結構參數對介質阻擋放電擊穿電壓的影響

孫保民，汪濤，肖海平，曾菊瑛

(華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京102206)

結構參數對介質阻擋放電擊穿電壓的影響

孫保民，汪濤，肖海平，曾菊瑛

(華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京102206)

為了研究介質阻擋放電(DBD)下反應器結構對氣體擊穿時反應器兩端所需外加電壓的影響，進行模擬煙氣(N2/NO)在DBD下放電的實驗，改變氣體間隙、介質材料、電極接入方式、內電極材料等參數，分別比較擊穿電壓的變化。對實驗條件下氣體間隙的電場分布進行模擬計算，通過分析電場對擊穿電壓的影響，驗證了實驗結果的正確性。結果表明：增大內電極直徑，減小氣體間隙可以降低擊穿電壓；增大阻擋介質的介電常數對降低擊穿電壓有利；與內電極作陽極相比，內電極作陰極時擊穿電壓較低；內電極材料的二次電子發射系數越大，擊穿電壓越小。

介質阻擋放電；數值模擬；反應器結構；擊穿電壓

隨著現代工業的發展，機動車輛數量大增，火電機組也增多，機動車和電廠排放的尾氣中含有大量的氮氧化物(NO)，嚴重危害人類的健康。氮氧化物的脫除是目前控制發動機和電廠有害物排放的重點和難點。低溫等離子體技術作為脫除NO的新方法，具有效率高、能耗低、無二次污染等優點[1]。介質阻擋放電(DBD)是一種典型的低溫等離子體放電，由兩個金屬電極和至少一個絕緣介質組成。不同的反應器結構參數下表現出的放電特性大不相同，周博等[2]認為同軸圓柱型DBD的放電起始電壓隨中心電極半徑的增大呈現出先增大后減小的變化趨勢。Wang等[3]探討了不同內電極結構對介質阻擋放電脫除NO的影響。Ghaleb等[4]分別運用二維流體模型和數學分析方法比較了氙氣和氖氣氣氛中氣體擊穿電壓與Pd值的變化關系，得知增大氣體二次電子發射系數有利于降低氣體的擊穿電壓。趙衛東等[5]推導了DBD放電的功率計算公式，并對同軸圓柱結構反應器的電場分布進行了分析。Takaki等[6]通過實驗研究認為，多針-平板型介質阻擋放電產生的電場非常不均勻，有利于降低放電起始電壓。當外加電壓幅值和頻率不變時，降低氣體擊穿電壓可以延長一個周期內氣體放電持續時間，增大放電功率，使放電空間內產生更多的活性粒子。戴玲等[7]通過實驗研究了不同氣體、氣壓、電源頻率及氣體流速對介質阻擋放電的擊穿電壓的影響，結果表明氣壓越低氣體的擊穿場強越低，電源頻率對擊穿場強影響不大，流速對擊穿場強的影響程度跟氣體種類有關。所以，研究和比較不同反應器結構下擊穿電壓的變化，對優化反應器結構、降低脫硝能耗有著非常重要的意義。本文通過實驗得到不同氣體間隙、阻擋介質材料、電極接入方式和內電極材料的情況下擊穿電壓的變化，并利用二維場域的有限元方法，結合多物理場直接耦合分析軟件，對靜電場分布的拉普拉斯方程進行數值求解，模擬計算了實驗條件下氣體間隙的電場分布。通過分析電場與擊穿電壓的關系，驗證了實驗結果的正確性，為后續相關研究提供一定的理論和實驗依據。

1 實驗裝置與方法

實驗流程如圖1所示，實驗氣體通過減壓閥減壓，流經質量流量控制器(MFC)，混合后進入反應器，反應后的氣體由堿液吸收。反應器出口的氣體成分由煙氣分析儀在線監測，數字示波器主要用于采集放電時的李薩如圖形。

圖1 實驗系統示意圖

實驗中將高純氮氣(99.999%)與一氧化氮(10%)混合制備成NO，體積分數為500×10－6，平衡氣體為N2的實驗氣體，總氣體流量為10 L/min。

反應器介質管長530 mm，內徑24 mm，厚2 mm，材質分別為石英(=3.7)、陶瓷(=6)、剛玉(=9.8)。介質管外表面包覆一層長450 mm的紫銅網作為外電極，內電極是直徑分別為8、10、12 mm的圓棒，內電極材料分別為鎢、銅和不銹鋼。

主機電源為反應器直接供電電源，輸出的正弦電壓在0～30 kV范圍內可調，實驗頻率為10 kHz。反應器內放電功率均由李薩如圖形面積計算得到，所有的測量波形均由數字示波器Rigol DS1202CA(實時采樣率2 GSa/s，寬帶200 MHz)采集，并用Testo 350-Pro煙氣分析儀對反應器出口的煙氣成分進行測量。

