（环境工程专业论文）非均匀电场中气固混和两相体电晕特性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 a b s t r a c t r e c e n t l v t 1 ed i s c h a r g ei nat w o p h a s em i x t u r eh a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s ，a n di t h a sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t i ne n v i r o n m e n t a lt r e a t m e n t s n l er e s e a r c ho nt h ed i s c h a r g ei n at w o - p h a s em i x t u r ei sh e l p f u lt ok n o w t h ep h v r s i c a lm e c h a n i s mi nt h ed i s c h a r g ep r o c e s sa n d m ee f r e c to ft h es o l i dp a r a m e t e r so nd i s c h a r g e ，a n da c c e l e r a t e st h ea p p l i c a t i o no fd i s c h a r g e t e c h n i q u e i nt h i sa r t i c l et h ep h e n o m e n aa n dm e c h a n i s mo f c o r o n a d i s c h a r g e i ng a si ss u m m a r i z e d ， a n dt h ec o r o n ac h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s s o l i dm i x t u r ei nn o n u n i f o r l ne l e c t r i c f i e l da r e r e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t s n l ee r i e c to ft h ev o l u m er a t i oa n dp e r m i t t i v i t yo nc o r o n ao n s e t v o l t a g eo f m i x t u r ei ss t u d i e d ，a n dt h ec o r o l l ac h a r a c t e r i s t i co fg a s s o l i dm i x t u r ea n dg a si s c o m p a r e d a sw e l l e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a r e st h a t ：1 ) i nd c o ra c v o l t a g e ，t h ec o r o n ao n s e tv o l t a g eo f g a s s o l i dm i x t u r ed e c r e a s e s w h e n 山ev o l u m er a t i oi n c r e a s e s 2 ) i nd cv o l t a g e ，i ft h e g a s s o l i dm i x t u r eh a sa l o wv o l u m er a t i o ，t h en e g a t i v ec o r o n ao n s e tv o l t a g ei sl o w e rt h a n t h ep o s i t i v ec o r o n ao n s e tv o l t a g e ，b u ti ft h eg a s s o l i dh a sah i g hv o l u m er a t i o ，t h en e g a t i v e c o r o n ao n s e tv o l t a g ee x c e e d st h ep o s i t i v ec o r o n ao n s e tv o l t a g e t h ec r i t i c a lv a l u eo fv o l u m e r a t i os h o u l db er e s e a r c h e di nn e x te x p e r i m e n t s 3 1i nd cv o l t a g e ，t h ep o s i t i v ec o r o n ao n s e t v o l t a g eo fg a s s o l i d m i x t u r ec o n s i s t e