脈沖重復(fù)頻率對(duì)微秒脈沖滑動(dòng)放電特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

牛宗濤　章　程　王瑞雪　陳根永 　邵　濤

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所　北京　100190　2.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院　鄭州　450001 3.中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　100190)

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脈沖重復(fù)頻率對(duì)微秒脈沖滑動(dòng)放電特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

牛宗濤1，2章程1，3王瑞雪1，3陳根永2邵濤1，3

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所北京1001902.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院鄭州450001 3.中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190)

脈沖滑動(dòng)放電能夠在大氣壓下產(chǎn)生高能量、高電子密度的低溫等離子體，在廢水處理、點(diǎn)火助燃、甲烷轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為了研究重復(fù)頻率微秒脈沖電源對(duì)滑動(dòng)放電特性的影響，采用自主研制的重復(fù)頻率微秒脈沖電源，通過(guò)改變電源的脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明在大氣壓空氣中滑動(dòng)放電產(chǎn)生的火花通道能夠順著氣流的方向沿刀型電極刃面向上滑動(dòng)，最大高度和長(zhǎng)度可以達(dá)到29 mm和43 mm，各火花通道彼此分散。進(jìn)一步分析脈沖重復(fù)頻率對(duì)滑動(dòng)放電的影響規(guī)律可知，高頻時(shí)(500～1 500 Hz)，隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，火花放電通道逐漸向上發(fā)展，發(fā)生火花放電的最高位置逐漸向刀型電極的刀尖處靠攏?；瑒?dòng)放電的擊穿電壓逐漸減小，工作電壓逐漸分散。這與駐留粒子的記憶效應(yīng)和電極間隙的變化有關(guān)。低頻時(shí)(1～300 Hz)，由于氣流的作用，電極間隙內(nèi)駐留的粒子較少，其記憶效應(yīng)對(duì)滑動(dòng)放電的影響較弱，火花通道不能沿刀型電極刃面向上滑動(dòng)。

微秒脈沖滑動(dòng)放電脈沖重復(fù)頻率記憶效應(yīng)

0　引言

氣體放電是產(chǎn)生非平衡態(tài)低溫等離子體的有效方法，在工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-5]。氣體放電的形式多種多樣，其中輝光放電和射頻放電通常在低氣壓下產(chǎn)生，但是昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的真空系統(tǒng)不利于連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)[6，7],電暈放電、彌散放電和介質(zhì)阻擋放電能夠在大氣壓下產(chǎn)生非平衡態(tài)低溫等離子體，但其活性粒子的種類(lèi)、濃度和氧化性不能滿足一些特殊應(yīng)用的需求[8-11]?；瑒?dòng)放電是一種電極最窄間隙處產(chǎn)生的火花通道在氣流的作用下，沿著氣流方向滑動(dòng)的氣體放電形式[12-15]，通常能夠在大氣壓下產(chǎn)生高效的非平衡態(tài)低溫等離子體，具有活性粒子種類(lèi)多、濃度高、加熱效率高和可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在環(huán)境保護(hù)[13]、污水處理[14]和輔助燃燒[15]等方面有著廣泛的應(yīng)用，引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。

20世紀(jì)90年代之前，對(duì)于滑動(dòng)放電的研究主要集中在基本電路和工業(yè)應(yīng)用等方面，近年來(lái)滑動(dòng)放電的動(dòng)態(tài)特性引起了廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[16-20]研究了氣體流量和輸入功率對(duì)滑動(dòng)放電的影響，利用高速攝影技術(shù)分析了滑動(dòng)放電的物理特性，并將滑動(dòng)放電應(yīng)用于材料處理。文獻(xiàn)[21]在氬氣氛圍中構(gòu)建了滑動(dòng)放電的二維模型，通過(guò)計(jì)算可以得出滑動(dòng)放電的電子密度可以達(dá)到1022m-3。文獻(xiàn)[22]對(duì)交流滑動(dòng)放電的電學(xué)特性和光譜特征進(jìn)行了測(cè)量。研究發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)放電可以分為引弧階段、滑動(dòng)階段和消弧階段三個(gè)階段，并且不同階段的滑動(dòng)放電表現(xiàn)出不同的特性。上述文獻(xiàn)中，大多數(shù)滑動(dòng)放電的研究都是采用直流或高頻高壓交流電源作為激勵(lì)源。隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，具有快上升時(shí)間、窄脈沖、高電壓幅值和高瞬時(shí)功率等特點(diǎn)的脈沖功率電源引起了研究人員的廣泛關(guān)注[23，24]。文獻(xiàn)[25，26]采用納秒脈沖電源作用在針-針電極上，并將通過(guò)電極間隙內(nèi)的空氣預(yù)熱到1 000 K，研究納秒脈沖等離子特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納秒脈沖針-針?lè)烹娋哂?種放電模式(電暈放電、彌散放電和火花放電)，并且提出放電電流等于位移電流和傳導(dǎo)電流之和。文獻(xiàn)[27，28]分別采用不同型號(hào)的納秒脈沖電源，在氣流的作用下，在針-針電極間隙內(nèi)產(chǎn)生滑動(dòng)放電。并研究了氣體流量、脈沖重復(fù)頻率、電極間隙等條件對(duì)滑動(dòng)放電的影響。此外還對(duì)不同型號(hào)的納秒脈沖電源產(chǎn)生的滑動(dòng)放電做出了對(duì)比。

