多針電極雙極電暈放電參數(shù)優(yōu)化

多針電極雙極電暈放電參數(shù)優(yōu)化

0多針電極雙極電暈放電根據(jù)電極結(jié)構(gòu)，電頭暈放電分為直管式、直管式和針式。廣泛應(yīng)用于我國(guó)。上世紀(jì)初,湯生給出線筒式電暈放電伏安特性近似解,其他學(xué)者發(fā)現(xiàn)針對(duì)板負(fù)電暈放電具有類似的經(jīng)驗(yàn)公式。本實(shí)驗(yàn)室研究了多針對(duì)板電暈放電伏安特性關(guān)系,在不影響放電穩(wěn)定性,放電能量密度較高時(shí),優(yōu)化確定了多針對(duì)板電暈放電的電極間距。在此基礎(chǔ)上,提出了多針電極雙極電暈放電,伏安特性研究中確認(rèn)這種放電方式可以提高放電能量密度和放電穩(wěn)定性。多針電極的針尖間距分為橫向針尖間距和縱向針尖間距,本文只考察在一條直線上單排針的針尖間距對(duì)放電功率密度的影響。放電功率密度指兩種含義:放電功率(測(cè)得外施電壓與放電電流的乘積)P與針數(shù)n和相鄰針尖間距s乘積之比即P/ns;放電功率與電極間距d之比即P/d。因雙極電暈放電電極結(jié)構(gòu)對(duì)稱,高壓端為正或負(fù)的雙極電暈放電的伏安曲線較為接近,包括火花擊穿電壓也較為接近。本文只考慮高壓端為正高壓的直流電暈放電,改變s和d,分析放電功率密度的變化,從而得出提高它的有效方法和結(jié)果,進(jìn)而確定多針電極雙極電暈放電的優(yōu)化電極間距。1放電電流檢測(cè)電路實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件同文中的相似,區(qū)別于前期工作,本文研究的電極結(jié)構(gòu)為多針對(duì)多針,即高壓端和地端均為等間距分布在一直線上的10根針,放電反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。正直流高壓電源的電壓從0～60kV連續(xù)可調(diào);s≥5mm可調(diào);d≥5mm可調(diào);分辨率為10μA誤差為0.8%的微安表用于檢測(cè)放電電流;TekP6015A型分壓器和HP54503型示波器檢測(cè)外施電壓。典型的多針電極雙極電暈放電伏安曲線見(jiàn)圖2,其s為15mm,針尖半徑a為0.1mm,d從左向右依次為25、30和35mm。每條曲線右端為接近火花放電處的電壓和電流值,同一般的電暈放電相似,在外施電壓均勻上升的條件下(每次1kV),放電電流上升幅度逐漸增大,上升曲線光滑,可見(jiàn)該放電方式能在一定的電壓范圍內(nèi)保持正常的電暈放電。在相同的外施電壓下,隨著d的增大,放電電流明顯減小,并且擊穿電壓有相應(yīng)的提高。相對(duì)于線板式或線筒式直流電暈放電,多針電極雙極電暈放電在相同反應(yīng)器體積內(nèi)能注入更大的放電能量。2結(jié)果2.1針尖間距的影響保持放電電極間距d不變,逐漸增大針尖間距,測(cè)得放電電流值,計(jì)算得到不同外施電壓下單針?lè)烹姽β蔖/n與相鄰針尖間距s的關(guān)系見(jiàn)圖3。從上到下各曲線的外施電壓Uout分別為20、18和16kV,d均為30mm,s從8mm起以公差2mm等差增加到30mm后又取了40mm。d<8mm且變化時(shí),由于相鄰針尖間距太近放電不穩(wěn)定,故不予考慮?？紤]放電穩(wěn)定,s必須大于一定值,當(dāng)d=30mm時(shí),s至少>8mm。隨著針尖間距增大單針對(duì)應(yīng)的P/n隨之增大,但針尖間距增大到一定程度時(shí)P/n增大趨緩。當(dāng)針尖間距接近30mm時(shí),單針?lè)烹姷腜/n增幅已經(jīng)較小,考慮單針?lè)烹姽β蚀笮?多針電極雙極電暈放電的優(yōu)化針尖間距一定<30mm?？紤]放電穩(wěn)定和單針功率大小,確定得優(yōu)化的s范圍在8～30mm之間。在圖3的基礎(chǔ)上,將每一點(diǎn)P/n均除以針尖間距s,得到圖4所示的放電功率密度P/sn與s的關(guān)系。當(dāng)s接近8mm時(shí),放電功率密度較大,外施電壓較高時(shí)尤為明顯,但易發(fā)生火花放電。當(dāng)s較大時(shí),總體上P/sn隨s的增大而減小。當(dāng)s在12～22mm之間時(shí)在相同外施電壓下P/sn變化不大,并且以s為16mm時(shí)P/sn最大。