2 實驗結果與分析

2.1 氣體間隙對擊穿電壓的影響

圖2所示為反應器等效電路，Cd和Cg分別表示介質和氣體的等效電容。氣體被擊穿前，電路中無電流通過，反應器可等效為Cd和Cg串聯，如圖2(a)；當電壓達到擊穿電壓時，氣體被擊穿而導通，反應器可等效為Cg與齊納二極管并聯后與Cd串聯接入電路，如圖2(b)。

圖2 介質阻擋放電等效電路

因為：

將式(2)、(3)代入式(5)可得：

將式(1)、(6)代入式(4)得到：

從式(7)可以看出，當介質管內外半徑不變時，通過增大內電極半徑可減小氣體間隙，擊穿電壓也隨之減小；減小可增大，隨之增大。

實驗采用內徑為24 mm的石英管(厚度2 mm)作阻擋介質，外電極作為高壓電極，內電極是直徑分別為8、10、12 mm的銅棒，通過改變內電極直徑來改變氣隙大小。測得不同氣隙大小條件下擊穿電壓如表1所示。從表1中數據可以看出，通過增大內電極直徑減小氣體間隙，可降低擊穿電壓，同理論分析結果相吻合。

表1 實驗所用內電極

2.2 介質材料對擊穿電壓的影響

利用二維場域的有限元方法，結合多物理場直接耦合分析軟件，可對靜電場分布的拉普拉斯方程進行數值求解，完成三種介質管條件下氣隙間靜電場分布的模擬計算。計算模型如圖3所示，外加電壓幅值30 kV，電源頻率10 kHz，內電極直徑為10 mm，介質管內徑24 mm，厚2 mm，外電極接高電壓，模擬分別以石英、陶瓷、剛玉三種材料作阻擋介質時氣體間隙的電場分布。為了簡化模型，作以下假設[9]：

(1)線電極上的電勢等于外加電壓；

(2)內電極為圓柱體，表面光滑且干凈；

(3)只考慮二維場的分布。

計算場域具有對稱性，本文僅研究如圖3所示的ABCDEF區域的靜電場分布，AB、EF為氣體間隙大小，BC、DE為介質層厚度。計算模型的邊界條件如下[10]：

(1)在內電極上，即AF處滿足第一類邊界條件，=30 kV；

(2)CD上滿足第一類邊界條件，=0；

圖3 模擬計算模型網格劃分

計算出三種介質材料下氣隙中靜電場分布如圖4所示。

圖4 不同介質材料下氣隙靜電場分布

根據帕邢定律知擊穿電壓的表達如下[11]：

A、B是與氣體性質有關的常數，當氣體壓強p和電極間距離不變，擊穿電壓僅與湯生第三電離系數r有關，γ系數表示平均每個正離子打到陰極上所引起的次級電子發射數。

在與以上模擬相同的條件下進行實驗，測得三種介質管下的擊穿電壓比較如表2所示。結果顯示，阻擋介質介電常數越大，擊穿電壓越小，與理論分析趨勢一致。

表2 不同介質材料下擊穿電壓

2.3 電極接入方式對擊穿電壓的影響

實驗條件：石英管介質管內徑24 mm、厚2 mm，內電極為直徑分別為8、10和12 mm的銅棒。分別將內電極和外電極作高壓電極進行實驗，得到不同條件下擊穿電壓如表3所示。從表3中可以看出，三種實驗條件下當以外電極作高壓電極時擊穿電壓均比內電極作高電壓極時擊穿電壓小。

表3 不同電極接入方式下擊穿電壓

在以石英管(直徑24 mm，厚2 mm)為介質，內電極直徑10 mm條件下對氣隙中靜電場進行模擬計算，如圖5。從圖5中可以看出，同軸圓柱形DBD反應器電極間的電場分布非常不均勻，沿著半徑方向，氣體場強逐漸減小，靠近內電極附近處場強最大(約6 500 V/mm)，靠近阻擋介質內壁處場強最小(約2 700 V/mm)。所以，當內電極作高電壓電極時，陰極附近電場強度很小，當外電極作高電壓極時，陰極附近電場強度較大。

圖5 沿半徑方向氣隙中電場分布

氣體間隙中電場分布決定了湯生α系數和γ系數的數值和分布，限制氣體中電子和離子的運動軌跡及電子雪崩過程。從前文分析已知，當氣體壓強不變，γ值隨電場強度的增大而增大。當內電極作陰極時，陰極附近電場比較強，可得到較大的γ值，從而降低擊穿電壓。

2.4 內電極材料對擊穿電壓的影響

為了研究內電極材料對DBD的擊穿電壓的影響，實驗時采用內徑24 mm的石英管為介質層，內電極直徑為10 mm，材料分別為鎢、銅和不銹鋼，外電極接高電壓。實驗結果如表4所示，采用鎢棒為內電極時，氣體的擊穿電壓比銅棒和不銹鋼棒為內電極時要小。因為不同的電極材料，其第三電離系數(二次電子發射系數)不同，即平均每個正離子達到陰極上所引起的次級電子發射。在相同的氣體成分下，氣體壓強和電極間距離不變時，由式(8)可知，隨著二次電子發射系數γ的增大，擊穿電壓減小。