do fh i g h e rp c r m i t t i v i t ym a t e r i a li sl o w e rt h a nt h a t c o n s i s t e do fi o w e rp e r m i t t i v i t ym a t e r i a l 、b u ti nt h ec a s eo f n e g a t i v ep o l a r i t y , t h ec o n v e r s ei s t r u e 4 、i na c v o l t a g e t h ec o r o n ao n s e tv o l t a g eo f t h eg a s s o l i dm i x t u r ec o n s i s t e do fh i 【g h e r p e r m i t t i v i t ym a t e r i a li sh i g h e rt h a nt h a tc o n s i s t e do fl o w e rp e r m i a i v i t ym a t e r i a l b u tt h e d i f f e r e n c eo ft h ev a l l i e si sn o ts od i s t i n c ta st h a ti nd cv o l t a g e 5 1i nd cv o l t a g e t h e n e g a t i v ec o r o n ao n s e tv o l t a g eo fg a s s o l i dm i x t u r ei sh i g h e r t l a nt h a to f a i r , b u tt h ep o s i t i v e c o r o n ao n s e tv o l t a g eo f g a s s o l i dm i x t u r ea p p e a r sd i f i e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sw h e nc o m p a r e d w i t ht h ec o r o n ao n s e tv o l t a g eo f g a s i nt h ec a s eo fp o s i t i v ep o l a r i t y , i f t h eg a s s o l i dm i x t u r e h a sal o wv o l u m er a t i o t h ec o r o n ao n s e tv o l t a g eo f g a s s o l i dm i x t u r ei sh i g h e rt h a nt h a to f a i r w h e nt h ev o l u m er a t i og e t sg r e a te n o u g h ，t h ec o r o n ao n s e tv o l t a g eo f g a s s o l i dm i x t u r e i sh i g h e rt h a nt h a to ft h ea i rw h e nt h eg a di n t e r v a li ss h o r t e rt h 姐ac r i t i c a lv a l u e ，b u tw h e n t h eg a pi n t e r v a le x c e e d st h ec r i t i c a lv a i h e t h ec o r o n ao n s e tv o l t a g eo f g a s s o l i dm i x t u r ei s l o w e rt h a nt h a to f t h ea i r k e y w o r d s ：t w o p h a s em i x t u r e d i s c h a r g e c o r o n a i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：枷- 如脊 日期：z d 口卢年于月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密圈。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：移啦水 日期：2o 。f 年f 月g 日 指导教师签名：吾零移 小 日期：刎年广月扩日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 前言 1绪论 电子从电场中获得能量后与原子、分子碰撞而引起放电现象，除了伴随着产生声、 光、热效应之外，还会引起物质电性能的改变以及物质结构成分的变化等多种效应。 因此，放电技术不仅是电工绝缘、开关技术、雷电防护等方向的重要基础，同时也逐 渐成为了许多新兴学科和高新技术的基础。近年来，放电技术在激光、微电子加工、 材料制备、生物医学、等离子体化学、环境污染治理等许多领域得到应用。 