同軸介質(zhì)阻擋放電功率和等效電容特性研究*

劉 勇， 俞建成， 張俊良， 吳煥銘， 高文清

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)

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同軸介質(zhì)阻擋放電功率和等效電容特性研究*

劉 勇， 俞建成， 張俊良， 吳煥銘， 高文清

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)

以同軸—針放電結(jié)構(gòu)為研究基礎(chǔ)，采用Lissajous圖像法，研究了介質(zhì)阻擋放電管徑、載氣流速變化對放電功率和介質(zhì)等效電容的影響關(guān)系；設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究載氣流速和放電管徑對周期傳輸電荷量顯著性影響的大小。研究結(jié)果表明:隨著載氣速度的提升，放電功率和介質(zhì)等效電容都呈減小趨勢；隨著放電管徑的增大，介質(zhì)等效電容減小。正交實(shí)驗(yàn)中，管徑的F值為22.15，相比載氣流速對傳輸電荷量的影響更加顯著。

同軸—針； 介質(zhì)阻擋放電；傳輸電荷量； Lissajous圖形； 等效電容

0 引 言

介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge,DBD)是在常溫常壓下產(chǎn)生低溫等離子體的主要快捷手段之一[1,2]，可應(yīng)用于合成新物質(zhì)等多種工業(yè)領(lǐng)域，前景廣闊[3,4]。近年來，研究放電條件諸如氣隙間距、氣流等因素影響放電特性的機(jī)制成為了熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[5,6]。王新新等人[7]研究了介質(zhì)阻擋放電模式指出，在外加交流電壓的半個(gè)周期內(nèi)，只有一個(gè)脈沖電流是均勻放電的必要不充分條件；在不同條件下等效電容的變化規(guī)律能反映放電狀態(tài)，這對提高放電效率具有重大意義[8]。張新榮指出DBD的離子化效率是離子源靈敏度關(guān)鍵技術(shù)[9]，而放電通道電荷傳輸量的大小與離子化效率息息相關(guān)[10]。

本文選取同軸—針結(jié)構(gòu)，具有放電功率較大，運(yùn)行電壓和起始放電電壓低，周期傳輸電荷量大的特點(diǎn)[1]，介質(zhì)材料選取玻璃管，結(jié)合了Lissajous圖形方法，探究了介質(zhì)阻擋材料玻璃管管徑大小與氮?dú)饬魉賹橘|(zhì)等效電容和放電功率的關(guān)系，設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，探究管徑和氣流大小對周期傳輸電荷量的顯著性影響，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 DBD放電原理

當(dāng)DBD進(jìn)行放電時(shí)，在電極兩端施加交流電壓，氣隙中的場強(qiáng)達(dá)到一定閾值時(shí)，由于電子雪崩，空間中的電荷開始增加并向兩極移動[11]，氣體被電離后，在外加驅(qū)動電源產(chǎn)生的電場作用下，產(chǎn)生的電荷移動到介質(zhì)表面并且聚集，產(chǎn)生了一個(gè)與外加電場反相的附加電場，在電荷的積聚量增多的情況下，附加電場的場強(qiáng)也隨之增強(qiáng)，對外加電場的抵消作用變大，這時(shí)氣隙中總場強(qiáng)減小，當(dāng)氣隙中的總場強(qiáng)無法達(dá)到閾值放電電壓時(shí)，放電熄滅。圖1為介質(zhì)阻擋放電容器等效電路[7]。

圖1 放電容器等效電路

氣體放電前，DBD放電電路相當(dāng)于阻擋氣隙電容Cg和介質(zhì)等效電容Cd串聯(lián)；氣體放電后等效于開關(guān)閉合，Cg并聯(lián)上了一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的電阻R(t)，明顯地，氣隙上的電壓Ug可由式(1)表示

(1)

式中Ua和Ud分別為外加電壓和阻擋介質(zhì)電壓，放電時(shí)，放電電流i上升，介質(zhì)電壓Ud也立即隨之上升，從而Ug減小，放電停止，最終完成了DBD放電。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖2所示，線圈L2左邊部分為高壓驅(qū)動電源交流電產(chǎn)生部分，由電阻器R1,R2,單向可控硅VS，線圈L1，二極管VD和可變正弦交流電源組成，右邊為R3,R4分壓電阻器，放電空間傳輸?shù)碾姾赏ㄟ^在放電回路串聯(lián)一個(gè)4 700 pF電容器C2間接獲得，放電針的一端接高壓輸出正極，放置于玻璃管軸中心，玻璃管的長度為10 cm，內(nèi)徑大小有4～11 mm幾種，厚度均為0.5 mm，玻璃管外包裹銅網(wǎng)，網(wǎng)密度為0.5 cm2/格。作為另一放電極，示波器和高壓探頭(Tektronix廠家生產(chǎn)，型號為P6015A)觀測放電電壓波形。