表4 不同電極材料下擊穿電壓

2.5 不同反應器對NO脫除的影響

為了研究不同結構配置對NO脫除的影響，選取擊穿電壓最低的與最高的反應器進行了實驗比較。裝置一：內電極直徑為12 mm，介質材料為剛玉，外電極接高電壓，內電極材料為鎢，實驗時所測的擊穿電壓為5.53 kV；裝置二：內電極直徑為8 mm，介質材料為石英，內電極接高電壓，內電極材料為不銹鋼，實驗時所測的擊穿電壓為7.23 kV。脫除NO的實驗結果如圖6所示。隨著放電功率的增大，NO濃度降低，但裝置一的脫除效果明顯高于裝置二的，當放電功率為93 W時，裝置一和裝置二的尾氣中NO濃度分別為114×10－6和183×10－6。NO脫除效率分別為77.2%和63.4%。

圖6 不同配置對NO濃度的影響

3 結論

(1)保持介質管內、外直徑不變，通過增大內電極半徑的方法減小氣體間隙，可以降低擊穿電壓；采用具有較大介質常數的阻擋介質，可以降低氣體初始放電時反應器兩端外加電壓；與內電極作高壓電極相比，外電極作高壓電極氣體被擊穿所需外加電壓較低；鎢電極作為內電極時，氣體的擊穿電壓比不銹鋼和銅電極為內電極時小。

(2)用不同裝置的DBD反應器脫除NO，放電功率為93 W的情況下，內電極直徑為12 mm，介質材料為剛玉，外電極接高電壓，內電極材料為鎢的反應器和內電極直徑為8 mm，介質材料為石英，內電極接高電壓，內電極材料為不銹鋼的反應器的脫除效率分別為77.2%和63.4%。

[1]邢世凱，馬朝臣，馬松.低溫等離子體對柴油機排氣微粒數量和質量影響的實驗研究[J].內燃機工程，2013，34(1)：8-12.

[2]周博，蔡憶昔，趙衛東，等.中心電極半徑對介質阻擋放電工作特性的影響[J].絕緣材料，2010，43(5)：64-74.

[3]WANG M Y，ZHU T L，WANG H.Oxidation and removal of NO from flue gas by DC corona discharge combined with alkaline absorption[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2011，39(2)：704-710.

[4]GHALEB F，BENST魦ALI W，BELASRI A.Calculation of break down voltage in plasma display panels[J].Materials Science and Engineering C，2008，28：791-794.

[5]趙衛東，蔡憶昔，韓文赫，等.同軸圓柱結構DBD裝置放電功率的模擬計算及實驗研究[J].高壓電器，2010，46(6)：25-28.

[6]TAKAKI K，JANI M A，FUJIWARA T.Removal of nitric oxide in flue gases by multipoint to plane dielectric barrier discharge[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，1999，27(4)：1137-1145.

[7]戴玲，韓永霞，林福昌，等.介質阻擋放電擊穿場強影響因素的研究[J].華中科技大學學報：自然科學版，2007，35(2)：93-95.

[8]鄭民偉.同軸圓柱形電容器電場的兩種計算[J].廣州航海高等專科學校學報，2000，2：28-31.

[9]余剛，顧寧，蔣彥龍，等.電暈耦合無聲放電結構電極配置數值模擬[J].南京航空航天大學學報，2007，39(6)：752-755.

[10]吳祖良.直流電暈自由基簇射煙氣中多種污染物脫除的機理研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[11]WANG T，SUN B M，XIAO H P，et al.Effect of reactor structure in DBD for nonthermal plasma processing of NO in N2at ambient temperature[J].Plasma Chemistry and Plasma Processing，2012，32(6)：1189-1201.

[12]徐學基.氣體放電物理[M].上海：復旦大學出版社，1996.

Effects of structural parameters on breakdown voltage in dielectric barrier discharge reactor

SUN Bao-min,WANG Tao,XIAO Hai-ping,ZENG Ju-ying

In order to study the role of dielectric barrier discharge(DBD)reactor structural parameters play on the breakdown voltage,an experimental study was conducted on discharging of simulated flue gas(N2/NO)in a DBD reactor.Then a comparison of breakdown voltage,under different gas gap,dielectric material,electrode connection and inner electrode material was made.The distribution of the electric field in between the gas gap under the same condition with the experiments was simulated.And the correctness of the test result through the analysis of the influence of the electric field on breakdown voltage was verified.It shows that larger inner electrode diameter leads to smaller gas gap and then minimizes the breakdown voltage;the increasing of dielectric material is good for breakdown voltage reducing;breakdown voltage is lower with inner electrode as the cathode compared with outer electrode as cathode;the larger the secondary electron emission coefficients of inner electrode is,the lower the breakdown voltage is.

dielectric barrier discharge;numerical simulation;reactor structure;breakdown voltage

TM 93

A

1002-087 X(2015)03-0609-04

2014-08-27

國家自然科學基金(51206047)

孫保民(1959—)，男，山東省人，教授，主要研究方向為高效清潔燃燒及低污染控制。