結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)介質(zhì)阻擋放電擊穿電壓的影響

孫保民，汪濤，肖海平，曾菊瑛

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)介質(zhì)阻擋放電擊穿電壓的影響

孫保民，汪濤，肖海平，曾菊瑛

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

為了研究介質(zhì)阻擋放電(DBD)下反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)氣體擊穿時(shí)反應(yīng)器兩端所需外加電壓的影響，進(jìn)行模擬煙氣(N2/NO)在DBD下放電的實(shí)驗(yàn)，改變氣體間隙、介質(zhì)材料、電極接入方式、內(nèi)電極材料等參數(shù)，分別比較擊穿電壓的變化。對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下氣體間隙的電場(chǎng)分布進(jìn)行模擬計(jì)算，通過分析電場(chǎng)對(duì)擊穿電壓的影響，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。結(jié)果表明：增大內(nèi)電極直徑，減小氣體間隙可以降低擊穿電壓；增大阻擋介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)降低擊穿電壓有利；與內(nèi)電極作陽(yáng)極相比，內(nèi)電極作陰極時(shí)擊穿電壓較低；內(nèi)電極材料的二次電子發(fā)射系數(shù)越大，擊穿電壓越小。

介質(zhì)阻擋放電；數(shù)值模擬；反應(yīng)器結(jié)構(gòu)；擊穿電壓

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛數(shù)量大增，火電機(jī)組也增多，機(jī)動(dòng)車和電廠排放的尾氣中含有大量的氮氧化物(NO)，嚴(yán)重危害人類的健康。氮氧化物的脫除是目前控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電廠有害物排放的重點(diǎn)和難點(diǎn)。低溫等離子體技術(shù)作為脫除NO的新方法，具有效率高、能耗低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。介質(zhì)阻擋放電(DBD)是一種典型的低溫等離子體放電，由兩個(gè)金屬電極和至少一個(gè)絕緣介質(zhì)組成。不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)下表現(xiàn)出的放電特性大不相同，周博等[2]認(rèn)為同軸圓柱型DBD的放電起始電壓隨中心電極半徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。Wang等[3]探討了不同內(nèi)電極結(jié)構(gòu)對(duì)介質(zhì)阻擋放電脫除NO的影響。Ghaleb等[4]分別運(yùn)用二維流體模型和數(shù)學(xué)分析方法比較了氙氣和氖氣氣氛中氣體擊穿電壓與Pd值的變化關(guān)系，得知增大氣體二次電子發(fā)射系數(shù)有利于降低氣體的擊穿電壓。趙衛(wèi)東等[5]推導(dǎo)了DBD放電的功率計(jì)算公式，并對(duì)同軸圓柱結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的電場(chǎng)分布進(jìn)行了分析。Takaki等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，多針-平板型介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的電場(chǎng)非常不均勻，有利于降低放電起始電壓。當(dāng)外加電壓幅值和頻率不變時(shí)，降低氣體擊穿電壓可以延長(zhǎng)一個(gè)周期內(nèi)氣體放電持續(xù)時(shí)間，增大放電功率，使放電空間內(nèi)產(chǎn)生更多的活性粒子。戴玲等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同氣體、氣壓、電源頻率及氣體流速對(duì)介質(zhì)阻擋放電的擊穿電壓的影響，結(jié)果表明氣壓越低氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)越低，電源頻率對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)影響不大，流速對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響程度跟氣體種類有關(guān)。所以，研究和比較不同反應(yīng)器結(jié)構(gòu)下?lián)舸╇妷旱淖兓瑢?duì)優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、降低脫硝能耗有著非常重要的意義。本文通過實(shí)驗(yàn)得到不同氣體間隙、阻擋介質(zhì)材料、電極接入方式和內(nèi)電極材料的情況下?lián)舸╇妷旱淖兓⒗枚S場(chǎng)域的有限元方法，結(jié)合多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件，對(duì)靜電場(chǎng)分布的拉普拉斯方程進(jìn)行數(shù)值求解，模擬計(jì)算了實(shí)驗(yàn)條件下氣體間隙的電場(chǎng)分布。通過分析電場(chǎng)與擊穿電壓的關(guān)系，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，為后續(xù)相關(guān)研究提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)氣體通過減壓閥減壓，流經(jīng)質(zhì)量流量控制器(MFC)，混合后進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)后的氣體由堿液吸收。反應(yīng)器出口的氣體成分由煙氣分析儀在線監(jiān)測(cè)，數(shù)字示波器主要用于采集放電時(shí)的李薩如圖形。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)中將高純氮?dú)?99.999%)與一氧化氮(10%)混合制備成NO，體積分?jǐn)?shù)為500×10－6，平衡氣體為N2的實(shí)驗(yàn)氣體，總氣體流量為10 L/min。

