陳 昀 畢海巖

(國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司 天津 300250)

介質(zhì)阻擋放電中氣隙擊穿電壓計(jì)算研究

陳 昀 畢海巖

(國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司 天津 300250)

介質(zhì)阻擋放電是產(chǎn)生低溫等離子體的一種典型裝置，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用．其氣隙上的電壓是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接決定了氣隙的場強(qiáng)．但在實(shí)驗(yàn)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(jì)算得到，因此分析了穩(wěn)態(tài)擊穿時(shí)刻的氣隙電壓的計(jì)算方法和首次擊穿時(shí)刻的氣隙電壓的計(jì)算方法，為氣體放電研究者提供一定的參考．

介質(zhì)阻擋放電 氣隙擊穿電壓 計(jì)算

1 引言

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

圖1是介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)裝置的典型原理圖，它主要包括交變電源、電氣診斷系統(tǒng)和放電室．放電室內(nèi)為兩個(gè)平行平板電極，其表面覆蓋著石英等介質(zhì)材料，本試驗(yàn)中所用介質(zhì)材料的厚度為1 mm，相對介電常數(shù)為3.9．放電室中充滿了實(shí)驗(yàn)氣體，本文中所用氣體為氖氣，其相對介電常數(shù)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(hào)均利用示波器記錄．

圖1 介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)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(zhì)阻擋均勻放電的穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(gè)半周期內(nèi)，氣隙沒有擊穿，電流為位移電流．在外加電壓的第3個(gè)半周期內(nèi)，大約在t=-12 μs時(shí)刻，電流波形上出現(xiàn)了第一個(gè)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(gè)周期內(nèi)都出現(xiàn)了一個(gè)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(dá)到9 mA左右穩(wěn)定下來，表明氣隙進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)擊穿階段．而圖2所示的穩(wěn)態(tài)擊穿階段的外加電壓和電流波形圖是在首次擊穿發(fā)生15個(gè)電壓周期之后記錄下來的．

圖2 氣隙穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(shí)驗(yàn)測量和電路計(jì)算相結(jié)合的方法間接得到Ug，得到氣隙電壓后就可以計(jì)算擊穿場強(qiáng)等物理量．因此，如何得到氣隙電壓是介質(zhì)阻擋放電中首先要解決的問題．

2.1 穩(wěn)態(tài)擊穿電壓的確定

圖4是介質(zhì)阻擋放電的等效電路，其中Cm和Cg分別是阻擋介質(zhì)等效電容和氣隙等效電容，它們的數(shù)值可以通過平板電容公式計(jì)算得到．Rg是氣隙的等效電阻，它是一個(gè)可變電阻，氣隙擊穿前，Rg趨于無窮大；氣隙擊穿時(shí)，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(zhì)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(shù)，它表示t0之前的放電在介質(zhì)表面積累電荷的影響．在計(jì)算中要取恰當(dāng)?shù)腢m(t0)值，使得Um(t)在一個(gè)外加電壓周期內(nèi)的平均值為零，即介質(zhì)沒有自極化．

由于Ua(t)和i(t)是實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)測量得到的，將它們代入式(1)和(2)，可以數(shù)值計(jì)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(jì)算得到的氣隙電壓波形(黑色粗實(shí)線)．穩(wěn)態(tài)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(shí)對應(yīng)的電壓即為Ub．顯然，Ub約為800 V．

圖 5 氣隙穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)擊穿電壓有所不同，由于首次擊穿之前氣隙中無放電，根據(jù)圖3，首次擊穿之前，氣隙等效電容Cg和阻擋介質(zhì)等效電容Cm呈串聯(lián)關(guān)系，它們對外加電壓Ua(t)分壓．由于首次擊穿發(fā)生在Ua(t)的峰值Uam附近，首次擊穿電壓Ub0可用下式計(jì)算

(4)

3 結(jié)論

首次擊穿電壓和穩(wěn)態(tài)擊穿電壓的計(jì)算方式是不同的，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中要特別注意．另外首次擊穿和 穩(wěn)態(tài)擊穿相比，首次擊穿電壓要明顯高于穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(dāng)外加電壓頻率較高時(shí)，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(shù)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(wěn)態(tài)擊穿電壓Ub將低于首次擊穿電壓Ub0．參 考 文 獻(xiàn)

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

2 王新新.介質(zhì)阻擋放電及其應(yīng)用.高電壓技術(shù),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)