长期以来，国内外关于放电现象的研究大多以单一的气态介质、液态介质、固态 介质或它们的分界面为研究对象，而关于多相体特别是气固两相体中放电的研究很少。 多相体一般是指含有多种状态物质的混和物，具体来说，混和两相体是指大量固体或 液体颗粒悬浮于气体中，并且分界面在时间空间上不固定组成的混和体。华中科技大 学叶齐政副教授对非均匀电场中混和两相体的局部电场分析分别提出了偏心偶极子模 型，建立了一种新的近似解析算法，并对混和两相体在水处理中的应用进行了研究， 但研究局限于气液混和两相体。静电除尘器与静电喷雾器中的放电是混和两相体的放 电现象，但是其设计方案由于没有考虑颗粒间的相互作用，使得颗粒周围局部电场的 分析过分简化，实际上是按空气中放电的理论完成。虽然近年来有学者研究过尘埃等 离子体的聚集、运动、荷电等问题，但只是从动力学的角度来研究，而非从气固两相 体的角度来分析放电问题i i , 2 。 随着放电等离子体在材料、化工、环保等领域应用的不断扩大，对气固两相体放 电问题的研究越来越迫切。例如，利用空气、污水、固体催化剂组成的气固液三相体 中的放电，可以发展成一种放电等离子体水处理的新方法，国内外许多学者进行了大 量的研究工作。- 5 1 ，具有极好的应用前景；利用反应气体和固体催化剂组成的气固两相 体中的放电现象实现等离子体催化反应，发展出一系列化学反应新工艺或者有害气体 的处理新技术”3 ；利用在特定气体和微小颗粒组成的气固两相体中的放电现象实现微 粒的表面处理或者镀膜“1 ，从而获得具有特殊用途或特种功能的材料。这些极具前景 华中科技大学硕士学位论文 的应用方向，都需要解决一个共同的基础问题，即需要探明气固两相体中放电的发生、 发展的特点和规律以及影响因素。在工程应用的大多数实际结构中，电场都是不均匀， 因此研究非均匀电场中气固混和体电晕放电的规律与特性具有重要意义。 有鉴于此，对气固两相体电晕放电现象的研究将为气固两相体材料的绝缘特性和 击穿过程提供理论依据，同时为电工学科与环境科学、材料科学、等离子体化学等领 域交叉处的许多新学科生长点提供一条新技术途径和依据。 本章总结了与气固两相体放电现象相关的研究与应用情况，以及混和体放电中的 电晕放电现象，阐述了本课题的研究意义和主要内容。 1 2 与气固混和体放电现象相关的研究及进展 1 2 1 气体放电理论删 在阐明气体放电宏观特性和微观机理方面主要有汤森( t o w n s e n d ) 和流注两种近 似理论。汤森理论认为电子的碰撞电离和正离子的阴极表面电离是气体放电的基本因 素，并假定正离子对有效碰撞电离的贡献因其迁移率和平均自由行程小，积累的动能 不易达到电离阀值而忽略不计。根据这一理论对均匀电场给出了汤森自持放电判据 x ( e “一1 ) 1 。由于这个判据没有考虑空间电荷分布对电场的影响，使得它只适用于解 释低气压、短间隙条件下均匀电场中的放电现象。在总结了汤森理论的不足，并经过 大量的实验观测基础上，由l e o b 和m e e k 提出了另一种近似理论，即流注理论。按照 这个理论，由电子碰撞电离形成的电子崩在发展过程中，电子和正离子数随电子崩发 展的长度按指数规律增长，并且在头部形成快速运动的枝状流注，在光电离和热电离 的作用下多枝流注构成高电导的先导通道，当达到一定程度时，流注贯穿整个空间使 气体击穿。该理论考虑了光电离和空间电荷对放电发展的影响，能较好地解释较长间 隙下放电时延的问题与非均匀电场中的放电现象。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 介质阻挡放电1 9 i 介质阻挡放电，又称无声放电，是在放电间隙的两侧或者一侧的电极上喷涂上高 绝缘度、高介电常数的电介质薄层的放电现象。介质阻挡放电能掷制放电电流的无限 制增大，阻止了放电向火花放电或者弧光放电发展。在电极间旖加很高的交流电压时， 由于介质的作用，不会象空气下的火花放电那样发出巨大的击穿响声，因此称为无声 放电。介质阻挡放电一般用频率从5 0 h z 到i m h z 级的交流电压启动，是目前工业用合 成臭氧的主要方法之一。 1 2 3 混和体放电局部电场分析 混和两相体的局部电场分析对放电现象的研究是必不可少的基础工作，过去的研 究主要局限于少数颗粒和介质等简荤请况下的分析计算上“，而很少有对含有大量介 质颗粒情况下放电的局部电场进行分析。 华中科技大学叶齐政副教授对混和两相体放电问题及其应用做了进步的研究。 在对含单一颗粒电场的分析计算基础上，利用点偶极予模型解析计算了均匀电场中混 和两相体的局部电场，对非均匀电场中混和两相体的局部电场分析提出了偏心偶极子 模型，并解决了粒径具有一定分布的混和体有效介电常数的计算问题“。 1 2 4 气固两相体放电相关的应用研究 由于脉冲等离子体技术在去除有机污染物特别是难降解有机污染物方面有明显的 效果，基于等离子体化学和环境污染处理的目的，目前国内外许多研究者对气体中含 有粉尘、固体催化剂、金属介质时的放电现象进行了研究。 赵志斌等与t s u k a m o t o 等分剐研究了在利用脉冲放电等离子技术去除n n 时，热 电厂飞灰对去除n 0 x 的影响。