直流離子流場發(fā)生裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 冰，鄭鳳杰，彭春榮，陳 博，凌必赟，夏善紅

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直流離子流場發(fā)生裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 冰1,2，鄭鳳杰1，彭春榮1，陳 博1，凌必赟1,2，夏善紅1

(1. 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 海淀區(qū) 100190; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院 北京 石景山區(qū) 100049)

直流離子流場發(fā)生裝置對(duì)電場傳感器在離子流場環(huán)境下的測試標(biāo)定具有重要作用，傳統(tǒng)直流離子流場發(fā)生裝置體積較大難于滿足新型電場傳感器研制和便攜式現(xiàn)場應(yīng)用，對(duì)此該文研究了一種縮小尺寸直流離子流場發(fā)生裝置?；诶碚撚?jì)算和有限元仿真對(duì)裝置尺寸、結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用在平行板邊緣處等分電位的方法減少了邊緣效應(yīng)影響，有效增大了平行板間均勻電場區(qū)域，減小了均勻性誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電暈絲電壓7 kV時(shí)離子流場內(nèi)不同位置離子流電流強(qiáng)度的相對(duì)平均偏差僅為1.66%，說明縮小尺寸的直流離子流場發(fā)生裝置能夠提供均勻的離子流場環(huán)境。

直流離子流場; 邊緣效應(yīng); 有限元分析; 均勻性

電場傳感器在電力領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在特直流高壓輸電環(huán)境下，由輸電線路電暈放電引起的具有空間電荷和空間離子流的復(fù)雜電場環(huán)境會(huì)對(duì)傳感器的信號(hào)輸出產(chǎn)生影響。為了研究空間電荷和空間離子流干擾對(duì)電場傳感器輸出特性的影響，實(shí)現(xiàn)傳感器在離子流場環(huán)境下的準(zhǔn)確測量，需要設(shè)計(jì)均勻直流離子流場發(fā)生裝置。文獻(xiàn)[1]基于場磨式電場傳感器提出了一種在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生直流離子流場環(huán)境的測試裝置。IEEE標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在1990年將這一裝置列入其有關(guān)直流離子流電場測量的標(biāo)準(zhǔn)[2]，文獻(xiàn)[3]也據(jù)此進(jìn)行過直流離子流場的研究。為保證離子流場均勻性，傳統(tǒng)的直流離子流場發(fā)生裝置具有較大的平行板面積和較高輸出的直流高壓電源。整個(gè)裝置體積龐大，很難加載環(huán)境載荷進(jìn)行傳感器環(huán)境影響因素研究，限制了新型電場傳感器的研究發(fā)展，并且不適于移動(dòng)到戶外現(xiàn)場進(jìn)行測試校準(zhǔn)應(yīng)用。因此本文設(shè)計(jì)了一種縮小尺寸直流離子流場發(fā)生裝置。

1 整體設(shè)計(jì)

縮小尺寸直流離子流場發(fā)生裝置如圖1所示，由離子流產(chǎn)生部分、離子流控制部分和均勻直流離子流場3部分組成。離子流產(chǎn)生部分由金屬蓋板、平行排列的電暈絲和離子流控制網(wǎng)板組成，通過給電暈絲加載直流高壓電源使之發(fā)生電暈放電的方法產(chǎn)生空間電荷，加載直流高壓的金屬蓋板吸收異極性離子，驅(qū)動(dòng)同極性離子向下運(yùn)動(dòng)形成離子流。離子流控制部分由離子流控制板和平行板電場上極板組成，控制加載在離子流控制板和平行板電場上極板間的電場強(qiáng)度能夠控制進(jìn)入平行板電場的離子流的大小。均勻直流離子流場部分由平行極板結(jié)構(gòu)電場組成，其中上極板是金屬網(wǎng)板，下極板上布置威爾遜板[4-5]。離子流經(jīng)過上極板均勻布置的細(xì)密網(wǎng)眼進(jìn)入平行板電場，形成均勻離子流場。由如圖1所示布置在下極板上的9個(gè)威爾遜板(1～9)監(jiān)測離子流電流強(qiáng)度，分析離子流場均勻性。在均勻直流離子流場部分進(jìn)行電場傳感器的測試標(biāo)定。

圖1 直流離子流場發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 離子流產(chǎn)生部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

離子流產(chǎn)生部分采用電暈絲電暈放電產(chǎn)生空間電荷，起暈場強(qiáng)計(jì)算公式[6]為：

圖2 電暈絲半徑r離子流產(chǎn)生區(qū)域間距h與起暈電壓關(guān)系

圖3 電暈絲半徑r與起暈場強(qiáng)關(guān)系

從圖2和圖3可知，電暈絲的半徑越小，起暈電壓越小，起暈場強(qiáng)越大，越容易發(fā)生電暈放電。因此應(yīng)該選取半徑盡量小的電暈絲，但實(shí)際應(yīng)用過程中還需考慮電暈絲的損耗情況。因此本文裝置選用=0.025 mm的不銹鋼絲。

