结构参数对介质阻挡放电击穿电压的影响

孙保民，汪涛，肖海平，曾菊瑛

(华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京102206)

结构参数对介质阻挡放电击穿电压的影响

孙保民，汪涛，肖海平，曾菊瑛

(华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京102206)

为了研究介质阻挡放电(DBD)下反应器结构对气体击穿时反应器两端所需外加电压的影响，进行模拟烟气(N2/NO)在DBD下放电的实验，改变气体间隙、介质材料、电极接入方式、内电极材料等参数，分别比较击穿电压的变化。对实验条件下气体间隙的电场分布进行模拟计算，通过分析电场对击穿电压的影响，验证了实验结果的正确性。结果表明：增大内电极直径，减小气体间隙可以降低击穿电压；增大阻挡介质的介电常数对降低击穿电压有利；与内电极作阳极相比，内电极作阴极时击穿电压较低；内电极材料的二次电子发射系数越大，击穿电压越小。

介质阻挡放电；数值模拟；反应器结构；击穿电压

随着现代工业的发展，机动车辆数量大增，火电机组也增多，机动车和电厂排放的尾气中含有大量的氮氧化物(NO)，严重危害人类的健康。氮氧化物的脱除是目前控制发动机和电厂有害物排放的重点和难点。低温等离子体技术作为脱除NO的新方法，具有效率高、能耗低、无二次污染等优点[1]。介质阻挡放电(DBD)是一种典型的低温等离子体放电，由两个金属电极和至少一个绝缘介质组成。不同的反应器结构参数下表现出的放电特性大不相同，周博等[2]认为同轴圆柱型DBD的放电起始电压随中心电极半径的增大呈现出先增大后减小的变化趋势。Wang等[3]探讨了不同内电极结构对介质阻挡放电脱除NO的影响。Ghaleb等[4]分别运用二维流体模型和数学分析方法比较了氙气和氖气气氛中气体击穿电压与Pd值的变化关系，得知增大气体二次电子发射系数有利于降低气体的击穿电压。赵卫东等[5]推导了DBD放电的功率计算公式，并对同轴圆柱结构反应器的电场分布进行了分析。Takaki等[6]通过实验研究认为，多针-平板型介质阻挡放电产生的电场非常不均匀，有利于降低放电起始电压。当外加电压幅值和频率不变时，降低气体击穿电压可以延长一个周期内气体放电持续时间，增大放电功率，使放电空间内产生更多的活性粒子。戴玲等[7]通过实验研究了不同气体、气压、电源频率及气体流速对介质阻挡放电的击穿电压的影响，结果表明气压越低气体的击穿场强越低，电源频率对击穿场强影响不大，流速对击穿场强的影响程度跟气体种类有关。所以，研究和比较不同反应器结构下击穿电压的变化，对优化反应器结构、降低脱硝能耗有着非常重要的意义。本文通过实验得到不同气体间隙、阻挡介质材料、电极接入方式和内电极材料的情况下击穿电压的变化，并利用二维场域的有限元方法，结合多物理场直接耦合分析软件，对静电场分布的拉普拉斯方程进行数值求解，模拟计算了实验条件下气体间隙的电场分布。通过分析电场与击穿电压的关系，验证了实验结果的正确性，为后续相关研究提供一定的理论和实验依据。

1 实验装置与方法

实验流程如图1所示，实验气体通过减压阀减压，流经质量流量控制器(MFC)，混合后进入反应器，反应后的气体由碱液吸收。反应器出口的气体成分由烟气分析仪在线监测，数字示波器主要用于采集放电时的李萨如图形。

图1 实验系统示意图

实验中将高纯氮气(99.999%)与一氧化氮(10%)混合制备成NO，体积分数为500×10－6，平衡气体为N2的实验气体，总气体流量为10 L/min。

反应器介质管长530 mm，内径24 mm，厚2 mm，材质分别为石英(=3.7)、陶瓷(=6)、刚玉(=9.8)。介质管外表面包覆一层长450 mm的紫铜网作为外电极，内电极是直径分别为8、10、12 mm的圆棒，内电极材料分别为钨、铜和不锈钢。

