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介质阻挡放电的电荷传输特性研究
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孙岩洲
"西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室!陕西西安D$%%#E$
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摘要%对介质阻挡放电空间的电荷传输特性进行研究!可以在实际应用中优化设计&提高放电效率’通过在实验室建立的介质阻挡放电装置!研究了外加电压幅值&气隙距离&阻挡介质的厚度和介电常数等因素对放电空间传输电荷的影响(试验结果表明!放电空间在一个周期传输的电荷量随外加电压幅值和介质介电常数的增加而增加!随气隙距离和介质厚度的增加而减小(
关键词%等离子体)介质阻挡放电)电荷传输中图分类号%UV!$T
文献标识码WI
废气处理等方面获得了广泛的应用_$ST‘(
随阻挡材料性质&电极结构&气体类型和电源特性的不同!YZY放电空间表现出不同的放电特性_#!a‘(从等离子体化学的角度考虑!YZY放电空间所发生的等离子体化学反应的效率是由微放电通道内的电荷传输量决定的_&‘(因此!研究不同条件下
YZY放电空间的电荷传输特性!对于深入理解放电机理和优化YZY反应器设计&提高运行效率具有重要的意义(笔者通过实验室建立的YZY发生装置!研究了气隙距离&介质厚度&外加电压幅值和介质的介电常数等因素对YZY放电空间传输电荷量的影响(
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实验装置和测量方法
实验装置
研究所用的YZY是在敞开的空气环境下产生的!实验装置及其电气接线见图$(上下电极均为直径
!a>>的圆型黄铜平板电极!阻挡介质分别覆盖在其表面(试验时电极间隙的调节范围为$"#>>(电源采用输出电压范围为%#a%\b的工频变压器(放电的电压波形通过由电阻!$和!!构成的高阻分压器来测量(其中%!$!&%V!)!!!!%%"!!分压比为T%%(
放电电流波形通过在放电回路中串联一个阻值为
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前言
介质阻挡放电是一种有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式(插入的绝缘介质可以使放电空间产生的电荷积聚于其上!产生了一个与外加电场方向相反的附加电场!阻止放电发展到电弧阶段(YZY能够在常压下产生大体积&高能量密度的低温等离子体!具有十分广阔的应用前景(目前!YZY在臭氧合成&F^!激光器&紫外光源&材料表面改性和
收稿日期%!%%#S%&S!&
$%%!的无感电阻获得!放电空间传输的电荷通过在放电回路上串联一个!%7H的电容器"%获得(记录仪器采用UY’ST%a!数字示波器(
图$产生YZY的实验装置及其电气接线
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研究与分析
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测量方法
;和!,分别为介质和气隙的等效电容值?@A$在放电反应器和地电位之间加进一个测量电容!("图B&!用以测量放电传输的电荷量"$合适地选取!(的值!使得!(远大于;和!,串联的电容值&!则可认为!(的引入对放电不产生影响!测量得到的"即为;
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图)给出了当气隙距离和介质厚度固定时!放电空间在一个周期内传输的电荷与外加电压之间的关系曲线)从图中可以看出!随外加电压的增加!放电空间传输的电荷量增加)电压为BO!7时传输的电荷为BB’PQ!约为电压B(J7时传输电荷"’’PQ&的I倍)放电空间传输的电荷量增加主要是因为外加电压的增加使得放电更加强烈!放电空间产生更多的随机分布的放电电流细丝!而每个细丝传输一定数量的电荷!表现在宏观上为整个放电空间传输的电荷总量增加)
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试验结果及讨论
图I给出了当介质厚度一定时放电在一个周期内传输电荷随气隙距离变化的关系曲线)从图中可以看出!放电空间传输的电荷量随气隙距离的增加而减小)外加电压为B’8IJ7时!气隙距离为B$$时传输的电荷约为气隙I$$时传输电荷的)倍)该变化趋势主要是因为气隙距离增大使得气隙内的电场强度减弱!放电强度减弱!放电空间产生的放电电流细丝的数量减少!故放电在每个周期内传输的电荷量也减少)
图:给出了气隙距离固定时传输电荷随介质厚度变化的关系曲线)从图中可以看出!
当外加电压
图H为外加电压B’8IJ.!气隙距离’$$!用(8I$$厚的环氧作为阻挡介质时测得的!充电!从而为下半周期的放电积聚能量?MN)根据式"B&计算得出!放电在一个周期传输的电荷量为O:PQ)
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高压电器第#%卷第&期..#%*
和气隙距离固定时!传输电荷随介质厚度的增加而减少"这主要是因为!当介质厚度增加时!介质的等效电容!’减小!而气隙的等效电容!(不变!故气隙
中电场强度下降!使得传输的电荷量减少"
其中*%为电子电量&#%为电子密度&$%为电子质量&
"为电子的有效碰撞频率)将(*%式代入(#%式可以得到"与!!及!!的关系为*
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由式(-%可以看出!%与"和!!成正比!而与!"
和!!成反比!因此放电空间的平均电流密度随外加
电压幅值和介质的介电常数的增加而增加!随气隙距离和介质厚度的减小而增加)而放电空间传输的电荷随放电空间电流密度的增加而增加)这种关系反映在所测得的放电空间传输电荷上!即为每个周期传输的电荷与如上各个参量之间的关系!这与图
#!)中给出的试验结果是一致的)
图)给出了用*种介电常数不同的介质#玻璃$环氧和聚四氟乙烯!厚度均为+,,!介电常数分别为
#
结语
试验结果和分析表明!343放电空间在一个周
-!*./和!.*%作为阻挡介质在放电气隙固定为!,,
时!测量得到的放电空间传输的电荷随外加电压变化的关系"从图中可以看出!*种材料放电空间传输的电荷均随外加电压的增加而线性增加&当外加电压相同时!放电空间传输的电荷随介电常数的增大而增多’这主要是因为!介电常数越高!介质的等效电容!’越大!在相同的外加电压下气隙内的电场强度越大!放电越为剧烈!传输的电荷量越大"
期内传输的电荷量与外加电压幅值+气隙距离$阻挡介质的厚度和介电常数有关!随外加电压幅值和介质的介电常数的增加而增加!随气隙距离和介质厚度的增加而减少"所以在实际应用时!为了增加放电空间传输的电荷量!从而提高343的运行效率!应选用介电常数较大$厚度较薄的材料作为阻挡层!同时应尽量减小工作间隙距离和提高工作电压"
参考文献*
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1#2罗毅!方志!邱毓昌.材料性质对介质阻挡放电的影响
利用图!(0%中的等效电路!可以从理论上分析放电空间传输的电荷与其影响因素之间的关系)当外加电压为"时!假设介质材料和气体都是均匀的!介质层的介电常数和厚度分别为!!和!!!气体介电常数和气隙距离为!"和!"!则可计算出介质和放电气隙中的电场强度#!和$"分别为*
,M-.绝缘材料!!%%*!*&(#%*#-O#).
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放电空间的平均电流密度"为1/2*
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作者简介*方志(+/))&%!男!博士生!从事气体放电技
术产生等离子体与其应用方面的研究
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