脈沖放電激發反電暈的研究

謝輝林　李孜

摘要：針對高壓脈沖電源反電暈放電進行實驗研究。采用正極性固態 Marx脈沖發生器作為放電電源，以中間添加蜂窩介質的針板作為放電電極，設置正極性矩形高壓脈沖輸出電壓為 0～20 kV 可調，工作頻率為 0～1 000 Hz可調，脈沖寬度為 10～500 μs可調，進行反電暈放電實驗，并根據電源和電極參數對影響放電電流大小的因素進行分析。進一步，在相同放電電極參數條件下，將高壓脈沖反電暈與直流反電暈進行了對比研究。研究結果表明：介質厚度、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，證明高壓脈沖激發反電暈放電效果更好。

關鍵詞：低溫等離子體；反電暈；脈沖功率技術；高壓脈沖

中圖分類號：? TM 81???????????? 文獻標志碼：?? 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

當前，低溫等離子體技術在空氣污染治理領域有著廣泛的應用[1-4]。通常，空氣中的電暈放電用于產生低溫等離子體。直流、交流和脈沖電源均可用于產生電暈放電[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]研究了氣體放電現象和反電暈放電下粉塵層的光譜特征，結果得出，正負放電激發的反電暈放電現象能產生大量的活性粒子。國內一些大學實驗室[8-9]通過直流電源在多孔材料上實現了反電暈放電，結果表明，它能產生均勻、強烈的反電暈放電。蜂窩通道中產生的活性粒子數比電暈放電和反電暈流光放電區域中產生的活性粒子數還要多，電流大小是衡量產生等離子體數量的一個關鍵指標參數，可以反映反電暈放電的強度。在發生反電暈時，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更強烈的電暈現象。本研究采用高壓脈沖電源產生反電暈放電，并對蜂窩材料的反電暈放電原理進行了研究和分析。實驗中采用了不同的電源參數和不同的放電電極參數，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與相同放電電極參數下的直流反電暈放電電流進行對比分析。

1 實驗系統

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，將蜂窩介質放置在板電極上，并將板電極接地。針電極處達到一定電壓后會發生電暈放電并電離空氣產生離子和電子。電子附著在空氣中的中性粒子上，產生負離子。正離子和負離子在電場力的作用下開始移動。負離子向針尖移動，正離子向接地板移動。一部分正離子附著在蜂窩介質表面，其余一些正離子進入蜂窩孔洞附著在狹窄的孔洞上，逐漸累積并減慢后續正離子向地面的運動。正離子的累積使蜂窩介質形成電場強度 ED。如果繼續累積，介質的電場強度將達到臨界擊穿場強 EDB ，蜂窩介質孔洞中的空氣將會發生擊穿，并發生反電暈放電，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離子，在電場力的作用下向針尖移動，負離子和正極性高壓的針尖之間會形成放電。孔洞中剩下的正離子會繼續累積直至再次達到擊穿場強，繼續發生反電暈放電。

通過上述原理介紹可知，蜂窩介質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生提供了所需的離子。

發生反電暈的電場強度 ED 的表達式為[10]

ED = =ρr Jr > EDB（1）

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

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

1.2 實驗脈沖電源

圖2為 n 級正極性 Marx發生器的原理圖。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。如藍色箭頭所示，直流電源通過 Sci 和 Di 對 Ci 并聯充電。在放電過程中，所有 Sci 同時關閉，所有Sdi同時接通。如紅色箭頭所示，所有 Ci 通過負載串聯放電。 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 Marx發生器來產生高壓脈沖[11]。該電源的工作參數如下：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。實驗中的 Marx 發生器使用現場可編程門陣列 FPGA（field- programmable gate array）控制器提供開關管的控制信號[12-14]。將控制信號通過半橋電路進行放大，再通過脈沖變壓器隔離，將隔離后的信號傳輸至 Marx 發生器的驅動電路，從而控制開關管充放電并輸出高壓脈沖。

1.3 實驗裝置

圖3展示了使用固態 Marx發生器或直流電源的實驗裝置模型，中間的裝置為放電電極模型。“a ”為連接到 Marx發生器的高壓輸出，“b ”為針電極，“c ”為蜂窩介質，“d ”為連接到接地的金屬板電極。實驗中針數為5根，針到板的距離可在10～30 mm之間調節。電暈放電在沒有介質的情況下，極易在針頭和極板之間形成局部火花擊穿。因此，蜂窩介質對于穩定反電暈放電是必不可少的。實驗使用的介質為純度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。經過測試，一定阻值范圍內的水泥電阻對反電暈放電電流的測定影響不大，最終在實驗中選擇了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 實驗結果與分析