主机电源为反应器直接供电电源，输出的正弦电压在0～30 kV范围内可调，实验频率为10 kHz。反应器内放电功率均由李萨如图形面积计算得到，所有的测量波形均由数字示波器Rigol DS1202CA(实时采样率2 GSa/s，宽带200 MHz)采集，并用Testo 350-Pro烟气分析仪对反应器出口的烟气成分进行测量。

2 实验结果与分析

2.1 气体间隙对击穿电压的影响

图2所示为反应器等效电路，Cd和Cg分别表示介质和气体的等效电容。气体被击穿前，电路中无电流通过，反应器可等效为Cd和Cg串联，如图2(a)；当电压达到击穿电压时，气体被击穿而导通，反应器可等效为Cg与齐纳二极管并联后与Cd串联接入电路，如图2(b)。

图2 介质阻挡放电等效电路

因为：

将式(2)、(3)代入式(5)可得：

将式(1)、(6)代入式(4)得到：

从式(7)可以看出，当介质管内外半径不变时，通过增大内电极半径可减小气体间隙，击穿电压也随之减小；减小可增大，随之增大。

实验采用内径为24 mm的石英管(厚度2 mm)作阻挡介质，外电极作为高压电极，内电极是直径分别为8、10、12 mm的铜棒，通过改变内电极直径来改变气隙大小。测得不同气隙大小条件下击穿电压如表1所示。从表1中数据可以看出，通过增大内电极直径减小气体间隙，可降低击穿电压，同理论分析结果相吻合。

表1 实验所用内电极

2.2 介质材料对击穿电压的影响

利用二维场域的有限元方法，结合多物理场直接耦合分析软件，可对静电场分布的拉普拉斯方程进行数值求解，完成三种介质管条件下气隙间静电场分布的模拟计算。计算模型如图3所示，外加电压幅值30 kV，电源频率10 kHz，内电极直径为10 mm，介质管内径24 mm，厚2 mm，外电极接高电压，模拟分别以石英、陶瓷、刚玉三种材料作阻挡介质时气体间隙的电场分布。为了简化模型，作以下假设[9]：

(1)线电极上的电势等于外加电压；

(2)内电极为圆柱体，表面光滑且干净；

(3)只考虑二维场的分布。

计算场域具有对称性，本文仅研究如图3所示的ABCDEF区域的静电场分布，AB、EF为气体间隙大小，BC、DE为介质层厚度。计算模型的边界条件如下[10]：

(1)在内电极上，即AF处满足第一类边界条件，=30 kV；

(2)CD上满足第一类边界条件，=0；

图3 模拟计算模型网格划分

计算出三种介质材料下气隙中静电场分布如图4所示。

图4 不同介质材料下气隙静电场分布

根据帕邢定律知击穿电压的表达如下[11]：

A、B是与气体性质有关的常数，当气体压强p和电极间距离不变，击穿电压仅与汤生第三电离系数r有关，γ系数表示平均每个正离子打到阴极上所引起的次级电子发射数。

在与以上模拟相同的条件下进行实验，测得三种介质管下的击穿电压比较如表2所示。结果显示，阻挡介质介电常数越大，击穿电压越小，与理论分析趋势一致。

表2 不同介质材料下击穿电压

2.3 电极接入方式对击穿电压的影响

实验条件：石英管介质管内径24 mm、厚2 mm，内电极为直径分别为8、10和12 mm的铜棒。分别将内电极和外电极作高压电极进行实验，得到不同条件下击穿电压如表3所示。从表3中可以看出，三种实验条件下当以外电极作高压电极时击穿电压均比内电极作高电压极时击穿电压小。

表3 不同电极接入方式下击穿电压

在以石英管(直径24 mm，厚2 mm)为介质，内电极直径10 mm条件下对气隙中静电场进行模拟计算，如图5。从图5中可以看出，同轴圆柱形DBD反应器电极间的电场分布非常不均匀，沿着半径方向，气体场强逐渐减小，靠近内电极附近处场强最大(约6 500 V/mm)，靠近阻挡介质内壁处场强最小(约2 700 V/mm)。所以，当内电极作高电压电极时，阴极附近电场强度很小，当外电极作高电压极时，阴极附近电场强度较大。