2.2 有限元分析

2.2.1 正方形平行極板邊長與平行極板間距

本文裝置均勻離子流場部分采用正方形平行極板結(jié)構(gòu)[11]，其關(guān)鍵參數(shù)為平行極板邊長和極板間距，理想電場計(jì)算公式為：

式中，為平行極板間電壓。

基于有限元理論建立平行極板結(jié)構(gòu)模型，其中1和2表示兩平行極板中間位置和下極板表面中心位置電場強(qiáng)度，加載不同與可以獲得如圖4所示1和2分別與的相對(duì)誤差隨/的變化曲線。其中1表示1與的相對(duì)誤差，2表示2與的相對(duì)誤差。

圖4 電場強(qiáng)度相對(duì)誤差與L/d的關(guān)系曲線

由圖4可以得到當(dāng)平行板尺寸與平行板間距滿足式(5)關(guān)系時(shí)，1≤0.15%，有：

均勻離子流場部分用于電場傳感器的測試標(biāo)定，在優(yōu)化平行板結(jié)構(gòu)時(shí)候需要考慮電場傳感器的放置對(duì)電場造成的影響。電場傳感器在平行極板結(jié)構(gòu)的下極板中心處進(jìn)行測試標(biāo)定時(shí)，平行板間距與傳感器測試孔半徑需要滿足式(6)關(guān)系，此時(shí)電場強(qiáng)度相對(duì)誤差小于0.32%[2]。在兩平行板中間位置對(duì)電場傳感器進(jìn)行測試標(biāo)定時(shí)電場強(qiáng)度相對(duì)誤差為：

式中，表示放入電場中傳感器的體積[12]。針對(duì)邊長為50 mm的立方體電場傳感器，若在平行極板下極板中心位置進(jìn)行測試標(biāo)定時(shí)，需要滿足≥200 mm；若在平行極板中間位置進(jìn)行測試標(biāo)定時(shí)，由式(7)計(jì)算可得當(dāng)≥232 mm時(shí)，電場相對(duì)誤差≤1%。

綜上本文將均勻離子流場部分平行極板結(jié)構(gòu)尺寸確定為=600 mm′600 mm′250 mm，此時(shí)/=2.4，1與2均小于0.15%，且對(duì)邊長小于50 mm的立方體電場傳感器在測試標(biāo)定時(shí)所帶來的電場強(qiáng)度相對(duì)誤差小于0.8%。與IEEE有關(guān)直流離子流電場測量的標(biāo)準(zhǔn)中的裝置相比，本文裝置面積僅為其傳統(tǒng)裝置體積的1/8。

2.2.2 邊緣效應(yīng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邊緣效應(yīng)是指在實(shí)際設(shè)計(jì)平行極板結(jié)構(gòu)過程中，極板邊緣處電場發(fā)生畸變導(dǎo)致電場分布不均勻，實(shí)際電場與理論電場存在偏差的情況[13]。受邊緣效應(yīng)影響平行極板結(jié)構(gòu)間均勻電場區(qū)域小于理想狀況，且電場均勻性誤差很大。對(duì)于帶有空間離子流的電場環(huán)境，邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的電場不均勻分布會(huì)引起空間離子流在平行板電場中的不均勻分布，繼而影響均勻離子流場環(huán)境的產(chǎn)生。

為了解決這一問題，本文采用了在平行板邊緣處等分電位的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即將平行板四周分成若干層等位線環(huán)，每層線環(huán)之間用高阻值電阻連接進(jìn)行分壓。利用ANSYS有限元分析軟件，分別對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前和優(yōu)化后的裝置進(jìn)行仿真分析。建立尺寸為′′=600 mm′600 mm′250 mm的模型A和在模型A基礎(chǔ)上添加5條等分電位線進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型B，在平行板間加載+2.5 kV直流電壓，則兩模型的電場分布情況如圖5所示。

模型A、模型B的電場均勻性仿真結(jié)果分別如圖5a、圖5b所示。從圖5中可以很明顯看到模型A邊緣處的電場不均勻。模型A與模型B電場強(qiáng)度分布曲線如圖6所示。分別選模型A、模型B進(jìn)行電場均勻性誤差分析。模型A電場強(qiáng)度理論值為10 kV/m，平行極板邊緣處電場為7.571 kV/m，電場均勻性誤差為22.339%，電場均勻性誤差小于0.5%的區(qū)域?yàn)槟Ｐ虯平行板電場中心區(qū)域240 mm′240 mm范圍內(nèi)。