圖2 DBD實(shí)驗(yàn)電路連接

2.2 Lissajous圖形法

放電的過程可視為電容器的充放電過程，當(dāng)反應(yīng)器的電壓Up和電容器兩端電壓Um分別加在示波器的Y-X軸上，波形為封閉的平行四邊形，因串聯(lián)電容器C2兩端電壓Um與放電空間所傳輸電荷量Qm成正比,可得如圖3所示的Q—VLissajous圖形，其中，線段BC，DA對應(yīng)放電階段，電源向固體介質(zhì)等效電容Cd充電，這時(shí)回路當(dāng)中還沒有Cg，而AB，CD線段兩邊對應(yīng)放電截止階段，此時(shí)電源向總電容C(Cg和Cd串聯(lián))進(jìn)行充電，因此，BC，DA線段斜率的倒數(shù)為反應(yīng)器放電時(shí)的等效電容Cd，反應(yīng)器的總電容C則是線段AB，CD的斜率的倒數(shù)，各電容的值則可通過式(2)～式(4)計(jì)算

Cd=dQ/dU=C2dUm/dUp

(2)

(3)

(4)

Lissajous圖形圍成的面積S可用于計(jì)算放電功率P或能量W[12]，即

(5)

P=F1W=F1S

(6)

式中 F1為放電頻率；S為圖形包圍面積。

圖3 Q-V Lissajous圖像

2.3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在同軸—針電極結(jié)構(gòu)中，較低電壓時(shí)首先產(chǎn)生電暈放電，隨著電壓的逐漸升高，慢慢轉(zhuǎn)變成絲光放電。為明確管徑大小和氣體流速大小對整個(gè)反應(yīng)容器轉(zhuǎn)移電荷數(shù)量的顯著性影響，分別設(shè)計(jì)了大小為4，6，7，11mm的放電管徑，流速為0.05，0.10，0.15，0.21L/min氮?dú)膺M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同條件下的放電電容特性曲線

圖4給出了管徑分別為5，7，9mm的玻璃管介質(zhì)，氣體流速為0.05～0.23L/min范圍時(shí)，介質(zhì)等效電容Cd的變化趨勢。顯然，隨著管徑的增大，Cd減小，且在同樣氣體流速下，隨著管徑的增大，Cd同樣減小，當(dāng)氣體流速為0.05L/min，管徑大小為5mm時(shí)，Cd取得最大值138pF,在此流速下，管徑為9mm時(shí)，Cd為126pF，而流速到達(dá)0.21L/min時(shí)，Cd降低至103.2pF。

圖4 載氣流速對介質(zhì)等效電容Cd的影響

對于不同管徑下的Cd與流速的關(guān)系曲線可知在DBD的放電等效電路中，Cd為與介質(zhì)厚度H、介電常數(shù)ε以及介質(zhì)有效正對面積有關(guān)[13]，即

Cd∝Kε/H

(7)

式中 K與電場強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)管徑一定時(shí)，根據(jù)氣流影響電路諧振特性的規(guī)律，快速氣流帶走的過多熱能對放電空間起到一定的冷卻作用，外加氣流流速從0L/min開始增大，放電功率降低，即DBD放電減弱，介質(zhì)有效的正對面積也減小，其放電空間內(nèi)絲狀通道的數(shù)目開始相應(yīng)地減少,從而Cd減小。

3.2 不同氣體流速下的功率特性

如圖5所示，實(shí)驗(yàn)放電管徑為4mm，驅(qū)動電源幅值為11kV，頻率為50Hz，載氣流速分別為0,1.66，10L/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的Lissajous圖形形狀規(guī)則，近似理想的平行四邊形，顯然，隨著氣流速度的增加，圖形所圍成面積減少，圖中氣體流速為10L/min圖形面積顯然最少，即功率最小，因快速的氣流帶走熱量，使得功率降低。

圖5 不同載氣流速下放電Lissajous圖形

3.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取正交設(shè)計(jì)表L16(42)正交表實(shí)驗(yàn)，如表1，管徑大小R和載氣流速V作為因素變量，這2種因素均具有4個(gè)水平，R的大小分別為4，6，7，11mm，V的大小分別為0.5，0.10，0.15，0.21L/min。方差分析如表2所示。

表1 L16 (42)正交設(shè)計(jì)

Kj為該因素在j水平下實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和；f′為自由度；S′為因素的離差平方和；MS=S′/f′；F為因素的MS項(xiàng)與誤差項(xiàng)MS的比值。根據(jù)查表有：F0.01(3,9)=6.99，F(xiàn)0.05(3,9)=3.63，F(xiàn)0.1(3,9)=2.81。