一定占空比的粒径为u m 级的燃煤热电厂飞灰被吹到放电 区域中和待处理气体混和，以研究放电时飞灰对脱硝的影响。结果表明，放电区域飞 灰的存在，在有一定湿气的情况下，可以提高n o 。的去除率，而在干燥空气中，飞灰 华中科技大学硕士学位论文 对脱硝效果不明显“2 。”。大连理工大学的姜雨泽等为探讨脉冲放电脱硫和除尘结合的 可行性，研究了飞灰和水对脉冲放电脱硫的影响。实验表明，飞灰单独作用对脉冲放 电脱硫影响不大，但飞灰和水协同作用对脱硫有利“。另外，华中科技大学的李谦、 宁成等研究了脉冲等离子体烟气脱硫与除尘的协同效应，结果表明，正脉冲电晕下的 除尘效果优于传统静电除尘器的直流供能方式“。c l e m e n t s 等进行了用脉冲等离子体 技术同时去除模拟烟气中的s 吼、n o x 以及飞灰的研究，认为水的存在对脱硫脱硝具有 决定性意义“。 华中科技大学李胜利等研究了直径为5 m m 的y - - a 1 。0 。白色球状固体催化剂对脉冲 放电转化c 0 。为c o 的影响，并研究了电极中多介质球问的放电形态，定性分析了放电 光谱，理论分析了多介质球体系在均匀电场中介质球表面电场的分布，认为均匀电场 中介质球对电场的畸变非常严重，电场中最大场强和最弱场强均出现在介质球接触处 “”1 。河南电力试验研究所的黄兴泉等做了x 射线激励下固体介质内气隙放电的特征 研究。“。天津大学的张新平等做了颗粒引发真空间隙放电现象的研究，观察到真空间 隙颗粒引起的两种放电电流波形图，并对这两种放电与真空间隙击穿的关系进行分析 ”“。同济大学葛自良等做了空气中固体电介质上纳秒正脉冲表面放电过程的研究，采 用感光胶片作为阻挡介质的针一板放电系统，解析了空气中固体电介质上纳秒正脉冲 表面放电的形成过程，实验表明表面放电的形成存在着电压闽值。“。 m i z u n o 等对在两网状电极间填满3 m m 直径的强介电陶瓷小球的填充床进行了交流 放电，成功的获得了全电极间的非平衡等离子体而不向电弧放电转换，其放电形态是 由许多小的沿面和细丝状放电组成”。此后，其他研究者对这种填充床及其改进型， 如金属网电极改成介质阻挡放电，外施电压改用高频率交流或冲击电压等，在脱n o ，、 水处理等应用效果方面进行了许多比较研究“r 2 ”。g e u m 与m o o n 等人用铁电体小球填 充在电极之间观测到小球之间的放电现象，并应用于氧化脱硫中。h o l g e rr u s s 等人 观测了电极中介质球间的放电，并将三维电场简化为二维场，用有限元法进行了电场计 算。 高压静电除尘目前已经成为了工业除尘的主要方法之一，但为了研制更高效率的 除尘设备，仍有很多学者对其影响因素进行了深入研究。王元等对电除尘器电场分布 华中科技大学硕士学位论文 进行了计算”。冯国会等对静电除尘器电场分布规律进行了研究，采用数学分析法和 模拟电荷推导出超宽间距长芒刺静电除尘器电场分布的数学表达式”“。沈继东等对静 电除尘器高性能电晕极线进行了探讨，深入的研究了电晕极的几何形状、极板间距和 电晕线间距对静电除尘器伏一安特性的影响，从中找出了最佳的电晕极几何形状和最佳 的电晕极间距”“。 日本学者a s a n o 及其同事对含有单个丝状金属物的放电间隙的放电现象进行了一 系列研究，分析了丝状金属的长度和金属物在电场中的位置对起晕电压和击穿电压的 影响0 3 。 日本学者k u b u k i 对含有单个球状金属物的空气间隙中的放电现象进行了研究，计 算了均匀非均匀间隙中存在球状浮游金属物的电场分布，研究了电场起晕与击穿的形 态与发展过程，并推导了金属物位置对击穿电压的函数3 。 1 3 电晕放电现象及应用研究 1 , 3 1 空气中的电晕放电现象9 i 在不均匀电场中，在空气间隙完全击穿之前，曲率半径大的电极附近会发生电晕 放电现象，在黑暗中可以看见该电极周围有薄薄的发光层，有些像月亮的晕光，因此 将这种放电现象定名为“电晕放电”。电晕放电发生时，可以听到噬曦的声音，还可以 嗅到臭氧的气味，回路中的电流明显增加，达到了工程仪表可以测量的数值，但电流 绝对值还是很小，间隙仍保持其绝缘性能。 在电晕放电中，一般说来，电极的几何结构起着重要作用。电场的不均匀性把主 要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附 近，气体的发光也只发生在这个区域里。在这个区域之外，由于电场弱，不发生或很 少发生电离，电流的传导依靠正离子和负离子或电子的迁移运动。电晕放电的极性决 定于具有小曲率半径的电极的极性，如果曲率半径小的电极处于正电位，则发生的电 晕称为正电晕，反之称为负电晕。 华中科技大学硕士学位论文 形成电晕所需电场不均匀的程度与气体的种类有很大关系。在负电性的气体中( 如 气压为1 0 i p a 的空气) ，当电极为球平面构形，电极间隙为球半径时，可建立电晕 放电，若充以非负电性气体，则不会发生电晕放电现象。 电晕放电的电流强度取决于外加电压的大小、电极的形状，极间距离、气体的性 质和密度等。当两电极闻的电位差由零逐渐增大时，最初发生无声的非自持放电，这 时的电流很微弱，当电压增加到一定数值u c 时，放电电流突然增加到可以察觉的数值， 而且此时放电过程无需外电离因素来维持，这个电压u c 称为起晕电压。