2.1 蜂窩介質反電暈放電的初步研究

初步實驗參數為：針數為5根；介質厚度為8 mm ；針板厚度為20 mm；脈沖寬度為400μs；放電頻率為1000 Hz。這些實驗參數為后續實驗中的常規實驗條件。

圖4展示了反電暈放電的電流波形。可以看出，如果放電電壓低于8 kV，輸出電流非常小且平穩，則不會發生反電暈放電。當電壓幅值上升到12 kV 時，會發生反電暈放電，在電流上會出現許多獨立的隨機電流脈沖。當電壓增加到16 kV 時，電流脈沖會出現得更多，幅值也更大。

采樣電阻以及電路等效 RC 參數會導致放電電流上升沿和下降沿的振蕩。實驗中，由上升沿振蕩對測量造成的影響在大約120μs 內迅速衰減，在200μs之后，電流波形基本不受振蕩影響而趨于穩定。

反電暈放電現象如圖5所示，常規實驗條件下反電暈放電的伏安特性曲線如圖6所示。在實驗數據的測定中，每組實驗都會被重復測量10次以上，然后計算平均值以表示數據圖中的每個點。如果電極處的電壓低于5 kV，則電流將非常低。當電壓上升到5 kV 以上時，電暈放電會發生在針尖周圍。如果電壓增加到7 kV，電暈將變得更亮，如圖5（a）所示，其現象發生在圖6中電壓為7 kV 的位置。當電壓范圍為5～8 kV 時，蜂窩介質表面無放電。如果電壓從8 kV 增加到10 kV，介質表面會出現一些明亮的輝光點，并會發生反電暈放電，使電流從低于10μA 迅速增加到高于20μA，如圖6所示。如果電壓進一步增加到16 kV，則在針尖周圍的電暈和介質表面上的輝光之間會形成流光通道，如圖5（b）所示，其現象發生在圖6中電壓為16 kV 的位置。當施加電壓達到17 kV 時，反電暈電流增加至167.4μA，如圖6所示。當電壓從17 kV 增加到18 kV 時，會發生火花放電，如圖5（c）所示，其現象發生在圖6中電壓為18 kV 的位置。放電電流迅速上升到近1 mA，由于連續的火花放電，電流不穩定。火花放電會導致 Marx發生器中的過電流，應避免這種情況。因此，實驗中的最大電壓幅值限制在17 kV 以內。

2.2 參數分析

通過改變電極和電源參數，研究了各種參數對反電暈放電電流的影響。實驗參數范圍為：針數為5根；介質厚度為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。其中常規實驗參數為：針數為5根；介質厚度為8 mm；針板厚度為20 mm ；脈沖寬度為400μs ；放電頻率為1000 Hz。

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

圖8為不同針板間距下反電暈放電的伏安特性圖。可以發現，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 參數引起的振蕩，只有脈沖寬度大于200μs 時，放電電流才能準確測量。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。本實驗的放電頻率為1000 Hz，脈沖寬度為500μs 時，其電流雖然比400μs 時大，但增幅變小。可以得出，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。可以得出，在相同電壓情況下，放電頻率在100～1000 Hz范圍內時，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據（1000 Hz）與直流反電暈電流作對比分析，實驗表明，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。隨著放電電壓的進一步提高并伴隨著反電暈放電的發生，脈沖放電的電流大小會逐步高于直流放電。

3 結論

本文進行了高壓脈沖激發反電暈放電的實驗研究。采用的固態 Marx發生器可以產生工作頻率0～1000 Hz可調、脈沖寬度為10～500μs 可調、輸出電壓為0～20 kV 可調的矩形高壓脈沖。使用針板電極中間添加蜂窩介質的形式進行了反電暈放電實驗。放電電流是衡量產生等離子體數量的一個關鍵指標參數，可以反映出反電暈放電的強度。針對蜂窩介質厚度、針板間距兩類電極參數，放電脈沖寬度、放電頻率兩類脈沖電源參數對反電暈放電電流的影響進行了詳細的分析。進一步，與同等條件下的直流電源反電暈放電電流進行對比分析，研究結果表明，介質厚度越薄、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，發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，證明高壓脈沖激發反電暈放電有進一步的研究空間。

后續研究將主要集中在探究最佳脈沖反電暈放電的參數范圍，并將其應用于處理有害氣體的實驗中，以反電暈放電電流強度對有害氣體的處理效果分析作為切入點，對其最佳處理參數條件和機理進行研究。

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（編輯：丁紅藝）