空气中多针-平板电极介质阻塞放电特性研究

空气中多针-平板电极介质阻塞放电特性研究

1平板-平板dbd放电特性介质阻抗放电（dap）也称为噪波放电，是一种将气体放电空间置于固体绝缘体的介质。该放电在常压下就能产生大量具有较高电子能量的化学反应所需的活性粒子,十分适合于对材料进行表面改性。近年来用DBD对材料表面进行改性受到了国内外学者的广泛关注,并已在工业生产上获得了初步的应用[3～6]。目前国内外的研究中大多采用的是平板-平板电极结构或同轴线筒结构的DBD。这种形式DBD的放电空间出现大量的时间上和空间上随机分布的高强度的放电电流细丝,在进行材料表面改性时,控制不当容易使材料灼伤或穿孔,而且不适合对一些特殊形状材料进行表面处理。为克服平板-平板电极DBD的缺点,本文设计了一种多针-平板电极结构的DBD,它既具有传统DBD的特性,又具有针-板电极电晕放电的特性。本文测量了这种放电的放电特性,并与传统的平板-平板DBD的放电特性进行了比较。通过实验研究了放电间隙距离、多针电极针的密度、阻挡介质材料性质等因素对多针-平板电极DBD放电功率的影响,以便在实际应用中为优化反应器设计和提高放电效率提供参考。2设备和测量方法的实验2.1平板电极结构试验本文采用的实验装置及其电气接线如图1所示。电极布置分别采用多针-平板结构和平板-平板结构。多针电极面积为20mm×20mm,8×8个不锈钢针均匀地分布其上,针与针之间的距离为2.5mm,针尖直径约为0.05mm。下电极面积为20mm×20mm的黄铜平板电极,介质覆盖在下电极表面,气隙距离在1～30mm范围内可调。当使用平板-平板电极结构时,上电极换为同下电极面积相同的平板电极。电源由50Hz工频变压器产生,其最大输出电压为50kV,试验中采用的记录仪器是TDS3052示波器。试验是在实验室敞开的空气环境下进行的,试验时的温度为室温(18℃),气压为95kPa。2.2放电电流的测量介质阻挡放电装置实际上是由放电电极、电介质层、放电间隙构成的有损耗电容器,在低频下可以等效为阻容性负载,图2为介质阻挡放电装置的等效电路图,其中为介质的等效电容,为气隙的等效电容。放电电压的波形由分压器测得,其高压臂电阻R1为60MΨ,低压臂电阻R2为200kΨ,分压比为300。放电电流由一个串接在放电回路中的r为100Ψ的无感电阻测得,由于选取电阻的阻值较小,不会对放电产生影响。电压波形由示波器的CH1通道输入,电流或电荷波形由CH2通道输入。本文采用电压—电荷李萨育图形法测量放电功率,该方法的测量原理为:在放电反应器的接地侧串进测量电容Cm,Cm两端的的电压为Vm,若放电输送的电荷为Q,则流过回路的电流为I=dQ/dt=d(CmVm)/dt=CmdVm/dt,所以放电功率P为:如果把分压器测得的电压V和Cm两端的电压Vm分别加到示波器的CH1和CH2通道,则可以得到一条闭合曲线;由于Vm正比于电荷Q,所以该图形通常称作电压—电荷李萨育图形,其形状近似为平行四边形。闭合曲线内所围的面积A同放电功率成正比,这样可求得放电功率。实验时注意测量电容Cm的选取,要以不影响放电反应器工作和方便测量Cm的电压为原则,本文选取的Cm的值为2nF。3比较负载性能3.1放电电流脉冲的特性图3给出了多针-平板DBD的电压电流波形和电压-电荷李萨育图形。试验条件为:气隙距离3mm,玻璃介质(厚度3mm),电源电压10kV。由图3a可以看出,多针-平板DBD的电流波形在电压的正负半周表现出不对称性。放电电流脉冲在电压的正半周期的幅值较大,但比较稀疏。而在电压的负半周期放电电流脉冲的幅值长短不一,且幅值均低于正半周期,其特征表现为DBD和电晕放电相叠加的效果,其中相对短小而密集的脉冲为电晕放电电流产生的脉冲,而幅值相对较大的脉冲则为DBD放电电流产生的脉冲。