在考慮放電穩(wěn)定和單針功率大小的基礎(chǔ)上,再考慮放電功率密度大小,當(dāng)d=30mm時(shí),確定優(yōu)化的s為16mm。2.2d20mm時(shí)放電功率的變化保持s不變,改變d,測(cè)得放電電流值,計(jì)算得到不同外施電壓下單針?lè)烹姽β蔖/n與d之間的關(guān)系見(jiàn)圖5。相鄰針尖間距s均為15mm,從上到下各曲線的外施電壓分別為20、18和16kV。在相同的外施電壓下,隨d增加P/n明顯減小;在相同的d下,單針?lè)烹姽β孰S著外加電壓的增加而增大。圖6給出各放電功率和放電功率密度與d之間的關(guān)系,從上到下依次的曲線分別為:針尖間距s為15mm,接近火花擊穿時(shí),測(cè)得的外施電壓和放電電流,計(jì)算得到最大可注入功率Pmax與d的關(guān)系、最大放電功率密度Pmax/d(即單位電極間距下最大可注入功率)與d的關(guān)系、外施電壓為13kV時(shí)放電功率P與d的關(guān)系。當(dāng)d≤20mm時(shí)放電不穩(wěn)定,所以圖6中只給出d≥20mm時(shí)放電功率以考慮電極間距的優(yōu)化,電極間距大則放電穩(wěn)定。同時(shí)由圖5、6可知,電極間距窄則放電功率密度大。注入的放電能量除了同電極間距相關(guān),還同外施電壓相關(guān)。圖6給出各電極間距下最大可注入功率和最大可注入功率密度,并在d約為32mm時(shí)達(dá)到極值,所以選擇該間距為優(yōu)化的電極間距。3不同放電功率對(duì)電導(dǎo)放的影響多針電極雙極電暈放電的放電穩(wěn)定性和放電功率密度在電極結(jié)構(gòu)上受3個(gè)參數(shù)a、s、d影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:a對(duì)放電穩(wěn)定性的影響較小,隨a減小放電穩(wěn)定性略有減弱;但a對(duì)放電功率密度影響較大,當(dāng)a在0.1～1mm內(nèi)變化,放電功率密度隨著a減小顯著提高,當(dāng)減至0.1mm以下,放電功率密度的增幅很小,兼顧放電穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)選取a為0.1mm。當(dāng)s較小時(shí),針側(cè)面產(chǎn)生的電場(chǎng)相互抵消而明顯減弱,影響電子雪崩的發(fā)展,宏觀上表現(xiàn)為單針?lè)烹姽β实慕档?。但s較小時(shí)針密度較大,使放電功率密度有增大趨勢(shì);s較大時(shí)針密度減小,單針?lè)烹姽β瘦^大但放電功率密度減小。由以上分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到優(yōu)化的s為16mm。相對(duì)于多針對(duì)板電暈放電來(lái)說(shuō),本文研究的多針電極雙極電暈放電的雙極放電結(jié)構(gòu)具有其特殊性:在兩個(gè)電極間會(huì)有正負(fù)兩種電暈?zāi)Ｊ?在高壓針電極上發(fā)生正電暈,電子雪崩從電極間隙中某一點(diǎn)開(kāi)始,由于電子運(yùn)動(dòng)較快,電子集中在雪崩的球狀頭部,正離子滯后于電子而在雪崩頭的后部,當(dāng)電子被陽(yáng)極吸收后在間隙中留下了正離子并且它們的最大濃度在緊貼陽(yáng)極附近;在另一針電極上發(fā)生負(fù)電暈,電子雪崩由陰極向陽(yáng)極發(fā)展,雪崩產(chǎn)生的電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng),電場(chǎng)衰減很快,電子速度減慢,被空氣中氧分子吸附的幾率大大增加,從而導(dǎo)致負(fù)離子的形成,使得正負(fù)電暈放電間產(chǎn)生預(yù)電離。因此多針雙極電極結(jié)構(gòu)比多針對(duì)板放電結(jié)構(gòu)具有更大的注入能量密度,且放電電流倍增于多針對(duì)板電暈放電。顯然,當(dāng)d增大時(shí)這種預(yù)電離作用減弱,宏觀上表現(xiàn)為放電電流和單針?lè)烹姽β实臏p小,故d不宜過(guò)大;當(dāng)d較小時(shí),火花擊穿電壓低,放電容易過(guò)渡到火花放電,放電不穩(wěn)定,限制了最大可注入功率密度的提高,因而