流反電暈的放電電流，證明高壓脈沖激發(fā)反電暈放電有進(jìn)一步的研究空間。

后續(xù)研究將主要集中在探究最佳脈沖反電暈放電的參數(shù)范圍，并將其應(yīng)用于處理有害氣體的實(shí)驗(yàn)中，以反電暈放電電流強(qiáng)度對有害氣體的處理效果分析作為切入點(diǎn)，對其最佳處理參數(shù)條件和機(jī)理進(jìn)行研究。

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（編輯：丁紅藝）