滑動(dòng)放電的特性與電源種類(lèi)和電極結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本課題組前期研究了微秒與納秒脈沖電源激勵(lì)針-針電極產(chǎn)生的滑動(dòng)放電表現(xiàn)出不同的放電圖像[28]。為了深入研究微秒脈沖滑動(dòng)放電的特性，本文采用微秒脈沖電源施加在刀型電極上激勵(lì)滑動(dòng)放電，并研究脈沖重復(fù)頻率對(duì)滑動(dòng)放電的影響。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在大氣壓下敞開(kāi)的空間內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，由氣路、工作電路和測(cè)量系統(tǒng)三部分組成。氣路包括空氣壓縮機(jī)、浮子流量計(jì)和噴嘴。與文獻(xiàn)[29]中的氣路相似，氣體壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過(guò)浮子流量計(jì)的調(diào)節(jié)和控制，通過(guò)噴嘴進(jìn)入電極間隙，且內(nèi)徑為8 mm的噴嘴處于電極間隙中心位置正下方15 mm處。工作電路由本課題組自主研制的微秒脈沖電源(CMPC-40D)和刀型電極組成。微秒脈沖電源的參數(shù)為電壓幅值0～30 kV，脈沖寬度約8 μs，上升沿約0.5 μs，脈沖重復(fù)頻率(PRFs)1～3 000 Hz。刀型電極的材料為黃銅，高度為23 mm，底部間距可通過(guò)滑軌進(jìn)行調(diào)節(jié)。測(cè)量系統(tǒng)可以分為電信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)和光信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，與文獻(xiàn)[29]中測(cè)量系統(tǒng)相似，包括Tek高壓探頭(P6015)、Pearson電流線圈(4100)、示波器(Tek 2024B)和數(shù)碼照相機(jī)(Canon EOS500D)。其中，高壓探頭測(cè)量得到的電壓信號(hào)和電流線圈測(cè)量得到的電流信號(hào)通過(guò)3 m同軸電纜輸送到示波器中，并在示波器上實(shí)時(shí)顯示電壓和電流波形。放電圖像由數(shù)碼照相機(jī)和騰龍鏡頭(ModelA001)進(jìn)行拍攝。相機(jī)拍照的方向與電極軸線方向垂直且與電極高度一致，相機(jī)放置在距離電極間隙1 m處，且放電區(qū)域完全處于其視野內(nèi)，保證相機(jī)可以從水平方向拍攝到放電圖像。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic view of the experimental set-up

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1重復(fù)頻率微秒脈沖滑動(dòng)放電特性

圖2　典型的微秒脈沖滑動(dòng)放電波形及其放電圖像Fig.2　Typical waveforms and discharge images in microsecond-pulse gliding discharges