反應(yīng)器介質(zhì)管長(zhǎng)530 mm，內(nèi)徑24 mm，厚2 mm，材質(zhì)分別為石英(=3.7)、陶瓷(=6)、剛玉(=9.8)。介質(zhì)管外表面包覆一層長(zhǎng)450 mm的紫銅網(wǎng)作為外電極，內(nèi)電極是直徑分別為8、10、12 mm的圓棒，內(nèi)電極材料分別為鎢、銅和不銹鋼。

主機(jī)電源為反應(yīng)器直接供電電源，輸出的正弦電壓在0～30 kV范圍內(nèi)可調(diào)，實(shí)驗(yàn)頻率為10 kHz。反應(yīng)器內(nèi)放電功率均由李薩如圖形面積計(jì)算得到，所有的測(cè)量波形均由數(shù)字示波器Rigol DS1202CA(實(shí)時(shí)采樣率2 GSa/s，寬帶200 MHz)采集，并用Testo 350-Pro煙氣分析儀對(duì)反應(yīng)器出口的煙氣成分進(jìn)行測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣體間隙對(duì)擊穿電壓的影響

圖2所示為反應(yīng)器等效電路，Cd和Cg分別表示介質(zhì)和氣體的等效電容。氣體被擊穿前，電路中無電流通過，反應(yīng)器可等效為Cd和Cg串聯(lián)，如圖2(a)；當(dāng)電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，氣體被擊穿而導(dǎo)通，反應(yīng)器可等效為Cg與齊納二極管并聯(lián)后與Cd串聯(lián)接入電路，如圖2(b)。

圖2 介質(zhì)阻擋放電等效電路

因?yàn)椋?/p>

將式(2)、(3)代入式(5)可得：

將式(1)、(6)代入式(4)得到：

從式(7)可以看出，當(dāng)介質(zhì)管內(nèi)外半徑不變時(shí)，通過增大內(nèi)電極半徑可減小氣體間隙，擊穿電壓也隨之減??；減小可增大，隨之增大。

實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為24 mm的石英管(厚度2 mm)作阻擋介質(zhì)，外電極作為高壓電極，內(nèi)電極是直徑分別為8、10、12 mm的銅棒，通過改變內(nèi)電極直徑來改變氣隙大小。測(cè)得不同氣隙大小條件下?lián)舸╇妷喝绫?所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，通過增大內(nèi)電極直徑減小氣體間隙，可降低擊穿電壓，同理論分析結(jié)果相吻合。

表1 實(shí)驗(yàn)所用內(nèi)電極

2.2 介質(zhì)材料對(duì)擊穿電壓的影響

利用二維場(chǎng)域的有限元方法，結(jié)合多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件，可對(duì)靜電場(chǎng)分布的拉普拉斯方程進(jìn)行數(shù)值求解，完成三種介質(zhì)管條件下氣隙間靜電場(chǎng)分布的模擬計(jì)算。計(jì)算模型如圖3所示，外加電壓幅值30 kV，電源頻率10 kHz，內(nèi)電極直徑為10 mm，介質(zhì)管內(nèi)徑24 mm，厚2 mm，外電極接高電壓，模擬分別以石英、陶瓷、剛玉三種材料作阻擋介質(zhì)時(shí)氣體間隙的電場(chǎng)分布。為了簡(jiǎn)化模型，作以下假設(shè)[9]：