这种特征主要是因为针板电极放电为非均匀电场放电,故在电压的正负半周期电流表现为不同的形式,由于介质引入放电空间使这种放电又具有DBD放电的特征。因此这种形式的放电既有传统的DBD的特点,又具有针-板电极电晕放电的特点。3.2多针-平板电极放电结果图4给出了在与图3相同的实验条件下测得的平板-平板DBD的电压电流波形和电压-电荷李萨育图形。比较图4a和图3a可以明显地看出,在相同的放电条件下多针-平板电极DBD比平板-平板电极DBD强烈的多。利用图3b和图4b中的李萨育图形,由公式(1)可求得多针-平板电极DBD的放电功率为21.6mW,而平板-平板电极DBD的放电功率为18.68mW。由此可以看出,在相同条件下多针-平板电极DBD的放电功率要大于平板-平板电极DBD的放电功率。在相同的实验条件下(玻璃介质,气隙距离为3mm)分别采用多针-平板电极和平板电极进行放电实验。试验测得,多针-平板电极DBD的起始放电电压只有3.5kV,平板-平板电极DBD的起始放电电压高达7.5kV。当外加电压均为10kV时,多针-平板电极放电比较稳定、均匀,在暗室中可以观察到放电空间内每个针尖下均为一稳定的圆锥形粒子束,如图5a拍摄的放电照片所示。而采用平板-平板电极DBD时,在暗室中可以看到放电空间内是随机出现的一些明亮的、跳动的细丝,如图5b所示。4影响多针断裂带的因素研究4.1不同气隙距离时放电功率的变化采用2mm厚的聚四氟乙烯作为阻挡介质,在不同的气隙距离下测量多针-平板DBD放电功率。图6给出不同外加电压下,放电功率随气隙距离变化的关系曲线。从图中可以看出,当气隙距离相同时,放电功率随着外加电压的升高而增大。同一气隙距离下,外加电压为15kV时放电功率最大,外加电压为12.5kV时次之,外加电压为8kV时放电功率最小。外加电压固定,放电功率则随气隙距离的增加而减小。这是因为在外加电压一定时,随着气隙距离的增大,气隙中的场强减小,同时放电的起始电压也将提高,因此气隙中的放电减弱,测量到的放电功率降低。4.2加压机功率随加压电压的关系在气隙距离保持为1cm时,采用2mm厚的聚四氟乙烯作为阻挡介质,分别用16针电极(4个/cm2)和64针电极(16个/cm2)进行实验。图7给出了这两种针密度下的放电功率随外加电压变化的关系曲线。由图可以看出两条曲线十分接近,这说明针的密度对放电功率的影响不大,因此在材料进行表面处理时可以采用较大密度的针电极使材料表面处理更加均匀。从图中还可以看到,相同电压下16针电极比64针电极放电功率要稍大一些;这是因为16针电极针的密度比64针电极针的密度要小,导致16针电极比64针电极的放电空间内的电场更加不均匀,更易产生电晕放电,消耗一定的能量,所以放电功率要大一些。4.3加电压对放电功率的影响保持气隙距离为3mm不变,选用不同的材料作为阻挡介质,材料的选择见表1所示。图8是三种不同介质作为阻挡层时,测量得到的放电功率随外加电压变化的关系曲线。从图中可以看出,当外加电压较低时三种材料的放电功率比较接近,这是因为当电压较低时放电空间主要以电晕放电为主,放电还未完全贯穿整个气隙空间,因此材料的性质影响不大。在较高的外加电压下,三种材料的放电功率差别较大。在相同电压下介电常数最大的玻璃作为阻挡介质时消耗的放电功率最大,环氧介质次之,聚四氟乙烯最小。这是因为介质等效电容Cd是一个与介质的介电常数εr有关的量,即Cd∝εr/ld。当保持介质厚度ld和气隙距离固定时,随着εr的增大Cd也将增大,而气隙等效电容Cg不变,故Cg两端的电压升高,即气隙中场强变大,放电剧烈,消耗的放电功率增加。5表面改性电导率低、放电功率(1)多针-平板电极DBD既具有传统介质阻挡放电的特性,又具有针—板电极电晕放电的特性。与平板-平板电极DBD相比在相同条件下具有起始电压低、放电功率大的特点;用在材料表面改性