多針電極雙極電暈放電參數(shù)優(yōu)化

0多針電極雙極電暈放電根據(jù)電極結(jié)構(gòu)，電頭暈放電分為直管式、直管式和針式。廣泛應(yīng)用于我國。上世紀(jì)初,湯生給出線筒式電暈放電伏安特性近似解,其他學(xué)者發(fā)現(xiàn)針對板負電暈放電具有類似的經(jīng)驗公式。本實驗室研究了多針對板電暈放電伏安特性關(guān)系,在不影響放電穩(wěn)定性,放電能量密度較高時,優(yōu)化確定了多針對板電暈放電的電極間距。在此基礎(chǔ)上,提出了多針電極雙極電暈放電,伏安特性研究中確認這種放電方式可以提高放電能量密度和放電穩(wěn)定性。多針電極的針尖間距分為橫向針尖間距和縱向針尖間距,本文只考察在一條直線上單排針的針尖間距對放電功率密度的影響。放電功率密度指兩種含義:放電功率(測得外施電壓與放電電流的乘積)P與針數(shù)n和相鄰針尖間距s乘積之比即P/ns;放電功率與電極間距d之比即P/d。因雙極電暈放電電極結(jié)構(gòu)對稱,高壓端為正或負的雙極電暈放電的伏安曲線較為接近,包括火花擊穿電壓也較為接近。本文只考慮高壓端為正高壓的直流電暈放電,改變s和d,分析放電功率密度的變化,從而得出提高它的有效方法和結(jié)果,進而確定多針電極雙極電暈放電的優(yōu)化電極間距。1放電電流檢測電路實驗裝置和實驗條件同文中的相似,區(qū)別于前期工作,本文研究的電極結(jié)構(gòu)為多針對多針,即高壓端和地端均為等間距分布在一直線上的10根針,放電反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)見圖1。正直流高壓電源的電壓從0～60kV連續(xù)可調(diào);s≥5mm可調(diào);d≥5mm可調(diào);分辨率為10μA誤差為0.8%的微安表用于檢測放電電流;TekP6015A型分壓器和HP54503型示波器檢測外施電壓。典型的多針電極雙極電暈放電伏安曲線見圖2,其s為15mm,針尖半徑a為0.1mm,d從左向右依次為25、30和35mm。每條曲線右端為接近火花放電處的電壓和電流值,同一般的電暈放電相似,在外施電壓均勻上升的條件下(每次1kV),放電電流上升幅度逐漸增大,上升曲線光滑,可見該放電方式能在一定的電壓范圍內(nèi)保持正常的電暈放電。在相同的外施電壓下,隨著d的增大,放電電流明顯減小,并且擊穿電壓有相應(yīng)的提高。相對于線板式或線筒式直流電暈放電,多針電極雙極電暈放電在相同反應(yīng)器體積內(nèi)能注入更大的放電能量。2結(jié)果2.1針尖間距的影響保持放電電極間距d不變,逐漸增大針尖間距,測得放電電流值,計算得到不同外施電壓下單針放電功率P/n與相鄰針尖間距s的關(guān)系見圖3。從上到下各曲線的外施電壓Uout分別為20、18和16kV,d均為30mm,s從8mm起以公差2mm等差增加到30mm后又取了40mm。d<8mm且變化時,由于相鄰針尖間距太近放電不穩(wěn)定,故不予考慮?？紤]放電穩(wěn)定,s必須大于一定值,當(dāng)d=30mm時,s至少>8mm。隨著針尖間距增大單針對應(yīng)的P/n隨之增大,但針尖間距增大到一定程度時P/n增大趨緩。當(dāng)針尖間距接近30mm時,單針放電的P/n增幅已經(jīng)較小,考慮單針放電功率大小,多針電極雙極電暈放電的優(yōu)化針尖間距一定<30mm?？紤]放電穩(wěn)定和單針功率大小,確定得優(yōu)化的s范圍在8～30mm之間。在圖3的基礎(chǔ)上,將每一點P/n均除以針尖間距s,得到圖4所示的放電功率密度P/sn與s的關(guān)系。