圖2為典型的重復(fù)頻率微秒脈沖滑動(dòng)放電的電壓、電流波形和放電圖像。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件為：保持氣體流量為10 L/min、刀型電極最窄間隙為5 mm、脈沖重復(fù)頻率保持1 500 Hz不變，調(diào)節(jié)微秒脈沖電源的外加電壓為17 kV，相機(jī)的曝光時(shí)間為1/80 s。從圖2a可以看出，在發(fā)生擊穿形成滑動(dòng)放電通道的瞬間，電壓迅速減小，隨后，電壓幅值在較小范圍內(nèi)振蕩衰減。而在電壓峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，電流迅速增大，出現(xiàn)了一個(gè)小尖峰，約12 A，隨后電流幅值按照正弦規(guī)律振蕩衰減。此外，可以看出，擊穿發(fā)生時(shí)的工作電壓峰值為11.8 kV，小于電源施加的電壓(17 kV)。因此，為了保證能夠得到持續(xù)穩(wěn)定的滑動(dòng)放電，需要電源提供足夠的能量來(lái)維持滑動(dòng)放電的發(fā)展。而電源提供的能量和電源施加的電壓具有正相關(guān)性，所以電源施加的電壓需要高于滑動(dòng)放電的工作電壓。從圖2b中可以看出，在氣流的作用下，微秒脈沖滑動(dòng)放電通道順著氣流的方向沿刀型電極刃面向上滑動(dòng)，高度可以達(dá)到29 mm，長(zhǎng)度可以達(dá)到43 mm，并且各條放電通道彼此分散。而文獻(xiàn)[18]采用高頻高壓交流電源在類(lèi)刀型電極上產(chǎn)生的滑動(dòng)放電通道高度可以達(dá)到10 cm，長(zhǎng)度可以達(dá)到16 cm，這是由于電極結(jié)構(gòu)不同造成的。由于脈沖重復(fù)頻率為1500 Hz，相機(jī)曝光時(shí)間為1/80 s，此時(shí)相機(jī)捕捉到的放電圖像由19個(gè)脈沖激勵(lì)的放電通道組成。通過(guò)觀察可以看出圖2b中有19條火花通道。因此可以認(rèn)為一個(gè)脈沖能夠形成一條火花通道。此外，在刀型電極底部窄間隙處出現(xiàn)了一條與氣流方向相反的火花通道。這是由于電極底部拐角處曲率半徑較小，擊穿電壓較低，形成尖端放電。

2.2脈沖重復(fù)頻率的影響(500～1 500 Hz)

圖3　不同脈沖重復(fù)頻率的滑動(dòng)放電圖像 (500～1 500 Hz，脈沖數(shù)量為20個(gè))Fig.3　Images of the gliding-like discharge at different pulse repetition frequency (500～1 500 Hz，20 pulses)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣體流量為10 L/min、刀型電極最窄間隙為5 mm、保持微秒脈沖電源的外加電壓約為17 kV，通過(guò)觸發(fā)器調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率分別為500 Hz、800 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz和1 500 Hz，得到一組放電圖像。不同脈沖重復(fù)頻率的滑動(dòng)放電圖像如圖3所示。為了保證每次拍攝到的放電圖像的脈沖數(shù)量相同，在改變脈沖重復(fù)頻率的同時(shí)，調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光時(shí)間，使得每個(gè)放電圖像為施加20個(gè)脈沖后的放電積分圖像。從圖3可以看出，在氣體流量的作用下，隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，微秒脈沖滑動(dòng)放電逐漸向上發(fā)展，發(fā)生火花通道的位置逐漸向刀型電極的刀尖處靠攏。并且火花通道的長(zhǎng)度和高度逐漸增大，各條火花通道逐漸分散。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為500 Hz時(shí)，火花通道僅在電極間隙最窄處附近出現(xiàn)，不能沿氣流向上滑動(dòng)。最底端的火花通道直徑較大且明亮，有暈光層出現(xiàn)。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為800 Hz時(shí)，火花通道向上有了一定的發(fā)展，火花放電通道之間有交叉現(xiàn)象。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率大于等于1 000 Hz時(shí)，火花通道能夠達(dá)到較大的高度，各條火花通道在電極間隙內(nèi)逐漸均勻分布。而文獻(xiàn)[17]采用了35 kHz的交流電源驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)放電，產(chǎn)生的火花通道能夠達(dá)到較大的高度，但是在單個(gè)滑動(dòng)周期內(nèi)火花通道數(shù)目較多，且密集分布，不能觀察到各條火花通道彼此均勻分布的特征。