模型B電場強(qiáng)度理論值為10 kV/m，平行極板邊緣處電場為9.557 kV/m，電場均勻性誤差為4.427%。電場均勻性誤差小于0.5%的區(qū)域?yàn)槟Ｐ虰平行板電場中心區(qū)域336 mm′336 mm范圍內(nèi)。選模型B平行板電場中心區(qū)域240 mm′240 mm范圍，計(jì)算得到電場均勻性誤差為0.147%。從仿真和計(jì)算結(jié)果可以看出采用平行板邊緣等分電位方法能夠有效減小電場均勻性誤差，增大平行極板間均勻電場區(qū)域范圍。

a. 模型A

b. 模型B

圖5 模型A與模型B電場均勻性二維仿真結(jié)果

圖6 模型A與模型B電場強(qiáng)度分布曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

縮小尺寸直流離子流場發(fā)生裝置實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖7所示，電暈框采用直徑0.05 mm的不銹鋼絲平行排列組成，其下方60 mm是離子流控制板。離子流控制板下方是邊長為600 mm、間距為250 mm的平行極板。如圖1所示在下極板上布置1～99個(gè)圓形威爾遜板，利用吉時(shí)利6517B靜電計(jì)分別測量各位置威爾遜板的離子流電流。在溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為36%，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境下對(duì)電暈絲加載直流高壓進(jìn)行離子電流分布實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出1～9各威爾遜板測得的離子流電流分布情況一致，在電暈線電壓為4～5 kV左右時(shí)離子流電流開始增大，但此時(shí)離子流電流很微弱受環(huán)境影響很大。因此選取電暈線電壓為7 kV時(shí)的測量值進(jìn)行分析。此時(shí)9個(gè)威爾遜板測得的離子流電流平均值為28.130 pA，測量值的最大偏差僅為1.832 pA，最大相對(duì)偏差為6.51%，相對(duì)平均偏差僅為1.66%。

圖7 直流離子流場發(fā)生裝置

圖8 S1～S9位置離子流電流變化曲線

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了縮小尺寸的直流離子流場發(fā)生裝置?；诶碚撚?jì)算對(duì)離子流產(chǎn)生部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了電暈絲半徑和離子流場產(chǎn)生區(qū)域間距?；谟邢拊碚搶?duì)均勻離子流場平行板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模仿真，確定了直流離子流場平行板結(jié)構(gòu)的尺寸和間距，將裝置體積減小為傳統(tǒng)裝置體積的1/8。采用在平行板邊緣處等分電位的方法解決了邊緣效應(yīng)造成的電場不均勻問題，將平行板結(jié)構(gòu)邊緣處電場均勻性誤差從22.339%降到了4.427%，改善了電場均勻性，增大了平行極板結(jié)構(gòu)中的均勻電場區(qū)域范圍。最后離子電流分布實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了縮小尺寸直流離子流場發(fā)生裝置的離子流場的均勻性，在電暈絲電壓7 kV時(shí)離子流電流強(qiáng)度相對(duì)平均偏差僅為1.66%，該裝置能夠提供均勻的離子流場環(huán)境。

縮小尺寸直流離子流場發(fā)生裝置與傳統(tǒng)離子流場發(fā)生裝置相比具有體積小，對(duì)高壓電源要求低，適用于電場傳感器外場環(huán)境的現(xiàn)場測試校準(zhǔn)，易于集成環(huán)境載荷進(jìn)行傳感器環(huán)境影響因素研究等優(yōu)點(diǎn)。本文裝置能夠?yàn)殡x子流環(huán)境下電場的準(zhǔn)確測量提供便利和保障，為電場傳感器在離子流環(huán)境下的輸出特性研究提供基礎(chǔ)，有利于新型電場傳感器的應(yīng)用和研究發(fā)展。

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編 輯 漆 蓉

Optimal Design of Direct Current Ionized Field Generator

LI Bing1,2, ZHENG Feng-jie1, PENG Chun-rong1, CHEN Bo1, LING Bi-yun1,2, and XIA Shan-hong1

(1. State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Haidian Beijing 100190;2. School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences Shijingshan Beijing 100049)

Direct current (DC) ionized field generator plays an important role in the test and calibration of electric field sensors under the condition of ionized field. Traditional DC ionized field generator is difficult to meet the development needs of novel electric field sensors and inconvenient to apply in outdoor fields for its large volume. This paper presents a reduced-scale DC ionized field generator. Based on theoretical calculations and finite element simulation, the critical parameters of device size and structure are analyzed and optimized. The structure is optimized and the fringing field effect is eliminated by equaling potential at the edge of the parallel plate. So the uniform electric field region between the parallel plates is increased and the uniformity error of electric field is reduced. The experimental results show that the relative average deviation of the ion current intensity at different places of the ionized field is only 1.66% when the voltage of corona wires is 7 kV. The reduced-scale DC ionized field generator presented in this paper can generate the uniform ionized field.

direct current ionized field; fringing field effect; the finite element analysis; uniformity

TP212

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.06.013

2016-09-26；

2017-02-17

國家自然科學(xué)基金重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)(61327810)；國家自然科學(xué)基金(61302032)

李冰(1989-)，男，博士生，主要從事電場傳感器及電場傳感器測試系統(tǒng)方面的研究.