图5 沿半径方向气隙中电场分布

气体间隙中电场分布决定了汤生α系数和γ系数的数值和分布，限制气体中电子和离子的运动轨迹及电子雪崩过程。从前文分析已知，当气体压强不变，γ值随电场强度的增大而增大。当内电极作阴极时，阴极附近电场比较强，可得到较大的γ值，从而降低击穿电压。

2.4 内电极材料对击穿电压的影响

为了研究内电极材料对DBD的击穿电压的影响，实验时采用内径24 mm的石英管为介质层，内电极直径为10 mm，材料分别为钨、铜和不锈钢，外电极接高电压。实验结果如表4所示，采用钨棒为内电极时，气体的击穿电压比铜棒和不锈钢棒为内电极时要小。因为不同的电极材料，其第三电离系数(二次电子发射系数)不同，即平均每个正离子达到阴极上所引起的次级电子发射。在相同的气体成分下，气体压强和电极间距离不变时，由式(8)可知，随着二次电子发射系数γ的增大，击穿电压减小。

表4 不同电极材料下击穿电压

2.5 不同反应器对NO脱除的影响

为了研究不同结构配置对NO脱除的影响，选取击穿电压最低的与最高的反应器进行了实验比较。装置一：内电极直径为12 mm，介质材料为刚玉，外电极接高电压，内电极材料为钨，实验时所测的击穿电压为5.53 kV；装置二：内电极直径为8 mm，介质材料为石英，内电极接高电压，内电极材料为不锈钢，实验时所测的击穿电压为7.23 kV。脱除NO的实验结果如图6所示。随着放电功率的增大，NO浓度降低，但装置一的脱除效果明显高于装置二的，当放电功率为93 W时，装置一和装置二的尾气中NO浓度分别为114×10－6和183×10－6。NO脱除效率分别为77.2%和63.4%。

图6 不同配置对NO浓度的影响

3 结论

(1)保持介质管内、外直径不变，通过增大内电极半径的方法减小气体间隙，可以降低击穿电压；采用具有较大介质常数的阻挡介质，可以降低气体初始放电时反应器两端外加电压；与内电极作高压电极相比，外电极作高压电极气体被击穿所需外加电压较低；钨电极作为内电极时，气体的击穿电压比不锈钢和铜电极为内电极时小。

(2)用不同装置的DBD反应器脱除NO，放电功率为93 W的情况下，内电极直径为12 mm，介质材料为刚玉，外电极接高电压，内电极材料为钨的反应器和内电极直径为8 mm，介质材料为石英，内电极接高电压，内电极材料为不锈钢的反应器的脱除效率分别为77.2%和63.4%。

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[6]TAKAKI K，JANI M A，FUJIWARA T.Removal of nitric oxide in flue gases by multipoint to plane dielectric barrier discharge[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，1999，27(4)：1137-1145.

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[12]徐学基.气体放电物理[M].上海：复旦大学出版社，1996.

Effects of structural parameters on breakdown voltage in dielectric barrier discharge reactor

SUN Bao-min,WANG Tao,XIAO Hai-ping,ZENG Ju-ying

In order to study the role of dielectric barrier discharge(DBD)reactor structural parameters play on the breakdown voltage,an experimental study was conducted on discharging of simulated flue gas(N2/NO)in a DBD reactor.Then a comparison of breakdown voltage,under different gas gap,dielectric material,electrode connection and inner electrode material was made.The distribution of the electric field in between the gas gap under the same condition with the experiments was simulated.And the correctness of the test result through the analysis of the influence of the electric field on breakdown voltage was verified.It shows that larger inner electrode diameter leads to smaller gas gap and then minimizes the breakdown voltage;the increasing of dielectric material is good for breakdown voltage reducing;breakdown voltage is lower with inner electrode as the cathode compared with outer electrode as cathode;the larger the secondary electron emission coefficients of inner electrode is,the lower the breakdown voltage is.

dielectric barrier discharge;numerical simulation;reactor structure;breakdown voltage

TM 93

A

1002-087 X(2015)03-0609-04

2014-08-27

国家自然科学基金(51206047)

孙保民(1959—)，男，山东省人，教授，主要研究方向为高效清洁燃烧及低污染控制。