在正交實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)值越大則對周期傳輸電荷量的影響對應(yīng)也越顯著。F0.01>F>F0.1時(shí)，該因素影響顯著；F>F0.01時(shí)，該因素影響特別顯著。通過與F分布臨界值相對比發(fā)現(xiàn),管徑R的F=22.15，大于臨界值F0.01，為特別顯著的因素，而通過對比載氣流速的F臨界值發(fā)現(xiàn)，此2種因素間管徑為更加顯著因素，在本文實(shí)驗(yàn)中，以傳輸電荷量為目標(biāo)，可以看出最佳的管徑和載氣流速分別為11 mm，0.05 L/min。

表2 方差分析表

4 結(jié)果討論

隨著載氣流速增加，絲狀放電結(jié)構(gòu)減小，使得放電強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致與電場強(qiáng)度有關(guān)的K減小，即Cd減小，斜率KAB增加，與圖5的Lissajous圖像結(jié)論一致。為了進(jìn)一步證明圖形的正確性，根據(jù)表1中的電容電壓UC2(電荷量與電容的比值)數(shù)據(jù)分析，得到圖6，電容C2電壓值隨流速的增大而減小，而電容C2轉(zhuǎn)移電荷量Q正比于電壓UC2，所以，Q減小，根據(jù)DBD諧振特性，在此頻率下，發(fā)生器負(fù)載電壓U隨氣流速度增大而增大，即總電容C=Q/U的值下降，這與圖5所得的斜率信息一致，在表1中，不難看出，當(dāng)管徑一定時(shí)，載氣流速增加后，轉(zhuǎn)移電荷量減少，正如Lissajous面積圖像對應(yīng)的規(guī)律，隨著載氣流速的增加，放電功率減小。除此之外，還可以推論在相同載氣流速下，不同外加電源電壓放電功率，由放電功率理論知

(8)

式中Up為驅(qū)動電源電壓的幅值；Umin為維持放電的閾值電壓。當(dāng)載氣流速、介質(zhì)材料和驅(qū)動電壓頻率一定時(shí)，總電容隨外加電壓增大而增大的，即增大Up則會使得功率P增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，還可猜測氣隙等效電容在載氣流速的情況下呈減小趨勢。

圖6 氣流速度對電容C2兩端電壓的影響

5 結(jié) 論

根據(jù)不同條件下放電電容特性曲線分析結(jié)果，介質(zhì)等效電容Cd隨載氣流速的增大而減小，并通過了Lissajous圖形方法功率特性的研究和公式推導(dǎo)進(jìn)行了進(jìn)一步的證明；根據(jù)不同載氣流速下的功率特性圖分析，表明了放電功率P隨載氣流速的增加而減小，本文還推導(dǎo)出了放電功率P隨放電驅(qū)動電壓的增大而增大；通過電荷的轉(zhuǎn)移數(shù)量實(shí)驗(yàn)研究，本文設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)表明了放電管徑比載氣流速對放電特性的影響相對要大，同時(shí)得到了最佳的轉(zhuǎn)移電荷量的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；DBD工作效率的提高可通過盡量選用更高的放電驅(qū)動電源或者減小載氣的流速實(shí)現(xiàn)；對于同軸介質(zhì)阻擋放電的研究，未來的研究方向還可以從電介質(zhì)系數(shù)、針尖曲率、載氣種類對放電功率影響的機(jī)理方面進(jìn)行研究； 準(zhǔn)確的研究介質(zhì)等效電容和電荷轉(zhuǎn)移尤其對于離子源的離子化效率理解具有巨大意義。

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Research on power and equivalent capacitance characteristics of coaxial dielectric barrier discharge*

LIU Yong， YU Jian-cheng， ZHANG Jun-liang， WU Huan-ming， GAO Wen-qing

(Faculty of Electrical Engineering and Computer Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Based on needle-to-cylinder discharge structure，use Lissajous method,influences of the dielectric barrier discharge diameter and the flow velocity of carry gas change on the changing of discharge power and equivalent capacitances of dielectric are studied; an orthogonal experiment is designed,in order to study significant influence of flow velocity of carrier gas and discharge diameter on periodically transmitted charge.The results show that discharge power and equivalent capacitances of dielectric tend to decrease with the increasing of the flow velocity of carrier gas; with the increase of discharge diameter,the equivalent capacitance of dielectric decreases.In the orthogonal test,theFvalue of the tube size is 22.15,which means flow veloctiy of carrier gas has more significant influence on transfmitted charge.

cylinder-needle;dielectric barrier discharge; transmitted charge quantity; Lissajous graph; equivalent capacitance

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0045—04

2017—06—27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61501273，11504189)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY16B050002)；寧波大學(xué)王寬誠幸?；鹳Y助項(xiàng)目

TM 215

A

1000—9787(2017)08—0045—04

劉 勇(1993- )，男，碩士，主要研究方向?yàn)榫軆x器，E—mail：1511082714@nbu.edu.cn。