电晕放电开始 时，电极间电流从大约1 0 。4 a 突然增加到1 0 1 a ，同时在曲率半径较小的电极处出现朦 胧的辉光。 1 3 2 电晕放电的危害与应用 雨、雪等恶劣天气下，在高压输电线附近经常可以听到电晕的噬暾声，夜晚还可 看到导线周围有紫色晕光。很多高压设备上都会出现电晕，电晕的产生对设备带来很 多不利的影响。一方面，气体放电过程中的光、声、热等效应以及化学反应等都能引 起能量损失。另方面，在电晕放电的起始阶段及向击穿过渡的阶段，会出现放电的 脉冲现象，它是造成电磁波干扰的重要原因。另外，电晕放电还能使空气发生化学反 应，产生臭氧和氧化氮等产物，对设备产生腐蚀作用。因此，在电力传输以及高压设 备中应当尽量避免和限制电晕放电的发生。 电晕放电也不是只有危害性，很多时候我们可以利用电晕放电的一些特性，例如 电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度，利用电晕放电可以改善电场分布， 提高击穿电压等。 混和两相体中放电在很多领域都得到应用，特别是在环境治理方面有着可观的应 用前景，用电的方法进行气体污染和水处理已经有不少成功的例子。对混和两相体中 电晕放电现象的研究将有助于放电技术在环境治理等众多领域的应用。 事实上，电晕放电更多地用在环保、化工、材料以及农业等领域中，例如静电除 尘器，臭氧发生器、脉冲电晕法烟气脱硫脱硝、静电喷涂以及水果保鲜等，其中静电 华中科技大学硕士学位论文 除尘器已经成为工业除尘的主要方法之一“。脉冲电晕法脱硫脱硝因为成本较低，无 二次污染，能同时脱硫和脱硝，并且副产物可回收利用，中国、日本、俄罗斯等国都进 行了大量的研究工作，具有极好的应用前景1 “。另外，利用电晕对水果进行短时间 的放电处理，能使微生物大面积失活，杀灭细菌，能实现水果长途运输中的保鲜，而 且成本极低，具有很大的实用前景。 1 4 课题来源及本文的主要工作 混和两相体放电的研究既有利于人们对某些自然现象的认识和了解，也为掌握混 和两相体的绝缘特性和击穿过程提供理论依据，同时还为工业应用提供了一条新的技 术途径和依据。目前系统地研究气固混和两相体放电现象和基本规律及其与气体放电 现象的异同，在国内外尚未见报道，涉及气固混和两相体放电研究内容的领域包括对 介质放电的研究，混和体局部电场的研究等。气围混和两相体的放电研究无论是在理 论研究上还是实际应用中都是具有极大开创意义的研究方向。 本课题来源于国家自然科学基金重点资助项目( 5 0 2 3 7 0 1 0 ) ：混和多相体放电规律 及应用研究。本文旨在初步探明气固混和两相体中电晕放电现象的基本规律以及气固 混和两相体电晕放电与空气介质中电晕放电现象的差别。 本文的主要研究内容为： 1 通过实验观测研究在直流和交流电压作用下气固混和两相体放电的起始特 性、发展特性。 2 研究气固混和两相体中固相物的形状、粒径分布、占空比、介电常数等参数 对起晕电压的影响 3 研究气固混和两相体中气流、固流、两相流的流动状态( 主要考虑流速) 对 起晕电压的影响。 华中科技大学硕士学位论文 2 电晕放电的形态与机理 在电场不均匀的间隙中，最大场强通常出现在曲率半径小的电极表面附近，在其 它条件相同的情况下，电极曲率半径越小，最大场强就越大，电场也越不均匀。当电 场的不均匀程度达到一定程度时，电场中场强最大的区域已达到自持放电条件，而其 它区域的场强仍很低，使自持放电只能局限在间隙中场强最大的部分，这就是电晕放 电。 电晕放电起始于单个电子引起的雪崩，雪崩在电场强度最大的区域发展，即在电 极曲率半径最小的地方发展。为了发生电晕发电，雪崩必须满足一定的条件。当曲率 半径大的电极处的电场e 。与曲率半径较小电极处的电场e ，的比值e e ，足够大时，电 晕放电才能发生，“足够大”取决于电极的几何结构。 电晕的起始电压与其电极的极性有关，正电晕与负电晕呈现不用的特点，需要分 别就正电晕和负电晕进行分析。 2 1 正极性下电晕放电的特点及产生机理 正电晕是发生在电极阳极处气体中的局部放电，以尖一扳电极为例，正电晕是指 尖电极处于高电位时产生的电晕情况。电场中的空间电荷的迁移和积累对电晕的形态 和发展机理有很大影响。在脉冲电压的作用下，如果阳极施加的脉冲电压的幅值在几 个微秒内就衰减到一半时，放电间隙中正离子电荷的迁移和积累可以忽略。在直流电 压的作用下，电场中空间电荷大量的迁移和积累，对电场的分布和起晕有很大的影响。 因此需要分别对脉冲电压作用下和直流电压作用下的电晕进行分析。 2 1 1 脉冲电压作用下的正极电晕 当正电压脉冲加到尖电极时，最初的可探测的电离是具有丝状分支的流注，如图 2 l 所示。这时产生的流注与均匀场中产生的流注相似，但分支数目比均匀场中要多。 在非均匀场中，由于径向电场的存在，流注将沿径向发展，这增加了分枝的数目。如 华中科技大学硕士学位论文 果提高电压，流注将仍是放电的唯一形式，直过渡到电火花放电。 姜e 靠i 蜷e 图2 一i 流注发展示意图一 沿着放电通道的方向观察，随着时间的发展，流注伸长并且增多。