(1)線電極上的電勢(shì)等于外加電壓；

(2)內(nèi)電極為圓柱體，表面光滑且干凈；

(3)只考慮二維場(chǎng)的分布。

計(jì)算場(chǎng)域具有對(duì)稱性，本文僅研究如圖3所示的ABCDEF區(qū)域的靜電場(chǎng)分布，AB、EF為氣體間隙大小，BC、DE為介質(zhì)層厚度。計(jì)算模型的邊界條件如下[10]：

(1)在內(nèi)電極上，即AF處滿足第一類邊界條件，=30 kV；

(2)CD上滿足第一類邊界條件，=0；

圖3 模擬計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

計(jì)算出三種介質(zhì)材料下氣隙中靜電場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 不同介質(zhì)材料下氣隙靜電場(chǎng)分布

根據(jù)帕邢定律知擊穿電壓的表達(dá)如下[11]：

A、B是與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)氣體壓強(qiáng)p和電極間距離不變，擊穿電壓僅與湯生第三電離系數(shù)r有關(guān)，γ系數(shù)表示平均每個(gè)正離子打到陰極上所引起的次級(jí)電子發(fā)射數(shù)。

在與以上模擬相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得三種介質(zhì)管下的擊穿電壓比較如表2所示。結(jié)果顯示，阻擋介質(zhì)介電常數(shù)越大，擊穿電壓越小，與理論分析趨勢(shì)一致。

表2 不同介質(zhì)材料下?lián)舸╇妷?/p>

2.3 電極接入方式對(duì)擊穿電壓的影響

實(shí)驗(yàn)條件：石英管介質(zhì)管內(nèi)徑24 mm、厚2 mm，內(nèi)電極為直徑分別為8、10和12 mm的銅棒。分別將內(nèi)電極和外電極作高壓電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同條件下?lián)舸╇妷喝绫?所示。從表3中可以看出，三種實(shí)驗(yàn)條件下當(dāng)以外電極作高壓電極時(shí)擊穿電壓均比內(nèi)電極作高電壓極時(shí)擊穿電壓小。

表3 不同電極接入方式下?lián)舸╇妷?/p>

在以石英管(直徑24 mm，厚2 mm)為介質(zhì)，內(nèi)電極直徑10 mm條件下對(duì)氣隙中靜電場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖5。從圖5中可以看出，同軸圓柱形DBD反應(yīng)器電極間的電場(chǎng)分布非常不均勻，沿著半徑方向，氣體場(chǎng)強(qiáng)逐漸減小，靠近內(nèi)電極附近處場(chǎng)強(qiáng)最大(約6 500 V/mm)，靠近阻擋介質(zhì)內(nèi)壁處場(chǎng)強(qiáng)最小(約2 700 V/mm)。所以，當(dāng)內(nèi)電極作高電壓電極時(shí)，陰極附近電場(chǎng)強(qiáng)度很小，當(dāng)外電極作高電壓極時(shí)，陰極附近電場(chǎng)強(qiáng)度較大。

圖5 沿半徑方向氣隙中電場(chǎng)分布

氣體間隙中電場(chǎng)分布決定了湯生α系數(shù)和γ系數(shù)的數(shù)值和分布，限制氣體中電子和離子的運(yùn)動(dòng)軌跡及電子雪崩過程。從前文分析已知，當(dāng)氣體壓強(qiáng)不變，γ值隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。當(dāng)內(nèi)電極作陰極時(shí)，陰極附近電場(chǎng)比較強(qiáng)，可得到較大的γ值，從而降低擊穿電壓。