當(dāng)氣體流量為10 L/min、刀型電極最窄間隙為5 mm、調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率為500～1 500 Hz，每處測(cè)得10組擊穿電壓，求其平均值和方差，做出脈沖重復(fù)頻率對(duì)滑動(dòng)放電擊穿電壓的影響曲線，如圖4所示。

圖4　脈沖重復(fù)頻率對(duì)擊穿電壓的影響(500～1 500 Hz)Fig.4　Effect of the pulse repetition frequency on breakdown voltage(500～1 500 Hz)

本文中擊穿電壓的定義與文獻(xiàn)[30]中的擊穿電壓的定義相似：保持某一電壓不變，重復(fù)測(cè)量10次，有5次以上能夠發(fā)生擊穿。從圖4中可以看出，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為500～1 500 Hz時(shí)，隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，微秒脈沖滑動(dòng)放電的擊穿電壓從16.8 kV減小到14.6 kV，減小了13%。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率大于800 Hz時(shí)，擊穿電壓減小的速率逐漸變緩。這是由于當(dāng)脈沖重復(fù)頻率大于800 Hz時(shí)，火花通道所能達(dá)到的高度已經(jīng)接近最大值。因此相應(yīng)擊穿電壓的減小速率逐漸變緩。而文獻(xiàn)[25]采用納秒脈沖電源作用在預(yù)熱到1 000 K的針-針電極結(jié)構(gòu)中，也得出了隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，擊穿電壓逐漸減小的結(jié)論。

圖5給出了脈沖重復(fù)頻率對(duì)工作電壓影響的散點(diǎn)圖。圖中每一列點(diǎn)代表滑動(dòng)放電在該頻率下連續(xù)測(cè)量得到的10組工作電壓值，工作電壓是指擊穿發(fā)生后維持滑動(dòng)放電持續(xù)工作的電壓值。實(shí)驗(yàn)條件與圖3的實(shí)驗(yàn)條件相同。從圖5中可以看出，隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，微秒脈沖滑動(dòng)放電的工作電壓逐漸分散，工作電壓的變化范圍逐漸增大。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為500 Hz時(shí)，工作電壓在12.1～14.7 kV內(nèi)變化。而當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為1 500 Hz時(shí)，工作電壓在6 ～13.6 kV內(nèi)變化。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為500 Hz時(shí)，滑動(dòng)放電通道主要集中在電極窄間隙處，且電極間隙距離和火花通道長(zhǎng)度變化范圍均不大，因此，施加在火花通道上的電壓變化范圍較小。并且，由于火花通道周?chē)鷽](méi)有或者有少量的活性粒子輔助火花通道的形成和維持，因此其工作電壓較高。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率超過(guò)800 Hz時(shí)，由于駐留粒子記憶效應(yīng)的影響，前一次放電產(chǎn)生的活性粒子沿氣流移動(dòng)的距離較小，會(huì)輔助火花放電通道的產(chǎn)生和維持[31]。駐留粒子是指前一次放電產(chǎn)生的，由于未復(fù)合和擴(kuò)散作用而停留在放電間隙內(nèi)的活性粒子。駐留粒子能夠輔助下一次放電的發(fā)生，具有一定的記憶效應(yīng)。在駐留粒子作用下，相應(yīng)火花通道的工作電壓減小。并且脈沖重復(fù)頻率越高，駐留粒子的記憶效應(yīng)對(duì)工作電壓的影響越顯著。因此，脈沖重復(fù)頻率越高，其工作電壓變化范圍越大且越分散。

圖5　脈沖重復(fù)頻率對(duì)工作電壓的影響(500～1 500 Hz)Fig.5　Effect of the pulse repetition frequency on working voltage(500～1 500 Hz)

2.3脈沖重復(fù)頻率的影響(1～300 Hz)

