1. 引言
表面介质阻挡放电(SDBD)是一种重要的大气压放电形式,可在高气压下避免放电向电弧形式转变 [1] 。SDBD的激励器电极布置在物体表面,使得边界层气体分子加速或局部体积耗散加热,从而改变边界层的流场结构和物理特性,作为一种流动控制新技术,受到广泛关注 [2] [3] [4] [5] ;同时,由于SDBD生成臭氧的能量效率远高于其它方式,因此在臭氧生成、污水处理、环境保护等领域的应用也备受关注 [6] [7] [8] ;当在两极间施加一定频率的高压交流电时,间隙内的气体就会被电离,形成强烈的气体放电,从而产生高浓度的等离子体,等离子体产生的活性粒子在生物医学、纳米技术等领域起到关键作用 [9] - [18] ,因此如何获得较大功率的SDBD激励器受到了越来越多的关注。商克峰等 [19] 以具有螺环线形高压电极的管状沿面放电装置为对象,研究了装置结构及供电电源对其放电功率特性及臭氧生成的影响;Pekárek S [20] 研究了电压频率对空气中SDBD的放电功率和臭氧产生的影响;张颖等 [21] 为了研究SDBD反应器的臭氧产量及放电性能,以螺环型沿面放电作为研究对象,探讨了不同外加条件、电极结构对臭氧产量和沿面放电功率的影响;大连理工大学的李杰等 [22] 在石英玻璃筒上制作沿面放电等离子体发生系统,考察不同低压电极配置方法对臭氧生成和放电功率特性的影响。然而,目前大多数关于SDBD的研究对如何选择放电条件,设计激励器参数,从而改善放电功率特性,提高放电功率的研究尚没有达成统一认识。因此,对于SDBD相关特性和影响因素进行研究具有重要理论意义和应用价值。影响SDBD的因素很多,最常见的如电源参数、激励器参数、工作气体种类等。本文主要利用一台高频高压等离子体电源,以相对介电常数为5.85的环氧树脂作为阻挡介质材料,研究了外加电压幅值、电压的频率、介质的厚度和电极间距等因素对SDBD功率特性的影响。结合瞬时放电功率峰值图及放电图像进行分析,为表面放电激励器的参数设计以及SDBD的放电实验研究提供一些参考。
2. 实验装置和测量系统
放电实验在大气环境条件下进行,环境温度为20℃,气压98 kPa,实验装置和测量系统搭建在光学平台上。采用的电源为南京苏曼的CTP-2000K等离子体电源,输入电压0~220 V,频率50 Hz的交流电。输出波形为正弦波,输出电压0~30 kV连续可调,频率5~20 kHz连续可调,电源中心频率约10 kHz,电源功率为500 W。实验中采用的SDBD激励器结构如图1所示,高压电极宽度为2 mm,地电极宽度为4 mm,电极长度均为10 cm,电极间距为d。绝缘材料为环氧树脂,相对介电常数5.85,阻挡介质板的厚
度为t。为防止介质表面发生沿面闪络,制作激励器时将地电极用硅胶封装 [23] 。
实验电压通过Tektronix P6015A高压探头测量,可测电压范围0~40 kV,带宽75 MHz,分压比1000;放电电流通过Pearson Model 4100罗果夫斯基线圈测量,输出变比为1 V/A,测量峰值为500 A。为保持输入电流电压同步,探头电缆线均选用3 m的长度。电压电流信号经同轴电缆50 Ω匹配后分别送至Tektronix DPO2024示波器,其带宽和采样率分别为200 MHz和1 GS/s。放电图像采用数码相机Canon EOS70D拍摄,镜头为佳能EF-S 18~200 mm F/3.5-5.6 IS远摄变焦镜头,曝光时间均为1/25 s。
典型放电电压电流波形图如图2所示,SDBD的电流波形主要出现在电压的上升沿,且在正负半周期呈现出明显的不对称性,这是因为极性效应所导致的,即当电极的正负电性不同时,气体间隙的放电电压不同。波形中的尖峰是由于两电极气隙间的微放电造成的,同时微放电的持续时间很短,故时间上分布是不连续的,表现为一系列的电流脉冲。
3. 实验结果及讨论
3.1. 外加电压幅值对放电特性的影响
取电极介质厚度t = 1 mm,放电电极间距d = 4 mm,电压频率为10 kHz不变,分别在外加电压幅值为12、14、16、18 kV下进行SDBD实验。放电功率可根据测得的电压和电流得到,即
(1)
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Figure 1. Schematic diagram of surface dielectric barrier discharge actuators
图1. SDBD激励器结构示意图
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Figure 2. Typical waveforms of voltage and current
图2. 典型放电电压电流波形图
式中:u(t)为放电电压;i(t)为放电电流。
图3为外加电压幅值对瞬时功率峰值的影响曲线,图4是相应的放电图像。随着外加电压的升高,瞬时功率峰值逐渐升高。当外加电压幅值为12 kV时瞬时功率峰值仅为0.19 kW/m,此时的表面电极上仅有少量细小微放电通道零星分布;随着外加电压幅值提升到14 kV时,瞬时功率峰值上升到约1.76 kW/m,
