介質阻擋放電中氣隙擊穿電壓計算研究

陳 昀 畢海巖

(國網天津市電力公司城東供電分公司 天津 300250)

介質阻擋放電中氣隙擊穿電壓計算研究

陳 昀 畢海巖

(國網天津市電力公司城東供電分公司 天津 300250)

介質阻擋放電是產生低溫等離子體的一種典型裝置，在工業領域得到了廣泛應用．其氣隙上的電壓是一個非常重要的參數，直接決定了氣隙的場強．但在實驗過程中，通常直接測量得到的是外加電壓和電路中的電流，其氣隙上的電壓往往需要通過計算得到，因此分析了穩態擊穿時刻的氣隙電壓的計算方法和首次擊穿時刻的氣隙電壓的計算方法，為氣體放電研究者提供一定的參考．

介質阻擋放電 氣隙擊穿電壓 計算

1 引言

當談到“大氣壓介質阻擋放電”(Dielectric Barrier Discharge: DBD )由于其不需昂貴的真空系統，易于產生大氣壓下的非平衡態等離子體，大大降低了生產成本，已在材料表面改性、薄膜生長、殺毒滅菌等工業領域上得到廣泛應用[1～4]．

圖1是介質阻擋放電實驗裝置的典型原理圖，它主要包括交變電源、電氣診斷系統和放電室．放電室內為兩個平行平板電極，其表面覆蓋著石英等介質材料，本試驗中所用介質材料的厚度為1 mm，相對介電常數為3.9．放電室中充滿了實驗氣體，本文中所用氣體為氖氣，其相對介電常數為1.000 56．一般使用交流電壓作為電源，放電電流和所加電壓分別通過電流檢測電阻R和電容分壓器測量．電壓和電流信號均利用示波器記錄．

圖1 介質阻擋放電實驗裝置原理圖

2 氣隙擊穿電壓的確定

圖2所示，其為典型的大氣壓氖氣介質阻擋均勻放電的穩態放電波形圖．圖中Ua為外加電壓，i為氣隙電流，它們可以直接測量得到．除了穩態放電，在放電初始，還有一過渡過程，即從不放電到氣隙擊穿的過渡過程：如圖3所示．圖中所示的外加電壓頭兩個半周期內，氣隙沒有擊穿，電流為位移電流．在外加電壓的第3個半周期內，大約在t=-12 μs時刻，電流波形上出現了第一個放電電流尖峰，這表明氣隙首次擊穿．氣隙首次擊穿后，在外加電壓的每半個周期內都出現了一個放電電流脈沖(即擊穿一次)，并且電流脈沖幅值逐次增大，直至達到9 mA左右穩定下來，表明氣隙進入了穩態擊穿階段．而圖2所示的穩態擊穿階段的外加電壓和電流波形圖是在首次擊穿發生15個電壓周期之后記錄下來的．

圖2 氣隙穩態擊穿階段的放電波形圖(頻率f=20 kHz，氣隙間距d=6 mm)

圖3 氣隙從首次擊穿向穩態擊穿的過渡過程(f=20 kHz，d=6 mm)

在這兩種情況下，測量得到的電壓都為外加電壓，但是，真正對氣隙擊穿起作用的是氣隙上的電壓Ug，但人們難以直接測量Ug，而只能通過實驗測量和電路計算相結合的方法間接得到Ug，得到氣隙電壓后就可以計算擊穿場強等物理量．因此，如何得到氣隙電壓是介質阻擋放電中首先要解決的問題．

2.1 穩態擊穿電壓的確定

圖4是介質阻擋放電的等效電路，其中Cm和Cg分別是阻擋介質等效電容和氣隙等效電容，它們的數值可以通過平板電容公式計算得到．Rg是氣隙的等效電阻，它是一個可變電阻，氣隙擊穿前，Rg趨于無窮大；氣隙擊穿時，Rg迅速減小為放電等離子體的電阻．Ua和i是電極兩端的外加電壓和回路放電電流，如圖4所示，外加電壓Ua(t)和電路電流i(t)是可以直接測量的．

