大氣壓氣體放電電磁輻射特性研究*

關(guān)銀霞

(中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266104)

0 前言

大氣壓氣體放電低溫等離子體技術(shù)由于高效靈活的優(yōu)勢(shì),近年來在環(huán)境污染治理[1-4]、生物醫(yī)學(xué)[5-7]及材料改性[8,9]等應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛研究。氣體放電過程主要由大量氣體分子在外部能量的激勵(lì)下發(fā)生一系列的激發(fā)電離過程,進(jìn)而形成具有高能量、高反應(yīng)活性的低溫等離子體[10]。外部能量驅(qū)動(dòng)氣體分子電離過程具體表現(xiàn)為放電空間的高電離度流注體具有瞬變特點(diǎn),氣體放電過程通常伴隨有一定程度的電磁輻射,因此電磁輻射是與氣體放電微觀電離過程緊密相關(guān)的一種能量轉(zhuǎn)化途徑[11,12]。因此進(jìn)一步了解氣體放電與電磁輻射的作用關(guān)系及電磁輻射特性及輻射規(guī)律,并探究電磁輻射抑制方法尤為重要。

目前針對(duì)氣體放電過程電磁輻射特性方面的研究主要集中在電磁輻射特性診斷、分析及模擬[13-17]。劉浩,等[18]通過模擬高空低氣壓下飛行器表面電暈放電過程的電磁輻射特性,確定了30 MHz及170 MHz的電磁輻射頻譜分布特征,通過探究電壓極性、氣體壓力和測(cè)距等條件對(duì)輻射特性的影響,發(fā)現(xiàn)放電過程中電磁脈沖輻射電場(chǎng)在600 ns時(shí)域范圍內(nèi)呈振蕩衰減模式,在4～3 kPa氣壓范圍內(nèi)電磁輻射幅值與氣壓呈負(fù)相關(guān)。歐陽吉庭,等[19]在針-環(huán)式負(fù)電暈放電條件下發(fā)現(xiàn),電磁輻射頻譜在小于100 MHz的頻率范圍內(nèi)與電壓和電流變化無關(guān),而電磁輻射頻譜分布及幅值主要由電流脈沖的上升沿決定。Wang,等[20,21]利用偶極輻射模型探究多針負(fù)電暈放電電磁輻射特性,通過對(duì)比單針電暈放電和多針電暈放電的電磁輻射特性,發(fā)現(xiàn)多針負(fù)電暈之間存在抑制現(xiàn)象,但電暈放電過程的電磁輻射頻譜分布特征與多針結(jié)構(gòu)無關(guān)。此外,電氣鐵路系統(tǒng)中的局部電弧放電同樣存在電磁輻射現(xiàn)象,何成功,等[22]對(duì)電力機(jī)車頂部受電弓與供電牽引網(wǎng)之間的電弧放電電磁輻射特性進(jìn)行研究并分析其產(chǎn)生機(jī)理,確定了交流電弧近陰極效應(yīng)產(chǎn)生的電子堆振蕩對(duì)理線電弧微波段輻射存在明顯干擾,且輻射頻率與氣體電離度成正比。Bojovschi,等[23]研究了聚合物、環(huán)氧樹脂和陶瓷3種電力工業(yè)絕緣材料局部放電的電磁輻射特性,發(fā)現(xiàn)絕緣材料局部放電過程的電磁輻射取決于光強(qiáng)分布、絕緣介質(zhì)材料及結(jié)構(gòu)等。目前針對(duì)氣體放電電磁輻射研究多是基于輸電線電纜產(chǎn)生的局部電暈放電,而應(yīng)用更為廣泛的絲狀放電過程的電磁輻射特性研究報(bào)道較少。

本研究初步對(duì)比分析了刷狀放電和絲狀放電條件下的電磁輻射分布特征,并在此基礎(chǔ)上探究了電壓、頻率及結(jié)構(gòu)特征對(duì)不同放電模式電磁輻射特性的影響規(guī)律,為氣體放電電磁輻射控制提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣體放電和電磁輻射在線測(cè)量2部分組成,如圖1所示。氣體放電部分主要包括高壓交流外部驅(qū)動(dòng)電源(南京蘇曼)和等離子體發(fā)生器,其中等離子體發(fā)生器主要由介質(zhì)阻擋放電裝置和針-板式電暈放電裝置組成,介質(zhì)阻擋放電裝置以不銹鋼平板分別作為高壓電極和低壓電極,以1 mm厚的石英作為阻擋介質(zhì),放電間距為5 mm;針-板式電暈放電裝置以不銹鋼針電極作為高壓電極,以銅板作為低壓電極,放電間距為5 mm,氣體放電過程的電參數(shù)通過高壓探頭(Tek 6015A)和羅氏線圈(Pearson 2075)實(shí)時(shí)測(cè)量。電磁輻射在線測(cè)量部分主要利用電磁輻射計(jì)(Rohde &Schwarz FSL)實(shí)時(shí)測(cè)量放電過程中的電磁輻射信號(hào),電磁輻射測(cè)量波段設(shè)置為6～300 MHz,測(cè)量位點(diǎn)距離放電區(qū)域5 cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 結(jié)果及討論