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Figure 3. Influence of the applied voltage on the peak value of instantaneous power
图3. 外加电压幅值对瞬时功率峰值的影响曲线
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Figure 4. Discharge images at different applied voltage
图4. 不同电压幅值下的放电图像
与电压幅值为12 kV时相比,提升了约9.3倍。由放电图像可见,此时已经开始出现了较为密集的放电丝簇,放电通道数目增加且发光强度增强;当外加电压幅值升高到18 kV时,放电瞬时功率峰值升高至9.17 kW/m,与电压幅值为12 kV时的相比提升了近48.3倍。此时,放电丝簇非常密集,放电通道数目最多,已区分不出放电丝之间的间距,发光强度最强,远远强于12 kV时的零星光点,且分布更加均匀而接近弥散放电。这是因为外加电压幅值增大,会导致两电极气隙间的电场严重畸变,场强会随之增大,传导电荷能力增强,在放电有效区域内,相同时间条件下,电荷更容易积累到放电所需要的阈值,使放电现象更加明显。但是依然可以从电极边缘处存在的众多细小放电丝簇看出SDBD属于丝状放电,并没有达到完全均匀的放电模式。
3.2. 频率对放电特性的影响
取介质厚度t = 1 mm,电极间隙d = 6 mm,保持电压幅值14 kV不变,频率为8、9、10、11、12 kHz,得到的频率对瞬时功率峰值的影响曲线如图5所示。
介质厚度相同时,随着频率的升高,瞬时功率峰值呈线性增长,但随频率的变化率并不大。相同条件下,频率从8 kHz,升高至12 kHz时,瞬时功率峰值从0.26 kW/m升高至0.45 kW/m,仅上升了约0.19 kW/m。这是因为在电压幅值一定的情况下,频率越高,放电电压波形越陡,即电压随时间的变化率越大,更容易激发电离,从而使微放电电流脉冲峰值增大,进而使得瞬时功率峰值有较小程度的增长。由图6的放电图像可见,因为施加电压幅值较小,放电产生的丝簇整体都比较稀疏,放电通道数目不多,放电现象均不明显,此时的瞬时功率峰值也都相对较小。随着频率的升高,微放电通道的整体发光量增长较小,所以放电图像没有发生显著的变化,放电现象没有明显的改善。总体来说,频率对SDBD的功率特性影响程度不大。
3.3. 介质厚度对放电特性的影响
取电极间距d = 0 mm,保持电压幅值14 kV,频率10 kHz不变,介质厚度t = 1、2、3 mm,得到图7的介质厚度对瞬时功率峰值的影响曲线以及图8的放电图像。
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Figure 5. Influence of the voltage frequency on the peak value of instantaneous power
图5. 频率对瞬时功率峰值的影响曲线
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Figure 6. Discharge images at different voltage frequency
图6. 不同频率下的放电图像
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Figure 7. Influence of the dielectric thickness on the peak value of instantaneous power
图7. 介质厚度对瞬时功率峰值的影响曲线
在相同的外加电压幅值和频率下,介质的厚度越大,SDBD的瞬时功率峰值就越小。介质厚度t = 1 mm的激励器放电瞬时功率峰值约为1.77 kW/m,t = 2 mm的激励器放电瞬时功率峰值约为1.56 kW/m,t = 3 mm的激励器放电瞬时功率峰值约为1.21 kW/m,t = 3 mm时的瞬时功率峰值比t = 1 mm时减少了约0.56 kW/m,下降了约31.6%。从放电图像可见,放电通道的密集程度和均匀性随着介质厚度的增加而减弱,从t = 1 mm时的相对较密集且均匀分布,随着介质厚度的增加,放电通道数目减小,直到t = 3 mm时,有效放电区域和放电程度减至最小,发光强度明显减弱。这是因为在相同条件下,随着介质厚度增加,
两电极气隙间的外加电场场强减小,传导电荷的能力减弱,电荷积聚变困难,想要达到放电的条件更加不容易,从而导致瞬时放电功率峰值和放电剧烈程度的减小。
3.4. 电极间距对放电特性的影响
取介质厚度t = 1 mm,保持外加电压幅值14 kV,频率10 kHz不变,间距d = 0、2、4、6 mm。图9是瞬时功率峰值与电极间距的关系曲线以及图10的放电图像。相同条件下,瞬时功率峰值随电极间距的增加而减小。这是因为电极间距增大时,两电极间电场场强减小,同时,介质表面电场的垂直分量也减弱,使两极间的放电通道不容易形成。当电极间距由d = 0 mm增加到d = 2 mm时,放电瞬时功率峰值由1.86 kW/m下降到约1.38 kW/m,放电通道的数量也越来越少且变得稀疏;当电极间距继续增加到d = 4 mm时,瞬时功率峰值再下降到约1.01 kW/m,下降了约26.8%。由放电图像可见,随着电极间距的