当间隙距离很 小时，从电极发出的主流注只有少数几个分枝，逐渐增大间隙距离，从主流注出来的 分枝逐渐交多，但每个流注形成的面的长度逐渐变小。从垂直于放电通道的方向观察， 随着电压的升高，流注在电极轴向的长度线性增加，它很容易透入低场强区而达到对 面的平板阴极，不过这时的电压仍低于击穿电压的阀值。 当正流注强烈冲击阴极时，流注头部空间电荷之前电场很强，阴极将发射出电子， 后者向正流注加速，如果有足够的长度与时间，将有许多电子崩发生，它们使间隙的 电导率加强，当流注冲击到阴极时，电晕电流将出现跳变。 阴极上发生的强烈作用要产生一个返回的电离电位波，沿着这个或其它流注途径 流动，加强了通道中的正离子密度。这一电离电位被称为“逆行波”。在很长的间隙 中容易发现这一现象，这一过程一般持续几微秒。如果逆行波足够强烈，通道中的电 流将大为加强，它将不稳定而导致间隙全部击穿。 如果流注不能达到阴极触发逆行波，并且流注很分散时，许多流注分枝集中到阳 极附近，引起高密度电离的点，使得阳极上出现个很亮的点，从这里可能发展一个 性质完全不同的电离通道。当电压升高时，新的电离波发生，在长间隙中称为“先导 通道”，它比初级流注的电离更强。 而在非负电性气体中，较低电压就可发生先导通道，如果放电区域完全充以强负 电性气体甚至可以完全抑制先导通道的发生。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 直流电压作用下的正极电晕 在冲击电压作用之下，空间电荷没有足够的时间发生漂移和积累，如果间隙上加 以长时间的直流电压，情况则完全不同。空间电荷可以在电场中移动，有时积累为瞬 变的或稳定的空间电荷团，当这个空间电荷团稳定时，原来的电场就要发生畸变，形 成静态电压作用下的阳极电晕。如果进一步升高电压，将导致间隙击穿。 如果以半径很小的半球形作为阳极，它的半径r 将支配电场的分布和电场在阳极 表面处的大小；阴极为一平面，它离开阳极的最近距离为d ，图2 2 为阳极电晕典型 的起晕电压和间隙距离d 的关系，此时阳极为2 c m 直径的一个半球，如果d 保持不变 而逐渐提高电压，便可探测到电离现象和传导电流，最初的电离是一个瞬时的发光现 象，它的形状是稍有分枝的丝状线，如图2 2 ( a ) 所示，此时产生的丝状分枝和在脉 冲电压下得到的径迹完全相同，这就是流注。在稳定场下，流注以变化的频率发展， 流注的电流大小与它的长度成正比。当流注偶然地很短时，常被称为瞬爆脉冲，事实 上瞬爆脉冲仅是一个发展不完整的流注。最初观察到的电晕模式也是一个未充分发展 的流注，它倾向于在横向扩散。 者 崮 捌 堪 捌 il 、卢一 二；海藏光( f ) 啬穿藏光 f 3 ( 6 霹光警i 爹 妊彦 ( d ) 起瞻晦光 瓣 ( 6 ) l光 e l j 一 一舳 l i p 3 。 一( 曩 藏光 t 非电1l 区冀 o s【d1 5z 5 3 s 同篡臣冉d c l o 一。a o 图2 2 正电晕各种模式及火花击穿的阀值曲线 1 0 华中科技大学硕士学位论文 当电压进一步增加时，流注的发生更为频繁，趋于自持，直至全部瞬态活动停止， 并在靠近阳极表面处出现一个稳定的薄辉光层，如图2 2 ( b ) 所示，这个辉光导致一 个连续但涨落不定的电流。图中给出了这个电晕模式的起始和存在区域，当电压较高 时，电流上升，发亮的辉光区域在大小和强度两方面增加。 另一种瞬态放电的形式是突然发生的，这种放电形式有流注的特征，但它更为强 有力。这些流注很亮，而且产生一个很明显的噪音，它们与靠近阳极处的辉光同时发 展，如图2 2 ( c ) 所示，若进一步提高电压，最终将形成一个火花，从而导致完全击 穿。 电晕放电的平均电流与极间电压的关系如图2 3 所示。一般来说，在较低电压下， 电流的数量级约为l o 1 3 a ，这些电流是由外界电离源产生的电子和离子引起的。当增加 电压时，电流开始缓慢的增加，这标志着电离的起始。在此之后是电流的突然和迅速 增加，这是电子碰撞所引起的电离雪崩使电荷载流子数目指数式增长而导致了非自持 放电电流的增加。这两个相当于全伏一安特性曲线中的饱和电流和汤森放电区域。 一 干螺空气 1 p l o s p - | n l j j 0 ，j 1 o ts 1 2 t 62 0 电压v t , k v ) 2 3 尖一板电极正电晕的伏安特性曲线 华中科技大学硕士学位论文 而后。断续的流注脉冲使可测量的平均电流增到1 0 1 a ，这些脉冲的频率可从起始 时的每秒5 1 0 次增加到辉光过渡时的每秒几千次。单个脉冲的电流服从统计分布， 幅值变化很大，最大值可达0 3 m a ，具体参数取决于电极曲率、气体种类以及气压大 小等各种参数。 当放电从流注向稳定辉光过渡时，电流逐渐增加，当击穿流注发生时，电流继续 增加，因此图中的电流曲线有稍微的不连续性。 2 2 负极性下电晕放电的特点及产生机理 当曲率半径小的电极作为阴极时，发生的电晕称为负电晕。负电晕也需要考虑电 场中的空间电荷的迁移和积累对电场的影响。 2 2 1 脉冲电压作用下的负极电晕 当一个负的电压脉冲加到尖电极上时，产生的电离过程不受任何空间电荷积累的 影响。 