多针电极双极电晕放电参数优化

多针电极双极电晕放电参数优化

0多针电极双极电晕放电根据电极结构，电头晕放电分为直管式、直管式和针式。广泛应用于我国。上世纪初,汤生给出线筒式电晕放电伏安特性近似解,其他学者发现针对板负电晕放电具有类似的经验公式。本实验室研究了多针对板电晕放电伏安特性关系,在不影响放电稳定性,放电能量密度较高时,优化确定了多针对板电晕放电的电极间距。在此基础上,提出了多针电极双极电晕放电,伏安特性研究中确认这种放电方式可以提高放电能量密度和放电稳定性。多针电极的针尖间距分为横向针尖间距和纵向针尖间距,本文只考察在一条直线上单排针的针尖间距对放电功率密度的影响。放电功率密度指两种含义:放电功率(测得外施电压与放电电流的乘积)P与针数n和相邻针尖间距s乘积之比即P/ns;放电功率与电极间距d之比即P/d。因双极电晕放电电极结构对称,高压端为正或负的双极电晕放电的伏安曲线较为接近,包括火花击穿电压也较为接近。本文只考虑高压端为正高压的直流电晕放电,改变s和d,分析放电功率密度的变化,从而得出提高它的有效方法和结果,进而确定多针电极双极电晕放电的优化电极间距。1放电电流检测电路实验装置和实验条件同文中的相似,区别于前期工作,本文研究的电极结构为多针对多针,即高压端和地端均为等间距分布在一直线上的10根针,放电反应器的电极结构见图1。正直流高压电源的电压从0～60kV连续可调;s≥5mm可调;d≥5mm可调;分辨率为10μA误差为0.8%的微安表用于检测放电电流;TekP6015A型分压器和HP54503型示波器检测外施电压。典型的多针电极双极电晕放电伏安曲线见图2,其s为15mm,针尖半径a为0.1mm,d从左向右依次为25、30和35mm。每条曲线右端为接近火花放电处的电压和电流值,同一般的电晕放电相似,在外施电压均匀上升的条件下(每次1kV),放电电流上升幅度逐渐增大,上升曲线光滑,可见该放电方式能在一定的电压范围内保持正常的电晕放电。在相同的外施电压下,随着d的增大,放电电流明显减小,并且击穿电压有相应的提高。相对于线板式或线筒式直流电晕放电,多针电极双极电晕放电在相同反应器体积内能注入更大的放电能量。2结果2.1针尖间距的影响保持放电电极间距d不变,逐渐增大针尖间距,测得放电电流值,计算得到不同外施电压下单针放电功率P/n与相邻针尖间距s的关系见图3。从上到下各曲线的外施电压Uout分别为20、18和16kV,d均为30mm,s从8mm起以公差2mm等差增加到30mm后又取了40mm。d<8mm且变化时,由于相邻针尖间距太近放电不稳定,故不予考虑。考虑放电稳定,s必须大于一定值,当d=30mm时,s至少>8mm。随着针尖间距增大单针对应的P/n随之增大,但针尖间距增大到一定程度时P/n增大趋缓。当针尖间距接近30mm时,单针放电的P/n增幅已经较小,考虑单针放电功率大小,多针电极双极电晕放电的优化针尖间距一定<30mm。考虑放电稳定和单针功率大小,确定得优化的s范围在8～30mm之间。在图3的基础上,将每一点P/n均除以针尖间距s,得到图4所示的放电功率密度P/sn与s的关系。当s接近8mm时,放电功率密度较大,外施电压较高时尤为明显,但易发生火花放电。当s较大时,总体上P/sn随s的增大而减小。当s在12～22mm之间时在相同外施电压下P/sn变化不大,并且以s为16mm时P/sn最大。在考虑放电稳定和单针功率大小的基础上,再考虑放电功率密度大小,当d=30mm时,确定优化的s为16mm。2.2d20mm时放电功率的变化保持s不变,改变d,测得放电电流值,计算得到不同外施电压下单针放电功率P/n与d之间的关系见图5。相邻针尖间距s均为15mm,从上到下各曲线的外施电压分别为20、18和16kV。在相同的外施电压下,随d增加P/n明显减小;在相同的d下,单针放电功率随着外加电压的增加而增大。图6给出各放电功率和放电功率密度与d之间的关系,从上到下依次的曲线分别为:针尖间距s为15mm,接近火花击穿时,测得的外施电压和放电电流,计算得到最大可注入功率Pmax与d的关系、最大放电功率密度Pmax/d(即单位电极间距下最大可注入功率)与d的关系、外施电压为13kV时放电功率P与d的关系。当d≤20mm时放电不稳定,所以图6中只给出d≥20mm时放电功率以考虑电极间距的优化,电极间距大则放电稳定。同时由图5、6可知,电极间距窄则放电功率密度大。注入的放电能量除了同电极间距相关,还同外施电压相关。图6给出各电极间距下最大可注入功率和最大可注入功率密度,并在d约为32mm时达到极值,所以选择该间距为优化的电极间距。3不同放电功率对电导放的影响多针电极双极电晕放电的放电稳定性和放电功率密度在电极结构上受3个参数a、s、d影响。实验结果表明:a对放电稳定性的影响较小,随a减小放电稳定性略有减弱;但a对放电功率密度影响较大,当a在0.1～1mm内变化,放电功率密度随着a减小显著提高,当减至0.1mm以下,放电功率密度的增幅很小,兼顾放电稳定性,实验选取a为0.1mm。当s较小时,针侧面产生的电场相互抵消而明显减弱,影响电子雪崩的发展,宏观上表现为单针放电功率的降低。但s较小时针密度较大,使放电功率密度有增大趋势;s较大时针密度减小,单针放电功率较大但放电功率密度减小。由以上分析结合实验得到优化的s为16mm。相对于多针对板电晕放电来说,本文研究的多针电极双极电晕放电的双极放电结构具有其特殊性:在两个电极间会有正负两种电晕模式,在高压针电极上发生正电晕,电子雪崩从电极间隙中某一点开始,由于电子运动较快,电子集中在雪崩的球状头部,正离子滞后于电子而在雪崩头的后部,当电子被阳极吸收后在间隙中留下了正离子并且它们的最大浓度在紧贴阳极附近;在另一针电极上发生负电晕,电子雪崩由阴极向阳极发展,雪崩产生的电子向阳极运动,电场衰减很快,电子速度减慢,被空气中氧分子吸附的几率大大增加,从而导致负离子的形成,使得正负电晕放电间产生预电离。因此多针双极电极结构比多针对板放电结构具有更大的注入能量密度,且放电电流倍增于多针对板电晕放电。显然,当d增大时这种预电离作用减弱,宏观上表现为放电电流和单针放电功率的减小,故d不宜过大;当d较小时,火花击穿电压低,放电容易过渡到火花放电,放电不稳定,限制了最大可注入功率密度的提高,因而