2.4 內(nèi)電極材料對(duì)擊穿電壓的影響

為了研究?jī)?nèi)電極材料對(duì)DBD的擊穿電壓的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用內(nèi)徑24 mm的石英管為介質(zhì)層，內(nèi)電極直徑為10 mm，材料分別為鎢、銅和不銹鋼，外電極接高電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，采用鎢棒為內(nèi)電極時(shí)，氣體的擊穿電壓比銅棒和不銹鋼棒為內(nèi)電極時(shí)要小。因?yàn)椴煌碾姌O材料，其第三電離系數(shù)(二次電子發(fā)射系數(shù))不同，即平均每個(gè)正離子達(dá)到陰極上所引起的次級(jí)電子發(fā)射。在相同的氣體成分下，氣體壓強(qiáng)和電極間距離不變時(shí)，由式(8)可知，隨著二次電子發(fā)射系數(shù)γ的增大，擊穿電壓減小。

表4 不同電極材料下?lián)舸╇妷?/p>

2.5 不同反應(yīng)器對(duì)NO脫除的影響

為了研究不同結(jié)構(gòu)配置對(duì)NO脫除的影響，選取擊穿電壓最低的與最高的反應(yīng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。裝置一：內(nèi)電極直徑為12 mm，介質(zhì)材料為剛玉，外電極接高電壓，內(nèi)電極材料為鎢，實(shí)驗(yàn)時(shí)所測(cè)的擊穿電壓為5.53 kV；裝置二：內(nèi)電極直徑為8 mm，介質(zhì)材料為石英，內(nèi)電極接高電壓，內(nèi)電極材料為不銹鋼，實(shí)驗(yàn)時(shí)所測(cè)的擊穿電壓為7.23 kV。脫除NO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。隨著放電功率的增大，NO濃度降低，但裝置一的脫除效果明顯高于裝置二的，當(dāng)放電功率為93 W時(shí)，裝置一和裝置二的尾氣中NO濃度分別為114×10－6和183×10－6。NO脫除效率分別為77.2%和63.4%。

圖6 不同配置對(duì)NO濃度的影響

3 結(jié)論

(1)保持介質(zhì)管內(nèi)、外直徑不變，通過增大內(nèi)電極半徑的方法減小氣體間隙，可以降低擊穿電壓；采用具有較大介質(zhì)常數(shù)的阻擋介質(zhì)，可以降低氣體初始放電時(shí)反應(yīng)器兩端外加電壓；與內(nèi)電極作高壓電極相比，外電極作高壓電極氣體被擊穿所需外加電壓較低；鎢電極作為內(nèi)電極時(shí)，氣體的擊穿電壓比不銹鋼和銅電極為內(nèi)電極時(shí)小。

(2)用不同裝置的DBD反應(yīng)器脫除NO，放電功率為93 W的情況下，內(nèi)電極直徑為12 mm，介質(zhì)材料為剛玉，外電極接高電壓，內(nèi)電極材料為鎢的反應(yīng)器和內(nèi)電極直徑為8 mm，介質(zhì)材料為石英，內(nèi)電極接高電壓，內(nèi)電極材料為不銹鋼的反應(yīng)器的脫除效率分別為77.2%和63.4%。

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Effects of structural parameters on breakdown voltage in dielectric barrier discharge reactor

SUN Bao-min,WANG Tao,XIAO Hai-ping,ZENG Ju-ying

In order to study the role of dielectric barrier discharge(DBD)reactor structural parameters play on the breakdown voltage,an experimental study was conducted on discharging of simulated flue gas(N2/NO)in a DBD reactor.Then a comparison of breakdown voltage,under different gas gap,dielectric material,electrode connection and inner electrode material was made.The distribution of the electric field in between the gas gap under the same condition with the experiments was simulated.And the correctness of the test result through the analysis of the influence of the electric field on breakdown voltage was verified.It shows that larger inner electrode diameter leads to smaller gas gap and then minimizes the breakdown voltage;the increasing of dielectric material is good for breakdown voltage reducing;breakdown voltage is lower with inner electrode as the cathode compared with outer electrode as cathode;the larger the secondary electron emission coefficients of inner electrode is,the lower the breakdown voltage is.

dielectric barrier discharge;numerical simulation;reactor structure;breakdown voltage

TM 93

A

1002-087 X(2015)03-0609-04

2014-08-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(51206047)

孫保民(1959—)，男，山東省人，教授，主要研究方向?yàn)楦咝鍧嵢紵暗臀廴究刂啤?/p>