若在平行于尖电极轴的位置上观察电迹径的照片，可以看到羽毛状的放电迹径， 其强度逐渐地下降，且它们的边界是模期不清的。 与正流注相比，负羽毛状的电晕要在更高的电压下才起始，其迹径在径向和轴向 的传播相对都比较馒，因此在同样的电压下，与正流注相比，羽毛状的电晕传播的数 目一般不超过l o 个，而正流注可达到至少3 0 0 到4 0 0 个单独分枝。 当羽毛状的放电通道逼近阳极时，它的速度会增加，而当正流注进入放电间隙的 低场强区域时，其传播速度是下降的。这是因为与正流注传播下的负极平面相比较， 负羽毛状放电传播时的正平面更早更强地参与了放电过程。 。 图2 - 4 描述了从羽毛状电晕放电过渡到火花放电的顺序。这个顺序是由电子雪崩 开始的，电子的数目为e x pc ：2 a d _ x ，这里，电子向外运动，进入电场下降的区域，即 进入岱值下降的区域，电子沿着电力线运动，并相互发散开来。而在正电晕中，电子 在运动中却是相互会聚的。 华中科技大学硕士学位论文 a b c d ( a ) 个雪崩产生个羽毛，雪崩中发射和吸收光 子，并产生一些光电子。 ( b ) 光电子在正向前运动的原始雪崩头部前面产 生一个雪崩。 ( c ) 光电子产生一簇新雪崩的同时老的雪崩继续 前进。 ( d ) 一个羽毛的顶端逼近了阳极平面，在那儿两个 正流注都向着阴极发射出来。 图2 4 负电晕过渡到火花击穿过程示意图 通常，有几个雪崩同时发展起来，如果它们靠得足够近并且相互汇合起来，就可 形成一个发光的区域。 在空气中，光子的发射和吸收会使雪崩前部的分子电离，这些光电子受到正在前 进的雪崩空间电荷所加强的电场作用，将再次获得足够的能量，从而能在仍然前进的 原始雪崩的头部前面产生新的雪崩，如图2 4 ( b ) 所示。这些雪崩趋于相互排斥，引 起弯曲和类似羽毛状的迹径。同时，原始雪崩在长度上进一步增加，雪崩的第二代留 下了个楔形的正离子空间电荷团，这个电荷团增加了在原始雪崩头部的电场，因此 使原始雪崩在电离加强的条件下进一步向前运动。在此期间，新的光电子又将在第二 代雪崩前面产生，整个过程将经过多次类似的发展，如图2 4 ( c ) 所示。最后，当 外加电场在远离尖电极处变得太小以致不能维持电离时，整个过程将被瓦解。 图2 4 ( d ) 说明了从正平面电极后退的正流注的产生。当负的羽毛状电晕非常 接近阳极平面而产生局部强电场时，就会发生后退的正流注。其原因在于局部强电场 区内光电子能引发等同于在阳极情况下的正流注。一旦引发后，这些流注并不需要高 华中科技大学硕士学位论文 的电场两向着迎面而来的羽毛传播，当两个同时传播的电离波相遇，并且在它们的迹 径上有足够高的离子浓度时，将会形成一个高电导的通道，引起电流不稳定，这个实 现了高电离的等离子体通道就是电火花。 2 2 2 直流电压作用下的负极电晕 当外加直流电压作用到非均匀间隙上时，由于空间电荷的积累，与正电晕一样， 会出现新的电场分布与新的电晕模式。当加在尖一板电极两端的电压逐渐增加时，开 始可测得数量级为1 0 1 4 a 的电流，此时束发生电离，电流是饱和电流。电压升高到一 定程度，电流突然增加，表示电场中发生了电离，此电离形式产生规则的电流脉冲， 形状似毛刷，称为“特里切尔( t r i c h e l ) 脉冲”。 图2 5 所示为不同电晕的起始电压与电极间距的关系，最下面的曲线即是特星切 尔脉冲的起始电压。在相同的条件下，该起始的电压大小与正流注的起始电压接近， 在相当大的电压范围内，提高电压并不改变电晕的形态。因此，特里切尔脉冲存在的 区域比图2 2 中起始流注的存在区域要大得多。 4 0 ，、3 0 耋 匠2 0 掣 l0 1 火花 一， 形 辉光 以勿 里切尔l囊冲 乡乡 一 o 间隙距离d ( c m ) 图2 5 主要负电晕模式及其发生区域 电压再升高，超过了特里切尔脉冲的临界频率，放电过渡到电流恒定的辉光。负 辉光一般固定在中心处，放电区域与特里切尔电晕，分成亮的球形负辉光和不太亮的 正注，中间有一薄的黑层，亮的部分直径比较小但很亮。在很长的间隙里，辉光向电 华中科技大学硕士学位论文 火花转换之间发生的是另一类型的电晕，称为负流注，呈刷状或羽毛状。 负流注一般称为“负羽毛”，有时也成为“刷状放电”，它出现在很不均匀的电场 形态中，因此只在大的电极间距和很高的电压情况下发生。在短间隙中，这一电晕形 式不稳定，有时突然地发生电火花，掩盖了“羽毛”现象 “羽毛”阶段的电流有一部分是驻态的，上面叠加规则的脉冲。脉冲的上升时间 约为0 5 微秒，这比其它电晕脉冲长很多，原因在于“羽毛”的建立比较慢，它的尖 部通过充满负离子空间电荷的间隙区，扩散并且被负离子所偏移。 负流注向电火花或击穿过渡的情形，类似负极性下没有空间电荷的情形。当负“羽 毛”接近阳极时，产生逆向正流注，它们向负“羽毛”前进，有时过渡到全电离的通 道，组成电火花。如果不能实现电火花，“羽毛”将退到原来的辉光，但电流并不中 断。 2 2 3 特里切尔脉冲 特里切尔脉冲是直流电压作用下负极性电晕中非常常见的一种电晕形态。与正电 晕流注脉冲不同，无论在幅值或频率方面，特里切尔脉冲都是很规则的，电流脉冲的 形状也很少变化。起始时，脉冲频率h 约为2 0 0 0 脉冲秒，随着电压的升高，h 迅速 增加。