2.1 不同放電模式電磁輻射特性

不同氣體放電模式下伴隨的微觀放電過程存在較大差異,為充分探究不同放電模式過程中的電磁輻射特性,實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了高壓交流電源分別驅(qū)動(dòng)針-板式電暈放電、介質(zhì)阻擋放電條件下電磁輻射特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。圖2為高壓交流電源驅(qū)動(dòng)介質(zhì)阻擋放電和針-板式電暈放電的放電圖像,可直觀的看出介質(zhì)阻擋放電區(qū)域以絲狀放電模式為主,針-板式電暈放電區(qū)域則以由針電極向平板電極擴(kuò)散發(fā)展的刷狀放電模式為主。圖3為2種不同放電模式所對(duì)應(yīng)的電磁輻射分布,通過對(duì)比2種放電模式電磁輻射信號(hào)發(fā)現(xiàn),在頻譜分布方面,絲狀放電過程的電磁輻射信號(hào)在6～150 MHz范圍內(nèi),呈特征譜峰分布,而刷狀放電電磁輻射頻譜范圍相對(duì)較小,在6～74.2 MHz頻譜范圍內(nèi),呈特征譜峰分布。在電磁輻射頻譜范圍內(nèi),絲狀放電電磁輻射特征譜峰較多,最大電磁輻射在頻率為61.3 MHz頻譜位置,而刷狀放電最大電磁輻射在頻率為12.5 MHz頻譜位置。

圖2 不同放電模式圖像

2.2 絲狀放電電磁輻射影響因素

2.2.1 電壓對(duì)絲狀放電電磁輻射影響

圖4為在高壓電源頻率為9.5 kHz的條件下,外施電壓分別為30.62,32,34.2,37.1,41.4 kV時(shí)絲狀放電電磁輻射特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,特定頻率條件下絲狀放電電磁輻射頻譜分布不隨外加電壓的增加而變化,絲狀放電電磁輻射在6～147 MHz頻譜范圍內(nèi)的特征譜峰未有明顯改變。在考察的實(shí)驗(yàn)條件下,電磁輻射相對(duì)強(qiáng)度約為9～18 dBm,其中在頻率為61.3 MHz頻譜位置時(shí),電磁輻射強(qiáng)度相對(duì)較大,約為18 dBm;隨著電壓增加,電磁輻射相對(duì)強(qiáng)度呈微弱降低,在110～150 MHz頻譜范圍內(nèi)的特征頻譜強(qiáng)度下降幅度約為3 dBm,而在其他頻譜范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度變化不明顯。由于放電過程電磁輻射與放電模式關(guān)系密切,在絲狀放電過程中,電壓的增加對(duì)放電模式并未有顯著影響,放電空間始終以高電離度的瞬變流注體為主放電模式,因此絲狀放電過程中電壓的增加對(duì)電磁輻射特性并未有顯著影響。

圖4 不同電壓下絲狀放電電磁輻射特性

2.2.2 頻率對(duì)絲狀放電電磁輻射影響

圖5為在高壓電源外加電壓為30 kV條件下,頻率分別為8,8.5,9,9.5,10 kHz時(shí)絲狀放電過程電磁輻射特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在外加電壓確定的條件下,絲狀放電電磁輻射頻譜分布及輻射強(qiáng)度均不隨外加頻率的變化而變化。在所考察的實(shí)驗(yàn)條件下,電磁輻射相對(duì)強(qiáng)度約為9～20 dBm,其中在頻率為61.3 MHz時(shí)累積信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度最大,約為20 dBm。與電壓對(duì)絲狀放電電磁輻射特性的影響規(guī)律類似,在所考察的頻譜范圍內(nèi),頻率的增加并未改變絲狀放電模式,因此對(duì)放電過程的電磁輻射特性未有顯著影響。