圖4 介質阻擋放電等效電路圖

對圖4列電路方程如下

Ug(t)=Ua(t)-Um(t)

(1)

(2)

其中Um(t0)是常數，它表示t0之前的放電在介質表面積累電荷的影響．在計算中要取恰當的Um(t0)值，使得Um(t)在一個外加電壓周期內的平均值為零，即介質沒有自極化．

由于Ua(t)和i(t)是實驗中已經測量得到的，將它們代入式(1)和(2)，可以數值計算得到Ug(t)．圖5是確定Ug的示意圖，圖中給出了測量得到的外加電壓波形，計算得到的氣隙電壓波形(黑色粗實線)．穩態擊穿電壓Ub，可以直接從圖5中的氣隙電壓Ug波形上讀取，Ug突然急劇下降時對應的電壓即為Ub．顯然，Ub約為800 V．

圖 5 氣隙穩態擊穿階段確定Ug的示意圖

2.2 首次擊穿電壓的確定

首次擊穿電壓的算法和穩態擊穿電壓有所不同，由于首次擊穿之前氣隙中無放電，根據圖3，首次擊穿之前，氣隙等效電容Cg和阻擋介質等效電容Cm呈串聯關系，它們對外加電壓Ua(t)分壓．由于首次擊穿發生在Ua(t)的峰值Uam附近，首次擊穿電壓Ub0可用下式計算

(4)

3 結論

首次擊穿電壓和穩態擊穿電壓的計算方式是不同的，這一點在實際應用中要特別注意．另外首次擊穿和 穩態擊穿相比，首次擊穿電壓要明顯高于穩態擊穿電壓．差異原因在于氣隙中放電殘留的活性粒子不同．首次擊穿之前，氣隙中沒有放電，因此不存在有助于擊穿的放電殘留活性粒子．穩態擊穿階段，氣隙中存在前一次放電的殘留活性粒子．尤其是當外加電壓頻率較高時，意味著前后兩次擊穿的間隔很短，前一次放電將在氣隙中留下數量可觀的并且有助于下一次擊穿的殘留活性粒子．因此，氣隙的穩態擊穿電壓Ub將低于首次擊穿電壓Ub0．參 考 文 獻

1 Roth J R.Industrial Plasma Engineering,V.1.Bristol and Philadelphia:Institute of Physics Publishing,1995

2 王新新.介質阻擋放電及其應用.高電壓技術,2009,35(1):1～11.WANG Xinxin.DielectriC Barrier Dis-charge and Its Applications.High Voltage Engineering,2009，35(1)：1～11

3 Kogelschatz U.Dielectric-barrier discharges:their history, discharge physics,and industrial applications.Plasma Chemistry and Plasma Processing,2003,23(1):1～46

4 Massines F,Gouda G.A comparison of polypropylene surface treatment by filamentary,homogeneous and glow discharge in helium at atmospheric pressure.Journal of Physics D:Applied Physics,1998,31(24):3 411～3 420

StudyandCalculationonAirGapVoltage

Chen Yun Bi Haiyan

(ChengdongElectricPowerSupplyCompany,StateGridTianjinElectricPowerCompany,Tianjin300250)

Dielectric barrier discharge(DBD) is a typical device for generating low-temperature plasma. It has been widely used in industrial field. The voltage of the air gap is a very important parameter for DBD. It determine the field strength of the air gap. But it can't be directly measured. In the experimental process, we usually obtained is applied voltage and the current in the circuit by direct measurement. The air gap voltage often obtained by calculation. The calculation method is analyzed of the steady breakdown voltage and the first breakdown voltage of the air gap. It provides a reference for the research of gas discharge.

dielectric barrier discharge;the voltage of the gap;calculation

2016-05-05)