图2 - - 6 是持里切尔脉冲频率h 和平均电流i 的关系，三条曲线的针电极分别为 r = 0 1 m m ，0 2 5 m m ，l m m ，极间距离d = l i 5 c m 。达到稳恒态辉光之前，脉冲频率h 最 大可以达到1 0 6 脉冲秒。由图2 6 可得 h = d ”( 2 - 1 ) 它和电压u 没有直接关系，只是间接地反映在i 和u 的关系中，上式中的h 是一定电 流下的最小频率。其中w = 1 2 1 。h 是r 的函数。将式2 一l 写成 ，= ( 妻) “w = 七w 对于各种半径f ( c m ) ，有 k = 8 1 x l o ， 华中科技大学硕士学位论文 于是式( 2 一1 ) 成为 ：( 1 2 3 1 0 7 1 ) 12 1 s e c - i ， i 是平均电流，用安培表示，此公式只有效于特里切尔脉冲放电形式，l o “ i 1 0 1 a 。 ： 羞 i 吾 聚 量 量 夕 1 厶 力幺 ， g j 、) ： 平均电蠢，。 j 图2 - - 6 特里切尔脉冲最小频率 特里切尔脉冲放电的形式示意图如图2 7 所示，它分为下列几个区：克鲁克斯暗 区，负辉光，法拉第暗区和正柱。 正离子的分布对原来的电场分布和进一步发展具有很重要的作用，图2 7 中e o 是不考虑空间电荷影响时的电场，e 是被空间电荷畸变了的电场。 在特里切尔脉冲中，靠近电极表面处被加强的电场使电子获得很高的能量，由于 速度很快的电子电离截面和激发截面都很小，使得紧贴阴极的附近不发生电离和激发， 因此也不发光，形成克鲁克斯暗区，如图2 7 ( a ) 所示；当电子失去部分初始的能 量后，才能有效地发生电离和产生发光区域，这就是负辉光，图2 7 ( b ) 表明这个 区域是很亮的，因为电子能量消耗在碰撞气体分子的过程中；在正离子的空间内部， 电场逐渐下降得低于原始电场，因此将不发生有效的电离和激发，这是图2 7 中的区 域( c ) ，称为法拉第暗区。在非弹性碰撞中失去了它们大部分能量后，这些雪崩产生 的电子继续朝着正离子团的中心运动，电场再次急剧增强，电子获得了动能并再次进 华中科技大学硕士学位论文 行有效的非弹性碰撞过程，从而形成正柱，如图2 7 ( g ) 所示。因为这里电场不很 强，所以发光也不是很强，光强沿着阳极方向逐渐减弱。 图2 7 存在空间电荷时电场的分布 当电子速度减慢后，它被空气中氧分子吸附的几率大大增加，更容易组成负离子， 负离子团产生的电场能削弱电离区域中的合场，甚至可能导致局部电场方向反向。负 离子进一步积累使负离子区和阴极区之间的电场连续下降，一旦电场下降导低于形成 雪崩所需的值时，放电将中断，全部的电离将停止，这样个特里切尔脉冲就结束了， 等到间隙中空间电荷消失之后，个新的电子崩产生，重复以前的过程，产生另一个 特里切尔脉冲。 特里切尔电晕并不固定在中心，而是移动的，看起来象一个锥体，由于电极尺寸 及形状等的差异，这种放电形式可以出现许多不同的发光形状。 随着电流的增强，负辉光及正柱的光也亮些，辉光的颜色开始略呈蓝色，稍后逐 渐转为紫色，正柱颜色开始为红色，随着电压的升高，逐渐变为黄色。 ，鬃；一一_= 。一一 华中科技大学硕士学位论文 3 非均匀电场中流化床状态气固混和体电晕特性 3 1 实验装置 用于本项研究的实验装置由高压电源部分、流化床装置、放电电极以及测量系统 组成。实验分别在直流和交流两种电压作用下进行，用于直流和交流实验的装置除了 电源外完全相同。 3 1 1 高压电源部分 高压直流电源通过市电升压半波整流而得，电源回路示意图如图3 1 所示，实验 中使用的变压器为c q s b ( j z ) 型高压试验变压器，直流电压值从o 7 0 k v 连续可调。由 于这个型号的试验变压器为交直流变压器，在变压器内部有一个硅堆，当工作在直流 方式时，图中短路连杆l 被抽出来，将硅堆接入电源回路。由于变压器中硅堆的连接 为图示方向，硅堆只对电压负半波整流，使得电源输出的是负电压。充电电容的c 的 容量为0 0 5 5 , u f ，r l ，r 2 阻值分别为2 m q 和2 0 0 七q ，起限流和保护作用。 卜 t 厂 b 2 2 0 v 1 j f 5 0 h z i 、 ! ，。j j d r 1r 2 t 一调压器b 一试验变压器d 高压硅堆 r l 、r 2 一水电阻l 一短路连杆c 一充电电容 图3 一l 直流电源回路 华中科技大学硕士学位论文 用于交流放电实验研究的电源回路如图3 2 所示。交流实验中将短路连杆l 入 电路，变压器即工作在交流方式。水电阻r 的阻值为2 0 0 k 。 r 2 2 5 0 一厂l _ ，一 放电间隙妙 l_ l。，j t 一调压器b 一试验变压器r - 一水电阻 图3 2 交流电源回路 3 1 2 气固混和体发生装置与放电室 本实验中使用的固体物质为球状的三氧化二铝颗粒和近似球状的圆柱聚丙烯颗 粒，粒径均为5 m m ，相对介电常数分别为e ，9 8 和e 矿2 2 ，以便于研究介电常数对 混和体放电的影响。 为了研究气固两相体放电现象，必须使固体颗粒在空气中均匀分布，在实验中我 们采用流化床技术来实现