圖5 不同頻率下絲狀放電電磁輻射特性

2.3 刷狀放電電磁輻射特性影響因素

2.3.1 電壓對(duì)刷狀放電電磁輻射影響

圖6為在高壓電源放電頻率為7.5 kHz的條件下,外施電壓由10.2 kV增加至30.4 kV的過程中刷狀放電電磁輻射特性變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在所考察的電壓范圍內(nèi),刷狀放電過程電磁輻射累積信號(hào)頻譜分布不隨電壓的增加而變化,而電磁輻射累積信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度隨電壓的增加而增大。電磁輻射累積信號(hào)強(qiáng)度約為5～22 dBm,其中在頻率為11 MHz頻譜位置電磁輻射強(qiáng)度相對(duì)較大。隨著電壓由10.2 kV增加至30.4 kV,刷狀放電電磁輻射在頻率為11,26,60 MHz頻譜位置輻射強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了15,17,12 dBm。在刷狀放電狀態(tài)下,電壓的增加能夠有效促使刷狀電離區(qū)域向平板電極發(fā)展,刷狀電離區(qū)的發(fā)展使放電空間電離區(qū)域增大、電離度提高,推測(cè)可能是由于電離度的增強(qiáng)導(dǎo)致刷狀放電電磁輻射強(qiáng)度增大。

圖6 不同電壓下刷狀放電電磁輻射特性

2.3.2 頻率對(duì)刷狀放電電磁輻射影響

圖7為在高壓電源電壓為29.4 kV的條件下,頻率分別為7.5,8.5,9.5 kHz時(shí)刷狀放電電磁輻射特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,刷狀放電電磁輻射累積信號(hào)頻譜分布不隨頻率的改變而變化,而刷狀放電電磁輻射強(qiáng)度隨頻率的增大而減小。當(dāng)頻率由7.5 kHz上升至9.5 kHz過程中,刷狀放電電磁輻射在頻率為11,26,60 MHz頻譜位置的輻射強(qiáng)度分別降低了3,1,7 dBm。理論上,在放電電壓確定的條件下,頻率的增加會(huì)使得單位時(shí)間內(nèi)注入放電區(qū)域的激勵(lì)能量增加,在此基礎(chǔ)上誘發(fā)更為強(qiáng)烈的電離過程,而由放電頻率增加而誘發(fā)的電離度增加并未引起刷狀放電電磁輻射強(qiáng)度的增加,反而由于頻率增加對(duì)電磁輻射強(qiáng)度存在抑制效果,具體內(nèi)在影響規(guī)律有待進(jìn)一步研究分析。

圖7 不同頻率下刷狀放電電磁輻射特性

2.4 陣列結(jié)構(gòu)對(duì)氣體放電電磁輻射影響

圖8為在高壓電源頻率為9.5 kHz、電壓為30 kV的條件下,氣體放電區(qū)域分別為一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)及四區(qū)時(shí)的電磁輻射特性,其中單個(gè)放電區(qū)域尺寸約為50 mm×4 mm。隨著放電區(qū)域的增加,絲狀放電電磁輻射累積信號(hào)頻譜范圍分布由6～148 MHz擴(kuò)大至6～300 MHz,其中6～147 MHz范圍內(nèi)的頻譜分布特征未有明顯改變,而在159～311 MHz頻譜范圍內(nèi)程寬譜帶分布特征,同時(shí)增加頻率為172 MHz和289 MHz頻譜位置的特征輻射信號(hào),電磁輻射相對(duì)強(qiáng)度隨著放電區(qū)域的增加也有所提升。隨著放電區(qū)域的增加,會(huì)增加氣體放電面積進(jìn)而提高電磁輻射累積信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度;此外,不同放電區(qū)域的放電微通道產(chǎn)生的電磁輻射可能存在互相干擾,可能是導(dǎo)致電磁輻射范圍增大的一個(gè)因素。

圖8 不同放電區(qū)域絲狀放電電磁輻射特性

3 結(jié)論

本文對(duì)大氣壓條件下不同放電模式電磁輻射特性及影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:

a) 氣體放電電磁輻射頻譜范圍大致為6～150 MHz,其中以6～50 MHz范圍內(nèi)的電磁輻射信號(hào)較為強(qiáng)烈且呈隨機(jī)分布狀態(tài)。

b) 電磁輻射分布特征主要取決于氣體放電模式,絲狀放電電磁輻射主要在6～150 MHz范圍內(nèi)呈特征譜峰分布,刷狀放電電磁輻射主要在6～72.4 MHz范圍內(nèi)呈特征譜峰分布。

c) 電壓、頻率對(duì)絲狀放電電磁輻射分布及輻射強(qiáng)度無顯著影響,而刷狀放電電磁輻射強(qiáng)度隨電壓的增加而增大,隨頻率的增加而減小;絲狀放電電磁輻射強(qiáng)度隨著放電區(qū)域的擴(kuò)大也有所增加。

d) 所探究的大氣壓氣體放電主要表現(xiàn)為高頻及甚高頻的電磁輻射,針對(duì)該波段的電磁輻射主要控制措施為場(chǎng)源屏蔽、距離防護(hù)及合理布局。在能效優(yōu)化方面,由于絲狀放電模式下電磁輻射范圍及強(qiáng)度相對(duì)較大,因此如何抑制氣體放電過程中的絲狀放電,是值得進(jìn)一步探究的方向。