當(dāng)氣體流量為10 L/min、刀型電極最窄間隙為5 mm，調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率分別為1 Hz、10 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz和300 Hz，得到一組放電圖像，如圖6所示。為了進(jìn)行對(duì)比，保證每次拍攝到的放電圖像的脈沖數(shù)量相同，在改變脈沖重復(fù)頻率的同時(shí)，調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光時(shí)間，使得每個(gè)放電圖像為施加10個(gè)脈沖后的放電積分圖像。從圖6中可以看出，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率不超過(guò)100 Hz時(shí)，在刀型電極間隙僅有一條放電通道，并且該條放電通道直徑較大且明亮，存在于刀型電極底部尖端附近。此時(shí)隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，火花通道形成的暈光層的高度逐漸增大，這是由于隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，為了保證得到相同脈沖數(shù)量的放電圖像，相機(jī)的曝光時(shí)間逐漸減小，火花通道的熱量積累效應(yīng)逐漸增加。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率大于等于200 Hz時(shí)，在電極間隙內(nèi)存在多條放電通道。如圖6f所示，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為300 Hz時(shí)，在電極間隙內(nèi)出現(xiàn)了3條放電通道，底部的火花通道直徑較大，可以認(rèn)為是多條火花通道相互疊加的結(jié)果。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率從1 Hz增大到300 Hz時(shí)，隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，底部火花通道的直徑逐漸變小，火花通道向上有了一定的發(fā)展。如圖6e和圖6f底端的火花通道較圖6a～圖6d中的火花通道直徑小，且圖6e中出現(xiàn)了兩條火花通道。此時(shí)可以說(shuō)明當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為200 Hz時(shí)，駐留粒子的記憶效應(yīng)已經(jīng)對(duì)滑動(dòng)放電產(chǎn)生了影響，滑動(dòng)放電產(chǎn)生的活性粒子沿氣流方向移動(dòng)距離合適，能夠輔助其他位置形成火花通道。此外，通過(guò)對(duì)比不同頻率的放電圖像可以得出，火花通道優(yōu)先在刀型電極底部尖端處產(chǎn)生。

圖7給出了脈沖重復(fù)頻率為1～300 Hz時(shí)，脈沖重復(fù)頻率對(duì)擊穿電壓的影響曲線。實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)量方法與圖4相似。從圖7中可以看出，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為1～300 Hz時(shí)，隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，微秒脈沖滑動(dòng)放電的擊穿電壓從24.2 kV到16.2 kV逐漸減小，減小了33%。而擊穿電壓的減小主要集中在1～100 Hz。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率大于等于100 Hz時(shí)，擊穿電壓基本保持不變，約為16.2 kV。這是由于火花通道集中在相同區(qū)域。

圖7　脈沖重復(fù)頻率對(duì)擊穿電壓的影響(1～300 Hz)Fig.7　Effect of the pulse repetition frequency on breakdown voltage(1～300 Hz)

圖8　脈沖重復(fù)頻率對(duì)工作電壓的影響(1～300 Hz)Fig.8　Effect of the pulse repetition frequency on working voltage(1～300 Hz)

圖8給出了脈沖重復(fù)頻率為1～300 Hz時(shí)，脈沖重復(fù)頻率對(duì)滑動(dòng)放電工作電壓影響的散點(diǎn)圖。實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)量方法與圖5相似。從圖8中可以看出，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率大于等于50 Hz時(shí)，微秒脈沖滑動(dòng)放電的工作電壓基本保持不變，為14.4 kV。這是由于放電通道位置基本一致，且記憶效應(yīng)影響甚微，因此其工作電壓基本保持不變。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率小于50 Hz時(shí)，隨著脈沖重復(fù)頻率的減小，微秒脈沖滑動(dòng)放電工作電壓的變化范圍逐漸增大。脈沖重復(fù)頻率為25 Hz時(shí)工作電壓的變化范圍為14.2 ～15.4 kV，而1 Hz時(shí)工作電壓的變化范圍為20～24 kV。