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Figure 8. Discharge images at different dielectric thickness
图8. 不同介质厚度下的放电图像
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Figure 9. Influence of the electrode gap on the peak value of instantaneous power
图9. 电极间距对瞬时功率峰值的影响曲线
持续增大,放电通道的间隔增大,变得稀疏,放电的有效区域减小,丝簇状分布变显著,密集程度和发光强度逐渐减弱;电极间距由d = 4 mm增加到d = 6 mm,瞬时功率峰值下降到0.38 kW/m,减小了约62.4%,当电极间距增加到d = 6 mm时,微放电通道只在电极边缘处零散分布。
3.5. 讨论
SDBD激励器的电路原理图及等效电路图如图11(a)、(b)所示,根据放电特性有所不同,在外加电压没有达到起始放电阈值时,等效为Cd与Cg的串联,电路中没有传导电流,其中Cg为气隙等效电容,是暴露电极和电介质表面之间的等效电容,与气隙宽度有关,气隙宽度越大,Cg越小。介质等效电容Cd是电介质表面和封装电极之间的等效电容,是一个与介质厚度成反比的量。从介质阻挡放电的微观机理来看,Cd应与介质的有效面积,即SDBD面积成正比例 [24] ,通常Cg远小于Cd。当放电发生后,气隙不
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Figure 10. Discharge images at different electrode gap
图10. 不同电极间距下的放电图像
(a)
(b)
Figure 11. (a) Schematic representation of surface dielectric; (b) Equivalent circuit
图11. (a) SDBD激励器的电路原理图;(b) 等效电路图
再表现为电容,有放电电流出现,可以等效为有一定固定压降的电阻Rg。
当激励器参数和频率不变时,等效电路中的Cd和Cg为定值,增大外加电压幅值,从图4可见,放电间隙中的放电丝数目增多,介质表面布满放电细丝,放电通道数目逐渐增加,传输电荷的能力增强,瞬时功率峰值增大。当激励器参数和电压不变时,频率增大,Cd两端的电压不变,而Cd的阻抗随频率增大而减小,所以放电通道传输电荷的能力增强,以及电离效果增强,增加了离子间的碰撞频率,所以图5中的瞬时功率峰值线性增大。
外加电压和频率相等时,固定气隙宽度不变,介质厚度越大,由图8可见,放电通道的发光强度减弱,放电间隙丝状通道数目减少,导致放电的有效面积,即放电通道区域和地电极区域之间重叠的有效面积减小,介质等效电容Cd和串联的总等效电容减小,则瞬时放电功率峰值逐渐减小。相同条件下,只增大电极间距,气隙宽度增大,会使气隙的等效电容Cg减小,介质等效电容Cd保持不变,所以串联的总等效电容减小。同时,随着电极间距的增加,两电极间电场场强和放电通道数目减小,传输电荷的能力减弱,起始放电阈值增大。根据以上分析,在外加电压和介质等效电容Cd保持不变时,瞬时功率峰值可以构成以气隙宽度为自变量的非线性单调递减函数,因此瞬时功率峰值会随着电极间距的增加而减小,如图9所示。
4. 结论
本文以相对介电常数为5.85的环氧树脂作为阻挡介质,针对外加电压的幅值、电压的频率、介质厚度以及电极间距,在大气条件下对空气中SDBD功率特性进行了实验研究,并对实验结果进行分析,得到的结论如下:
1) 相同条件下,外加电压幅值越大,微放电通道数目增加,瞬时功率峰值越大,放电现象越发明显,放电丝密集均匀并接近弥散放电模式,但SDBD依然主要是丝状放电,并不能完全达到均匀的放电模式。且外加电压幅值对瞬时功率峰值和放电剧烈程度的影响尤为显著。
2) 相同条件下,随着频率的增长,瞬时功率峰值呈线性增长,但随频率的变化率较小,且频率对放电现象的影响也较小。
3) 相同条件下,介质的厚度增大,介质等效电容Cd越小,外加电场场强减小,导致在相同时间条件下电荷积聚困难,难以达到起始放电阈值,使放电不容易发生,从而使瞬时功率峰值减小。
4) 相同条件下,当电极间距减小时,气隙宽度增大,会使气隙的等效电容Cg非线性减小,两电极气隙间的外部电场会被削弱,放电通道不容易形成,放电发生就越困难,瞬时功率峰值减小。
5) 为了获得较大功率的SDBD激励器,激励器装置应选用厚度较薄的材料作为阻挡介质,电极距离应尽量设置为较小值,并选择最优的频率,同时在实验时尽可能提高外加电压的幅值。
基金项目
中央高校基本科研业务费(106112016CDJXY150003)资助项目。