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基于Lissajous图形的同轴结构电极介质阻挡放电特性研究

同轴结构电极的放电过程比较复杂,因此需要通过研究其放电过程中的各个参数来表征其放电特性,从而得到其放电机理。通过实验研究和结果分析,从电荷量的传输、放电功率以及气隙电压变化等几个方面分析了同轴结构电极的介质阻挡放电的放电特性,得到在大气压敞开环境下,同轴结构电极的介质阻挡放电的放电功率和放电电荷均有所不同,放电功率从数瓦到十几瓦,介质电容为数百皮法和气隙电容为数十皮法,均随电压的增大而增大;在放电过程中,管管结构电极的介质电容和气隙电容的值均大于线管结构。

介质阻挡放电能够在很广的气压范围内及很宽的频率范围内发生,目前已经广泛地应用于工业方面。介质阻挡放电发生装置的结构多种多样,近年来,研究者们对介质阻挡放电进行了大量的研究和实验,包括电极结构、放电气体、放电电源频率、电介质种类等[1-4]。

中国科学院的学者们研究了大气压下空气中的同轴介质阻挡放电的微放电特性,发现大气压下放电间隙为8mm时,放电电流波形在外加电源电压的正、负半周期内并不对称,而且在分布上呈现出明显的“似辉光放电”和“丝状放电”,单个微放电电流脉冲宽度约为50ns,并且与外加电源电压极性以及频率无关[5]。

南京工业大学的研究者们研究了微秒振荡脉冲电源激励下的同轴电极介质阻挡放电的放电特性,发现在微秒脉冲电源激励下介质阻挡放电平均放电功率可以达数百瓦,传输的电荷量可达数千库伦[6]。

笔者前期对线筒结构电极在放电过程中的电压电流大小做了仿真研究[7],而对于大气压下同轴介质阻挡放电的内电极直径、气隙间距以及外加电源大小对介质电容和气隙电容的影响没有过多的研究,故笔者在此方面做了深入地研究。

1  实验装置

图1(a)和图1(b)为介质阻挡放电同轴结构电极中的管管结构电极和线管结构电极的两种典型的放电电极结构。把管管结构电极称为实验装置1,而线管结构电极称为实验装置2。两种实验装置都采用了相同型号的玻璃管作为阻挡介质,玻璃管的外径均为35mm,内径均为32mm。玻璃管外均包过一层厚度为0.5mm长13mm的铁皮作为接地电极。

实验装置1是在玻璃管的中心位置固定一根直径为26mm的不锈钢空心管作为高压电极,而实验装置2则是在玻璃管的中心位置固定一根直径为0.5mm的细铁丝作为高压电极。两种放电装置的高、低电极的有效长度均为400mm。
基于Lissajous图形的同轴结构电极介质阻挡放电特性研究
图1  同轴放电电极的两种结构

该实验的实验装置及电气连接图如图2所示。电源是由变压器来提供的,变压器为工频50Hz,最大的输出电压为50kV。放电电压波形通过R1和R2构成的分压器侧得,放电电流由串接在放电回路中的无感电阻R测得,放电电荷通过电容C0测的。实验使用的记录仪为UTD-2052CL双踪数字示波器,以及TEK P6015A(1000∶1)高压探头,实验在开放的空气环境下进行。

放电电极与地之间串入50的电阻R来测的放电电流信号,附加的0.22F的电容C0用来测量放电电荷量的大小,放电形成的V-Q Lissajous图形是由外加电压及电荷信号分别输入UTD-2052示波器的X-Y轴上而得到的。
基于Lissajous图形的同轴结构电极介质阻挡放电特性研究
图2  实验装置及电气连接图

2  实验结果与分析(略)

结论
通过研究同轴结构电极在大气压下的介质阻挡放电的放电过程、放电参数以及Lissajous图形,对放电现象和实验数据进行了分析,得到如下结论:

1)两种同轴结构电极在放电过程中气隙电压基本不变,但管管结构电极的传输电荷明显大于线管结构电极,并且放电功率也高于线管结构电极的放电功率,这说明管管结构电极的放电能产生更多的带电粒子。这种现象跟内电极的尺寸大小有明显的关系,管管结构电极的内电极直径较大,在放电过程中,放电空间近似于一个均匀的电场,而线管结构的内电极直径太小,放电空间较大,不能看做一个均匀的电场。

2)两种同轴结构电极在放电过程中,通过对各自介质电容和气隙电容的计算分析发现,二者的介质电容和气隙电容均随着外加电压的增大而增大,说明介质电容和气隙电容是可以变化的,随着外加电压的变化而变化;同一电压下,介质电容和气隙电容随内电极的尺寸增大而增大。
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