2.4討論

脈沖重復(fù)頻率對(duì)微秒脈沖滑動(dòng)放電影響顯著，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率，可以改變相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔，從而改變駐留粒子記憶效應(yīng)的影響[31]。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率不超過(guò)500 Hz時(shí)，微秒脈沖滑動(dòng)放電在單位時(shí)間內(nèi)的火花通道較少，放電較弱。放電通道主要集中在電極間隙最窄處和刀型電極底部尖端處，并且火花通道的長(zhǎng)度基本相同。這是由于相比駐留粒子記憶效應(yīng)的影響，氣體流量的影響占主導(dǎo)。脈沖重復(fù)頻率較低時(shí)，相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，在氣流的作用下，放電產(chǎn)生的活性粒子沿氣流方向擴(kuò)散距離較大，在下一個(gè)脈沖來(lái)臨時(shí)，電極間隙內(nèi)駐留的活性粒子較少，大多數(shù)活性粒子可能已經(jīng)擴(kuò)散到刀型電極間隙之外或刀型電極間隙較寬處。因此，即使在少量駐留粒子的輔助下，較寬間隙處的擊穿電壓也大于最窄間隙的擊穿電壓，所以，在下一個(gè)脈沖來(lái)臨時(shí)，火花放電通道仍然在電極間隙最窄處附近產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)比不同脈沖重復(fù)頻率的放電圖像可以得出，火花通道優(yōu)先在刀型電極底部尖端處產(chǎn)生。這是由于在相同的距離時(shí)，尖端的擊穿電壓低于其他位置的擊穿電壓。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率小于等于100 Hz時(shí)，僅存在一條火花通道。而當(dāng)脈沖重復(fù)頻率超過(guò)100 Hz時(shí)，在刀型電極底部尖端處的放電通道較其他位置的放電通道的直徑大。這是由于電極底部的放電通道是由多條放電通道之間相互疊加造成的。并且隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，該條放電通道的直徑逐漸減小。這是因?yàn)樵跉饬鞯淖饔孟拢钚粤Ｗ酉蛏弦苿?dòng)，一部分駐留在其他較窄間隙處，在駐留粒子的輔助作用下，該位置的擊穿電壓低于電極底部的擊穿電壓，當(dāng)下一個(gè)脈沖來(lái)臨時(shí)，火花通道將在此位置形成。放電圖像是一定脈沖數(shù)量形成的火花通道的積分。因此，頻率越大，電極底部火花通道直徑越小。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為200 Hz時(shí)，在電極間隙內(nèi)出現(xiàn)了兩條火花通道。這一現(xiàn)象可以說(shuō)明，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為200 Hz時(shí)，駐留粒子的記憶效應(yīng)已經(jīng)開(kāi)始對(duì)滑動(dòng)放電產(chǎn)生了影響。這一結(jié)論與文獻(xiàn)[32]中相應(yīng)結(jié)果相似。與本文不同的是，文獻(xiàn)[32]對(duì)線-板電極正流注進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖重復(fù)頻率達(dá)到400 Hz時(shí)，記憶效應(yīng)開(kāi)始作用，脈沖重復(fù)頻率對(duì)正流注產(chǎn)生影響。本文中放電為滑動(dòng)放電，電壓工作范圍比文獻(xiàn)[32]的高，因此記憶效應(yīng)起作用的頻率要低。

當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為800～1 500 Hz時(shí)，相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔與氣體流量基本匹配，此時(shí)駐留粒子的記憶效應(yīng)和氣體流量共同主導(dǎo)放電過(guò)程。在氣流的作用下，前一次放電產(chǎn)生的活性粒子在相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔內(nèi)擴(kuò)散，在下一個(gè)脈沖來(lái)臨時(shí)，活性粒子沿氣流方向擴(kuò)散距離較小且合適，它們將會(huì)輔助其所在間隙處火花通道的形成。隨著滑動(dòng)放電通道向上發(fā)展，聚集的活性粒子的數(shù)量逐漸增多，這種輔助作用也逐漸增強(qiáng)。此外，活性粒子的增多引起擊穿電壓的減小和電極間隙的增大引起擊穿電壓的增大之間存在一個(gè)極值。在這兩個(gè)因素的共同作用下，滑動(dòng)放電不能一直向上發(fā)展，使得火花通道有一個(gè)最大高度。因此，可以觀察到火花通道沿電極向上滑動(dòng)。由于相機(jī)拍攝到的放電圖像是20個(gè)脈沖形成的火花通道的積分，因此，此時(shí)火花通道按照上述原理向上滑動(dòng)達(dá)到最大高度。隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，單位時(shí)間內(nèi)電極間隙中駐留的活性粒子數(shù)量逐漸增多，駐留粒子的記憶效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，火花通道能夠達(dá)到的高度逐漸增大。