當(dāng)s接近8mm時,放電功率密度較大,外施電壓較高時尤為明顯,但易發(fā)生火花放電。當(dāng)s較大時,總體上P/sn隨s的增大而減小。當(dāng)s在12～22mm之間時在相同外施電壓下P/sn變化不大,并且以s為16mm時P/sn最大。在考慮放電穩(wěn)定和單針功率大小的基礎(chǔ)上,再考慮放電功率密度大小,當(dāng)d=30mm時,確定優(yōu)化的s為16mm。2.2d20mm時放電功率的變化保持s不變,改變d,測得放電電流值,計算得到不同外施電壓下單針放電功率P/n與d之間的關(guān)系見圖5。相鄰針尖間距s均為15mm,從上到下各曲線的外施電壓分別為20、18和16kV。在相同的外施電壓下,隨d增加P/n明顯減小;在相同的d下,單針放電功率隨著外加電壓的增加而增大。圖6給出各放電功率和放電功率密度與d之間的關(guān)系,從上到下依次的曲線分別為:針尖間距s為15mm,接近火花擊穿時,測得的外施電壓和放電電流,計算得到最大可注入功率Pmax與d的關(guān)系、最大放電功率密度Pmax/d(即單位電極間距下最大可注入功率)與d的關(guān)系、外施電壓為13kV時放電功率P與d的關(guān)系。當(dāng)d≤20mm時放電不穩(wěn)定,所以圖6中只給出d≥20mm時放電功率以考慮電極間距的優(yōu)化,電極間距大則放電穩(wěn)定。同時由圖5、6可知,電極間距窄則放電功率密度大。注入的放電能量除了同電極間距相關(guān),還同外施電壓相關(guān)。圖6給出各電極間距下最大可注入功率和最大可注入功率密度,并在d約為32mm時達到極值,所以選擇該間距為優(yōu)化的電極間距。3不同放電功率對電導(dǎo)放的影響多針電極雙極電暈放電的放電穩(wěn)定性和放電功率密度在電極結(jié)構(gòu)上受3個參數(shù)a、s、d影響。實驗結(jié)果表明:a對放電穩(wěn)定性的影響較小,隨a減小放電穩(wěn)定性略有減弱;但a對放電功率密度影響較大,當(dāng)a在0.1～1mm內(nèi)變化,放電功率密度隨著a減小顯著提高,當(dāng)減至0.1mm以下,放電功率密度的增幅很小,兼顧放電穩(wěn)定性,實驗選取a為0.1mm。當(dāng)s較小時,針側(cè)面產(chǎn)生的電場相互抵消而明顯減弱,影響電子雪崩的發(fā)展,宏觀上表現(xiàn)為單針放電功率的降低。但s較小時針密度較大,使放電功率密度有增大趨勢;s較大時針密度減小,單針放電功率較大但放電功率密度減小。由以上分析結(jié)合實驗得到優(yōu)化的s為16mm。相對于多針對板電暈放電來說,本文研究的多針電極雙極電暈放電的雙極放電結(jié)構(gòu)具有其特殊性:在兩個電極間會有正負兩種電暈?zāi)Ｊ?在高壓針電極上發(fā)生正電暈,電子雪崩從電極間隙中某一點開始,由于電子運動較快,電子集中在雪崩的球狀頭部,正離子滯后于電子而在雪崩頭的后部,當(dāng)電子被陽極吸收后在間隙中留下了正離子并且它們的最大濃度在緊貼陽極附近;在另一針電極上發(fā)生負電暈,電子雪崩由陰極向陽極發(fā)展,雪崩產(chǎn)生的電子向陽極運動,電場衰減很快,電子速度減慢,被空氣中氧分子吸附的幾率大大增加,從而導(dǎo)致負離子的形成,使得正負電暈放電間產(chǎn)生預(yù)電離。因此多針雙極電極結(jié)構(gòu)比多針對板放電結(jié)構(gòu)具有更大的注入能量密度,且放電電流倍增于多針對板電暈放電。顯然,當(dāng)d增大時這種預(yù)電離作用減弱,宏觀上表現(xiàn)為放電電流和單針放電功率的減小,故d不宜過大;當(dāng)d較小時,火花擊穿電壓低,放電容易過渡到火花放電,放電不穩(wěn)定,限制了最大可注入功率密度的提高,因而