3　結(jié)論

本文采用微秒脈沖電源作用在刀型電極上，產(chǎn)生滑動(dòng)放電，并對(duì)微秒脈沖滑動(dòng)放電的特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明在發(fā)生擊穿形成滑動(dòng)放電通道的瞬間，電壓迅速減小，電流迅速增大，并在電壓峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，出現(xiàn)了一個(gè)小尖峰，約12 A。而文獻(xiàn)[16]中采用交流電源驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)放電，在形成滑動(dòng)放電的瞬間也出現(xiàn)了電壓迅速減小，電流具有一個(gè)小尖峰的現(xiàn)象。進(jìn)一步說(shuō)明電壓、電流的變化規(guī)律與放電形式有關(guān)。滑動(dòng)放電通道順著氣流的方向沿刀型電極刃面向上滑動(dòng)，高度可以達(dá)到29 mm，長(zhǎng)度可以達(dá)到43 mm，并且各條放電通道彼此分散。此外，本文分別從高脈沖重復(fù)頻率(500～1 500 Hz)和低脈沖重復(fù)頻率(1～300 Hz)兩個(gè)方面研究脈沖重復(fù)頻率對(duì)微秒脈沖滑動(dòng)放電的影響。通過(guò)分析不同脈沖重復(fù)頻率的放電圖像、擊穿電壓和工作電壓，得出脈沖重復(fù)頻率對(duì)滑動(dòng)放電的影響規(guī)律。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率較高(500～1 500 Hz)時(shí)，隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，微秒脈沖滑動(dòng)放電逐漸向上發(fā)展，發(fā)生火花放電的最高位置逐漸向刀型電極的刀尖處靠攏。并且火花通道的長(zhǎng)度和高度逐漸增大，各條火花通道逐漸分散。微秒脈沖滑動(dòng)放電的擊穿電壓逐漸減小，工作電壓逐漸分散，工作電壓變化范圍逐漸增大。這與駐留粒子的記憶效應(yīng)和電極間隙的變化有關(guān)。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率較低(1～300 Hz)時(shí)，由于氣流的作用，電極間隙內(nèi)駐留的粒子較少，其記憶效應(yīng)對(duì)滑動(dòng)放電的影響較弱，火花通道不能沿刀型電極刃面向上滑動(dòng)。

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Experimental Study on the Effect of the Pulse Repetition Frequency on the Characteristics of Microsecond-Pulse Gliding Discharges

Niu Zongtao1，2Zhang Cheng1，3Wang Ruixue1，3Chen Genyong2Shao Tao1，3

(1.Institute of Electrical EngineeringChinese Academy of SciencesBeijing100190China 2.School of Electrical EngineeringZhengzhou UniversityZhengzhou450001China 3.Key Laboratory of Power Electronics and Electric DriveChinese Academy of SciencesBeijing100190China)

Pulsed gliding discharges can generate non-thermal plasmas with high-energy and high electron density at atmospheric pressure，which have widely application prospects in the fields of effluent treatment，ignition and combustion，and methane conversion.In this paper，in order to investigate the characteristics of the microsecond-pulse gliding discharges，experimental studies of the gliding discharges at different pulse repetition frequencies (PRFs) are carried out by using a lab-made microsecond-pulse generator.The experimental results show that spark channels moved along the blade of the sword electrodes in a fast air flow and in the flow direction at atmospheric pressure.The highest altitude of the spark channel reaches 29 mm and the longest length of the spark channel is 43 mm.Moreover，the spark channels dispersed with each other.Furthermore，the results of the effect of the PRF on the characteristics of microsecond-pulse gliding discharges show that，in the case of high PRF (500～1 500 Hz)，the spark channels gradually moves upwards with the increase of the PRF，and the highest altitude of the spark channel moves towards the tool nose.As the PRF increased，the breakdown voltage is decreased and the working voltage is dispersed.Such variation is closely related to the memory effect of the residual particles and the change of the electrode distance.In the case of low PRF (1～300 Hz)，because the memory effect of the residual particles has less effect on the gliding discharges in air flow，spark channels cannot move upwards along the blade of the sword electrodes.

Microsecond-pulse，gliding discharges，pulse repetition frequencies，memory effect

國(guó)家自然科學(xué)基金(51222701，51477164)和新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(LAPS16013)資助項(xiàng)目。

2015-07-05改稿日期2015-08-03

TM89；TM213

牛宗濤男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷好}沖等離子體應(yīng)用。

E-mail：niuzongtao@mail.iee.ac.cn

邵濤男，1977年生，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)、脈沖功率技術(shù)和放電等離子體應(yīng)用。

E-mail：st@mail.iee.ac.cn(通信作者)